Rôle de l'instabilité génomique dans le potentiel métastatique des cellules tumorales circulantes dans le cancer bronchique non à petites cellules

Lung cancer is the leading cause of cancer-related death worldwide. The majority of patients are diagnosed at advanced and currently incurable stages. Non-small cell lung cancer (NSCLC) represents around 85% of cases. Alterations in the DNA damage response (DDR) and resulting genomic instability (GI) contribute to NSCLC etiology and progression. However, their therapeutic exploitation is disappointing. Circulating tumor cells (CTCs) that dissociate from the primary tumor or its metastases harbor distinct biological properties that allow them to travel through circulation and colonize distant organs. Further insight into CTC biology and identification of their vulnerabilities would provide a rationale for the targeting of the most aggressive tumor clones that fuel metastatic progression.We hypothesized that the DDR and genome integrity maintenance dysfunctions are critical processes in CTC metastatic potency and NSCLC progression. The main aim of my PhD project was to perform a molecular and functional characterization of NSCLC CTCs to elucidate the mechanistic basis of their tumorigenic potential and identify novel therapeutic targets. Using CTCs from 55 patients with advanced-stage NSCLC, our laboratory has established four CTC-derived xenografts (CDX) (GR-CDXL1, GR-CDXL2, GR-CDXL3 and GR-CDXL4) and three CDX-derived cell lines. Preliminary analyses have shown that the four CDX recapitulated patient tumor histology and response to platinum-based chemotherapy, which validated the clinical relevance of our models. To determine the extent to which the CDX was representative of the corresponding patient tumor biopsy, whole-exome sequencing (WES) was performed on the CDX (GR-CDXL1, GR-CDXL2, GR-CDXL3, GR-CDXL4), CDX-derived cell lines, corresponding patient tumor biopsy and single CTCs. The four major goals of my thesis were as follows: (i) identification of genomic alterations and in-depth comparative genomic analysis of the CDX, CDX-derived cell lines, corresponding patient tumor biopsy and CTCs using WES analysis data, (ii) functional characterization of DDR activity and chromosomal instability (CIN) events in the CDX-derived cell lines, (iii) in vitro drug assays targeting DDR defects, (iv) 3D modeling of the metastatic potency of our CDX-derived cell lines in ovo in the chick embryo chorioallantoic membrane (CAM) and in vivo in immunodeficient mice and pharmacological targeting of metastasis.Genomic analysis by WES has shown considerable mutational landscape similarity between the CDX, the cell lines, the patient biopsies and single CTCs. WES and reconstruction of phylogenetic trees of the CDX and the CDX-derived cell lines revealed truncal alterations in key DDR and genome integrity-related genes prevalent across models and assessed as therapeutic targets in vitro, in ovo and in vivo. GR-CDXL1 presented homologous recombination deficiency linked to bi-allelic BRCA2 mutation and FANCA deletion and unrepaired DNA lesions post-mitosis. GR-CDXL1 cells were sensitive to PARP inhibitor (PARPi) olaparib, despite chemoresistance, which challenges the current clinical rationale claiming that chemosensitive NSCLC patients should respond to PARPi. Targeting CIN through centrosome clustering inhibition in GR-CDXL3 impeded tumor growth in ovo and in vivo. In GR-CDXL4, olaparib sensitivity was dictated by SLFN11 overexpression, which also corresponded with increased neuroendocrine marker expression at patient disease progression, suggesting a predictive value of SLFN11 in histological transformation of NSCLC into SCLC.This study unravels distinct DDR profiles as a central mechanism underpinning CTC metastatic potency. It also suggests SLFN11 overexpression as a potential biomarker of sensitivity to PARPi in NSCLC independently of BRCAness. Overall, our models provide a robust platform for drug testing of DDR-targeted strategies to expand patient categories that may benefit from precision medicine in metastatic NSCLC.Le cancer du poumon est la 1ère cause de décès par cancer dans le monde. La majorité des patients sont diagnostiqués à un stade avancé pour lequel il n'existe actuellement pas de traitement curatif. Le cancer bronchique non à petites cellules (CBNPC) représente 85% des cas. Les altérations de la réponse aux dommages à l'ADN (DDR) et l'instabilité génomique (GI) sont impliqués dans l'étiologie et la progression du CBNPC. Cependant, leur ciblage thérapeutique est peu exploité. Les cellules tumorales circulantes (CTC) issues de tumeurs primitives ou métastatiques ont des caractéristiques biologiques très particulières leur permettant de transiter dans le sang et de former des métastases dans des organes secondaires. Une meilleure connaissance de la biologie des CTC pourrait permettre d'identifier des « vulnérabilités » dans ces cellules et de cibler les clones tumoraux les plus agressifs, moteurs de la progression métastatique.Nous avons émis l'hypothèse que des déficiences de la DDR et les mécanismes de GI ont un rôle clé dans le potentiel métastatique des CTC. L'objectif de ma thèse a été de réaliser une étude moléculaire et fonctionnelle des CTC de CBNPC afin de caractériser les mécanismes qui sous-tendent leur potentiel tumorigénique et d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. À partir des CTC de 55 patients atteints de CBNPC avancé, nous avons développé 4 modèles de xénogreffes (CTC-derived xenografts - CDX) GR-CDXL1, GR-CDXL2, GR-CDXL3, GR-CDXL4 et établi 3 lignées in vitro issues des CDX GR-CDXL1, GR-CDXL3 et GR-CDXL4. Des analyses préliminaires ont montré que les CDX présentent un phénotype concordant avec l'histologie des tumeurs des patients et reflètent leur réponse à la chimiothérapie, validant la pertinence clinique de nos modèles. Un séquençage de l'exome a été réalisé sur les CDX, les lignées dérivées, les biopsies et les CTC collectées au moment de la xénogreffe. Mon projet de thèse s'articule en 4 axes majeurs : (i) identifier les altérations génétiques dans nos différents échantillons séquencés et réaliser une analyse comparative des données, (ii) réaliser une étude fonctionnelle de la DDR et des mécanismes d'instabilité chromosomique de nos lignées, (iii) réaliser des tests pharmacologiques in vitro ciblant les déficiences de la DDR, (iv) étudier et cibler le potentiel métastatique in ovo dans le modèle de membrane chorioallantoique du poulet et in vivo chez la souris immunodéficiente.Notre analyse génomique a révélé des profils mutationnels similaires entre les CDX, les lignées dérivées, les biopsies correspondantes et les CTC. La reconstruction des arbres phylogénétiques a montré la présence d'altérations du nombre de copies de plusieurs gènes « drivers » impliqués dans la GI et la DDR. GR-CDXL1 présente une déficience de la réparation par recombinaison homologue du fait d'une mutation du gène BRCA2, une délétion du promoteur de FANCA, ainsi qu'un taux élevé de cellules post-mitotiques non-réparées. Les cellules GR-CDXL1 sont sensibles à l'inhibiteur de PARP-1 (PARPi) olaparib, malgré une résistance à la chimiothérapie. Dans GR-CDXL3, un « clustering » des centrosomes ciblable in ovo et in vivo a été détecté. GR-CDXL4 présente une sensibilité à l'olaparib qui résulte de la surexpression de SLFN11. Celle-ci coïncide avec l'expression de marqueurs neuroendocrines par la tumeur du patient à progression, suggérant une valeur prédictive de SLFN11 dans la transformation histologique d'un CBNPC en CBPC.Notre travail met en évidence des altérations de la DDR impliquées dans le potentiel métastatique des CTC de CBNPC. Il suggère la surexpression de SLFN11 comme potentiel biomarqueur prédictif de sensibilité aux PARPi dans les CBNPC indépendant du profil BRCAness. Nos modèles sont des outils pour tester de nouvelles thérapies ciblant la DDR dans la progression métastatique du CBNPC, qui pourraient élargir la catégorie des patients bénéficiant de la médecine personnalisée