Régulation de l'épigénome par le récepteur des oestrogènes dans le cancer du sein

Previous epidemiological and experimental studies have strongly implicated estrogens in breast cancer risk and Estrogen Receptor (ER), the transcription factor to which estrogen binds, is considered as the major molecular driver of around 70% breast cancers. The importance of the deregulated estrogen signalling is further highlighted by increasing evidence that current chemopreventive and therapeutic strategies that target hormonally responsive breast cancers frequently result in the development of resistance to anti-estrogens and metastatic progression, highlighting the need for understanding the molecular underlying mechanisms. While until recently, ER was believed to act as a stand-alone transcription factor, which can directly bind its motifs in DNA, it is now accepted that ER activity is a complex and dynamic process that requires highly concerted actions of a dozen transcriptional cofactors and various chromatin regulators at DNA. Recent studies focused on characterising ER-associated cofactors and their role in opening the chromatin provided a remarkable insight into transcriptional regulation mediated by ER. However DNA methylation and histone acetylation are poorly understood in the context of ER’s dynamic binding. In this thesis, I combined a cell culture protocol adapted for studying estradiol (E2) deprivation and re-stimulation in stricto sensu in ER-positive breast cancer cells with the latest methylation array, that allowed a genome-wide interrogation of DNA methylation (including a comprehensive panel of enhancers). I further investigated histone acetylation (ChIP-seq) and transcriptome (RNA-seq) after E2 deprivation and re-stimulation to better characterise the ability of ER to coordinate gene regulation. I found that E2 deprivation and re-stimulation result in time-dependent DNA methylation changes and in histone acetylation across diverse genomic regions, many of which overlap with enhancers. Further enrichment analysis of transcription factor (TF) binding and motif occurrence highlights the importance of ER tethering mainly through two partner TF families, AP-1 and FOX, in the proximity of enhancers that are differentially methylated and acetylated. This is the first study that comprehensively characterized DNA methylation at enhancers in response to inhibition and activation of ER signalling. The transcriptome and genome occupancy data further reinforced the notion that ER activity may orchestrate a broad transcriptional programme through regulating a limited panel of critical enhancers. Finally, the E2 re-stimulation experiments revealed that although the majority of the observed epigenetic changes induced by E2 deprivation could be largely reversed when the cells were re-stimulated we show that DNA hypermethylation and H3K27 acetylation at enhancers as well as several gene expression changes are selectively retained. The partial reversibility can be interpreted as a sign of treatment efficiency but also as a mechanism by which ER activity may contribute to endocrine resistance. This study provides entirely new information that constitutes a major advance in our understanding of the events by which ER and its cofactors mediate changes in DNA methylation and chromatin states at enhancers. These findings should open new avenues for studying role of the deregulated estrogen signalling in the mechanism underlying the “roots” of endocrine resistance that commonly develops in response to anti-estrogen therapyLes travaux épidémiologiques et expérimentaux effectués à ce jour sur le cancer du sein ont montré que les oestrogènes - comme l’eostradiole (E2) - et leur récépteur (ER) - un facteur de transcription les liants - sont fortement impliqués dans au moins 70% des cas de cancer du sein. Cette implication est d’autant plus visible que les patients, suite à une thérapie anti-oestrogénique, ont tendance à développer une résistance endocrinienne au traitement. Pendant longtemps, l’ER a été étudié en tant que facteur indépendant liant directement une séquence ADN spécifique sur le génome. Aujourd’hui le paradigme a profondément changé. Il est bien connu que ER s’associe avec de nombreux autres facteurs de transcription et protéines régulant la chromatine afin de réguler l’expression des gènes. Cependant, nos connaissances concernant la fonction de modifications épigénétiques suite à l’activation de ER - notamment la méthylation de l’ADN et l’acétylation des histones - sont encore limitées. Dans cette étude, j’ai mis en place un protocole de culture cellulaire adapté à l’étude de la privation et à la re-stimulation d’E2 stricto sensu. Dans un premier temps, ce protocole a été évalué à l’aide de la toute dernière technologie de puce permettant la lecture du méthylome et couvrant la liste complète des éléments amplificateurs. Dans un deuxième temps, j’ai mesuré le transcriptome et les profiles d’acétylation de l’histone H3 (H3K27ac) afin de déterminer la capacité de ER à réguler l’expression des gènes J’ai découvert que, suite à la privation de E2, les niveaux de méthylation de l’ADN et de H3K27ac changent et que ces changements s’accentuent avec le temps, en particulier au niveau des éléments amplificateurs. Une analyse d’enrichissement des facteurs de transcription et des séquences de liaison spécifiques a révélé que les facteurs de transcriptions des familles AP-1 et FOX sont des intermédiaires favorisants la liaison de ER aux éléments amplificateurs. Finalement, la re-stimulation des cellules par de l’E2 a montré que la majorité des changements épigénétiques observé sont réversibles mais que certains éléments amplificateurs restent hyperméthylés et déacétylés. Ceci pourrait indiquer que les traitements anti-oestrogéniques sont efficaces mais pourrait également indiquer un marqueur de résistance endocrinienne. Cette étude apporte des informations nouvelles quant aux effets de l’inhibition et l’activation de ER sur la méthylation de l’ADN et l’acétylation de l’histone H3 à l’échelle du génome et renforce l’importance du rôle d’autres facteurs au niveau des amplificateur