Failure of normal intestinal homeostasis under the influence of tumour cell-derived paracrine signals

L'homéostasie épithéliale et la tumorigénèse sont deux concepts étroitement liés. En effet, la formation d’une tumeur et son évolution vers le cancer sont la conséquence d’une perte de contrôle des interactions spatiales et mécaniques des cellules épithéliales avec leur environnement. Ces altérations de l’homéostasie peuvent avoir deux origines : une origine intrinsèque, souvent due à des mutations, où la cellule perd sa capacité à interpréter correctement les signaux environnementaux et une origine extrinsèque où l’environnement lui-même ne fournit plus d’informations cohérentes capables d’organiser correctement le tissu.De précédents travaux ont montré des similarités sur le plan transcriptionnel entre certaines cellules souches intestinales tumorales et normales. L’objectif de cette thèse était d'étudier le processus d’initiation tumorale et l'hétérogénéité intratumorale centrée sur les cellules épithéliales dans le cadre du cancer colorectal.Grâce au modèle organoïde, permettant d'étudier in vitro des cellules épithéliales évoluant dans un micro-environnement contrôlé exempt de cellules stromales, nous avons identifié un effet « transformant » des cellules tumorales sur des cellules sauvages. Nos travaux ont montré que cette transformation était médiée par des protéines sécrétées. En utilisant la spectrométrie de masse SILAC, nous avons identifié les protéines exclusivement synthétisées par les organoides tumoraux. Cette analyse nous a permis d'identifier un facteur nécessaire à la transformation observée : la thrombospondine-1 (Thbs1). En effet, la neutralisation de Thbs1 par anticorps ou par ablation génétique dans les organoïdes tumoraux a été suffisante pour abolir l’effet transformant. La transformation des organoïdes sauvages se manifeste par un changement morphologique : une perte de polarisation cellulaire, la formation de kystes vides et une perte de compartimentation des cellules prolifératives normalement limitées à la crypte intestinale. L’analyse du transcriptome des organoïdes sauvages transformés par séquençage d'ARN a révélé une activation de la voie de signalisation Hippo, récemment décrite dans le développement et la régénération de l’épithélium intestinal. Nos travaux ont permis de montrer comment les cellules tumorales sont capables de conduire les cellules saines à adopter un programme génétique de régénération les rendant ainsi aptes à survivre et à proliférer dans un contexte tumoral.Ce travail contribue à une meilleure compréhension du remodelage précoce des tumeurs et de la communication entre les cellules épithéliales indépendamment des cellules stromales. Le mécanisme moléculaire que nous avons mis en évidence appuie l'hypothèse selon laquelle les cellules souches sauvages coexistent avec des cellules mutantes au sein des tumeurs et contribuent à la croissance tumorale.Epithelial homeostasis and tumorigenesis are two intertwined concepts. Indeed, the formation of a tumour and its progression to aggressive stages are the consequence of a loss of control of the spatial and mechanical interactions of epithelial cells with their environment. Such perturbed tissue homeostasis can have two origins: an intrinsic one, often due to genetic mutations, causing mutant cells to lose the ability to correctly interpret environment signals, and an extrinsic or non-cell autonomous cause, as the environment surrounding mutant cells can no longer provides coherent information to correctly orchestrate tissue homeostasis.Previous results in the lab indicated that some tumour cells transcriptionally resemble normal stem cells. I was intrigued by this observation and decided to study the molecular basis of intratumoral heterogeneity, keeping in mind that normal-like stem cells could be present within tumours. My PhD was focused on examining interactions between normal and tumour epithelial cells, using the stroma-free model of organotypic cultures. During these studies, I discovered and characterised a hitherto unknown mechanism of cellular communication between tumour epithelial cells and genetically wild type epithelial cells in the context of colorectal cancer.Taking advantage of the intestinal organoid model system, allowing in vitro study of epithelial cells organising in a defined micro-environmental context free of stromal cells, I identified a rapid "transforming" effect of tumour cells on genetically wild type intestinal stem cells. I then demonstrated that this fast and reversible transformation was mediated by a secreted protein, and evaluated by SILAC mass spectrometry which proteins were specifically secreted by tumour but not normal organoids. This high-throughput quantitative analysis allowed us to identify a factor that was necessary for the observed transformation: thrombospondin-1 (Thbs1). Indeed, inhibition of Thbs1 by neutralizing antibodies or by genetic knock-out was sufficient to abolish the transforming capacity of tumour organoids. Transformation of wild type organoids by tumour organoids is manifested by a morphological change resulting in loss of cell polarisation and formation of hollow cysts, but also by a loss of compartmentalisation of proliferative cells, normally restricted to the crypt regions of organoids. In order to understand how Thbs1 induced such a change, I then analysed the transcriptome of transformed organoids by RNA sequencing and showed a specific activation of the Hippo signalling pathway in response to tumour-derived conditioned medium. This study shows how tumour cells can induce genetically wild type cells to switch to a tumour-like behaviour, using signal such as Hippo pathway activation normally employed during regeneration, making non-mutant cells dangerously adapted to survive and proliferate in a tumoral context.This work provides original mechanistic insights into the processes of early tumour remodelling and epithelial cell communication independently of stromal cells. The molecular mechanisms we have unveiled support the hypothesis that wild type stem cells can co-exist with mutant cells in tumours and contribute to tumour growth and clonal expansion, thanks to paracrine factors (like Thbs1) secreted by surrounding tumour cells, which allow them to thrive in the tumour environmen