Analyse des mécanismes moléculaires régulant la dormance des cellules de cancer de la prostate in vitro

In the early 2000s, development of metastases was shown to be strongly limited by a phenomenon of cellular dormancy. Indeed, after extravasation in a distant organ, most of the disseminated cancer cells that survive enter into a reversible quiescent that is called dormant state. The phenomenon of dormancy is also the cause of late metastatic recurrences because dormancy confers long-term cellular survival and resistance to chemotherapy. Thus, it is important to analyze the molecular mechanisms regulating cancer cell dormancy. However, in vivo studies are difficult due to the extreme scarcity of disseminated cancer cells. Recently, T. Tchenio et al observed that clonogenicity of prostate cancer cells was strongly regulated by a dormancy phenomenon in vitro. A dormant state was induced when cells are cultured at low density in a slightly hypertonic medium, such as DMEM. The aim of my thesis was to analyze the molecular mechanisms regulating the dormancy of prostate cancer cells in vitro.We first demonstrated that dormancy required a combined activation of both BMP/TGF-ß and oxidative stress signaling pathways. Low cell density plays a key role in dormancy establishment by priming both signaling pathways. Hypertonicity induced dormancy through further amplifying these signaling pathways. We extended the biological relevance of our observation by showing that a closely related phenomenon could be induced by androgens at concentrations close to physiologic levels. Androgen-induced dormancy also relied on activation of the BMP/TGF-ß and oxidative stress signaling pathways. Interestingly, we observed that once dormancy was established, it was maintained autonomously since a transient treatment with androgen was sufficient to induce a dormant state that was self-sustained after withdrawal of exogenous androgens. Besides, CDKN1A (p21 CIP1/WAF1) was identified as a dormancy regulator modulated by oxidative stress. We showed that its transient overexpression at low cell density was sufficient to induce a dormancy phenomenon that mimicked those induced by hypertonicity or androgens.In conclusion, we showed that dormancy of prostate cancer cells was regulated by BMP/TGF-ß and oxidative stress signaling pathways that seemed to be interconnected through a self-sustained regulation loop. Androgen may constitute an effective inducer of dormancy in vivo to limit metastases development. Therefore, we would like to test its effects in vivo in a simplified model of metastatic dissemination in mouse relying on intracardiac injection of cancer cells. Furthermore, our model allowed us to predict that CTCs (Circulating Tumor Cells dispersed in bloodstream) could enter into a dormant state before their extravasation from blood vessels due to the pro-oxidant conditions in this environment. This prediction could be tested by studying whether oxidative stress and BMP/TGF inhibitors could promote proliferation of purified CTCs in vitro.Au début des années 2000, il a été montré que le développement des métastases était fortement limité par un phénomène de dormance cellulaire. En effet, après s’être extravasées dans un organe distant, la plupart des cellules tumorales disséminées qui survivent entrent immédiatement dans un état quiescent réversible mais durable sur le long terme, qui est qualifié de dormant. Si le phénomène de dormance permet de limiter le taux de développement de métastases, il est aussi à l’origine de récidives métastasiques tardives, car les cellules dormantes peuvent persister longtemps et sont résistantes à la chimiothérapie. Il est donc important d’analyser les mécanismes moléculaires régulant la dormance des cellules tumorales. Mais cette analyse est difficile à réaliser in vivo du fait de la relative grande rareté des cellules cancéreuses disséminées. Récemment, mon équipe d’accueil a observé que la clonogénicité in vitro des cellules de cancer de la prostate peut être fortement régulée par un phénomène de dormance. Celle-ci est induite lorsque les cellules sont cultivées à la faible densité cellulaire et dans un milieu légèrement hypertonique comme le DMEM. L’objectif de mon travail de thèse était d’analyser les mécanismes moléculaires régulant la dormance des cellules de cancer de la prostate in vitro.Dans un premier temps, nous avons mis en évidence que la dormance nécessite l’activation conjointe de la voie de signalisation BMP/TGF-ß et d’un stress oxydatif. La faible densité cellulaire joue un rôle capital dans l’établissement de la dormance en pré-activant la voie du BMP/TGF-ß et en sensibilisant la cellule au stress oxydatif. L’amplification de ces effets par l’hypertonicité explique l’induction du phénomène de dormance. Nous avons étendu la portée de ces observations en montrant que les androgènes à des concentrations proches des niveaux physiologiques permettent d’induire un phénomène de dormance très similaire, reposant lui-aussi sur l’activation des voies de signalisation du BMP/TGF-ß et du stress oxydatif. De manière intéressante, nous avons confirmé qu’une fois que la dormance est établie, elle se maintient d’une manière autonome. Ainsi, un traitement transitoire par des androgènes s’avère suffisant pour induire la dormance qui se maintient après la remise en culture dans un milieu dépourvu d’androgènes ajoutés. Par ailleurs, nous avons identifié CDKN1A (p21CIP1/WAF1) comme un régulateur de la dormance principalement régulé par le stress oxydatif. Sa surexpression à faible densité cellulaire suffit à induire un phénomène de dormance caractéristique.En conclusion, nous avons montré que la dormance des cellules de cancer de la prostate est régulée par les voies de signalisation du BMP/TGF-ß et du stress oxydatif qui semblent être interconnectées au travers d’une boucle de régulation auto-entretenue. Les androgènes pourraient constituer des inducteurs de dormance efficaces in vivo pour limiter le développement des métastases, ce que nous voudrions tester dans un modèle de dissémination métastasique simplifié chez la souris obtenu par injection intracardiaque de cellules cancéreuses. Par ailleurs, notre modèle prédit que les CTCs (Cellules Tumorales Circulantes dispersées dans la circulation sanguine) pourraient être induites à entrer en dormance avant même de s’extravaser du milieu sanguin du fait des conditions pro-oxydantes régnant dans ce milieu, ce qui pourrait être testé en étudiant si des inhibiteurs du stress oxydatif et/ou des voies du BMP/TGF-ß favorisent la prolifération de CTCs purifiées et mises en cultures