Nouvelles connaissances dans le domaine de la biologie moléculaire et de l'étiologie du cancer de la vessie apportées par l'analyse des signatures mutationnelles somatiques et l'annotation fonctionnelle des associations génétiques

Le cancer de la vessie (BCa) est une tumeur fréquente (4ème cancer chez l'homme). Il présente une hétérogénéité importante et une charge mutationnelle somatique élevée. Une meilleure compréhension de sa biologie et de son étiologie devrait permettre d'améliorer sa prévention et sa prise en charge clinique.Cette thèse présente une série de travaux visant à faire progresser notre compréhension de la biologie et de l'étiologie du Bca, en utilisant deux approches: 1) l'analyse des signatures mutationnelles somatiques qui permet de mieux comprendre l'étiologie des mutations fréquentes dans les oncogènes (OG) et gènes suppresseurs de tumeurs (TSG) et d'identifier de nouveaux candidats translationnels; 2) l'annotation fonctionnelle des associations génétiques qui permet de passer des variants aux connaissances biologiques en priorisant les gènes et les voies associés à des effets génétiques forts ou conjoints. Après une description du contexte et des objectifs, les principaux résultats de cette thèse sont exposés sous forme de cinq travaux de recherche indépendants mais reliés. Dans le premier travail, l'analyse dans les BCa des signatures mutationnelles (du séquençage de l'exome) a démontré que la désamination médiée par APOBEC, principale source des mutations des BCa, représente un facteur étiologique clé de la prévalence élevée de la substitution S249C parmi toutes les mutations de FGFR3, l'un des oncogènes les plus importants des BCa. Dans le second travail, des analyses de l'ensemble de l'exome ont permis l'identification systématique des mutations "hotspot" induites par APOBEC, y compris celles des OG et des TSG, ainsi que l'estimation de leur caractère "driver" ou "passager". Le rôle d'un nouveau driver prédit, AHR Q383H, a été validé sur le plan informatique et fonctionnel. Dans le troisième travail, à partir des données du séquençage du génome, un certain nombre de mutations non codantes fréquentes associées à APOBEC ont été identifiées dans des tumeurs BCa, y compris les mutations du promoteur TERT, mutations driver non codantes les plus répandues dans les BCa. Il a également été démontré que les mutations codantes et non codantes fréquentes liées à APOBEC pouvaient être des biomarqueurs potentiels pour l'estimation de la charge mutationnelle liée à APOBEC et pour la prédiction de la réponse à l'immunothérapie dans les BCa. Dans le quatrième travail, une variante réminiscente de la signature mutationnelle de référence induite par le tabagisme a été identifiée dans les BCa. Elle était associée au sous-type moléculaire LumU, à une prolifération cellulaire accrue, à la suppression d'une réponse immunitaire, à la perte de la différenciation urothéliale et au gain d'une différenciation squameuse définies moléculairement, ainsi qu'à une réponse au traitement et à un pronostic médiocres. Un lien entre tabagisme et instabilité génomique complexe a également été noté, probablement responsable de la résistance au traitement et au mauvais pronostic chez les fumeurs. Dans le dernier travail, une annotation fonctionnelle des associations obtenues par GWAS des BCa (par une intégration des classements de gènes par plusieurs approches, suivie d'une analyse d'enrichissement des ensembles de gènes), a permis d'identifier de nouveaux gènes susceptibles de jouer un rôle dans le développement des BCa, et de découvrir des convergences intéressantes entre les variants germinaux et les altérations somatiques au niveau des gènes et des voies.En résumé, les travaux présentés dans cette thèse fournissent de nouveaux résultats importants concernant l'importance et la pertinence dans la biologie et l'étiologie des BCa des principaux facteurs endogènes et exogènes, à savoir la désamination médiée par APOBEC et le tabagisme, ainsi que du patrimoine génétique. Un cadre systémique unifié basé sur l'élucidation des interactions complexes entre ces facteurs et leurs conséquences devrait être la direction de futures recherches.Bladder cancer (BCa) is one of the most common malignancy (the 4th in males). It is of significant heterogeneity and high somatic mutation burden. A better understanding of its molecular biology and etiology should lead to improvement of its prevention and clinical management.This thesis involves a series of efforts in advancing our understanding of BCa molecular biology and etiology, through two approaches: 1) somatic mutation signature analysis, which offers insights in the etiology of frequent mutations in oncogenes (OG) and tumor suppressor genes (TSG) and in the discovery of new translational candidates; 2) functional annotation of genetic associations, which enables translation from variants to insights through prioritization of the genes and pathways associated with stronger or joint genetic effects. Following a description of the background and objectives, the major findings of this thesis are organized in five independent and inter-correlated investigation reports. In the first report, mutation signature analysis in whole-exome sequenced BCa tumors demonstrated that the APOBEC-mediated deamination, the primary mutagenic source of BCa mutations, represented a key etiologic factor of the prominently high prevalence of S249C substitution across all mutations in FGFR3, one of the most important BCa oncogenes. In the second report, extended exome-wide analyses enabled systematic identification of APOBEC-induced hotspot mutations, including those in OGs and TSGs, plus estimation of the ‘driverness' or ‘passengerness' for those of undetermined functional relevance. The role of a predicted new driver, AHR Q383H, was validated computationally and functionally. In the third report, a number of APOBEC-associated frequent non-coding mutations were identified in whole-genome sequenced BCa tumors, including the TERT promoter mutations, the most prevalent non-coding driver mutations in BCa. It was further shown that APOBEC-related frequent coding and non-coding mutations could be potential biomarkers for estimation of APOBEC-related mutation burden and prediction of immunotherapy outcome in BCa. In the fourth report, a reminiscent variant of the tobacco-smoking induced reference mutation signature was identified in BCa tumors. It was associated with LumU molecular subtype, enhanced cell proliferation, suppressed immune signaling, loss of urothelial and gain of squamous differentiation defined molecularly, and poor treatment response and prognosis. A link between smoking and complex genomic instability features was also noted, likely responsible for treatment resistance and poor prognosis in smokers. In the last report, a functional annotation of BCa GWAS associations by integration of gene-rankings of multiple approaches followed by gene-set enrichment analysis identified novel genes likely playing a role in BCa development, and uncovered interesting convergences between germline variants and somatic alterations on both gene- and pathway-levels.In summary, the works presented in this thesis provide important new findings regarding the significance and relevance of the primary endogenous and exogenous factors, namely the APOBEC-mediated deamination and tobacco-smoking, so as the genetic makeup, in BCa molecular biology and etiology. A unified systems framework based on the elucidation of the complex interplays between these factors and their consequences should be the future direction of investigation