Exploiting DNA Repair Vulnerabilities to Modulate Anti-Cancer Immunity : a Study of the Immunological Potential of PARP inhibitors

par Roman Chabanon

Thèse de doctorat en Sciences de la vie et de la santé

Sous la direction de Sophie Postel-Vinay et de Jean-Charles Soria.

  • Titre traduit

    Exploiter les défauts de réparation de l’ADN pour moduler l’immunité anti-cancéreuse : une étude du potentiel immunologique des inhibiteurs de PARP


  • Résumé

    Les inhibiteurs de poly(ADP-ribose) polymérase (PARPi) ciblent sélectivement les cellules porteuses de défauts des voies de réparation de l’ADN tels que les mutations de BRCA1/2 et les défauts d’ERCC1. Sur le plan clinique, plusieurs PARPi ont été approuvés pour le traitement des cancers BRCA-mutés ou platine-sensibles du sein et de l’ovaire, et des essais cliniques sont en cours pour évaluer l’efficacité des PARPi dans le cancer bronchique non-à-petites cellules (CBNPC) platine-sensible. Alors que les PARPi ont un fort potentiel thérapeutique dans les cancers comportant des défauts de réparation de l’ADN, de plus en plus d’essais cliniques évaluent également l’efficacité de ces médicaments en combinaison avec les « inhibiteurs d’immune checkpoints » (ICI) dans diverses populations de patients. Dans ce contexte, il est essentiel de mieux comprendre comment les PARPi modulent la réponse immunitaire anti-tumorale, et d’étudier le potentiel immunologique inhérent de ces médicaments.Dans cette étude, nous avons établi que les cellules de CBNPC déficientes en ERCC1 expriment fortement la signature interféron (IFN) de type I, et que les tumeurs de CBNPC ayant une faible expression d’ERCC1 ont un infiltrat lymphocytaire renforcé. En utilisant des lignées cellulaires isogéniques et des xénogreffes dérivées de patients, nous avons montré que plusieurs PARPi, notamment l’olaparib et le rucaparib, ont des propriétés immunomodulatrices dans les modèles de CBNPC ERCC1-déficients et de cancers du sein triple-négatifs (CSTN) BRCA1-mutés. D’un point de vue mécanistique, les PARPi génèrent des fragments d’ADN cytoplasmiques ayant les caractéristiques de micronoyaux ; ceux-ci activent la voie cGAS/STING et déclenchent une réponse IFN de type I, associée à la sécrétion de la cytokine CCL5. De manière importante, ces effets sont largement diminués dans les cellules de CSTN BRCA1-révertantes et les cellules de CBNPC ré-exprimant ERCC1, ce qui suggère que les défauts de réparation de l’ADN amplifient les phénotypes immunitaires associés au traitement par PARPi. En outre, ces effets sont totalement abrogés dans les cellules de CSTN PARP1-neutralisées, ce qui confirme que les phénotypes observés dépendent d’un effet spécifique des PARPi sur leur cible.Au-delà de leur potentiel d’activation d’une immunité spécifique des cellules cancéreuses via cGAS/STING et la signalisation IFN de type I, nous avons également constaté que les PARPi potentialisent les effets inducteurs de l‘IFN de type II sur l’expression de PD-L1 dans des lignées cellulaires et cellules tumorales fraîches de patients CBNPC, surtout en présence de défauts d’ERCC1. De plus, nous avons montré que certains PARPi, utilisés à des concentrations létales, activent de manière indépendante les éléments moléculaires clés de la mort cellulaire immunogénique, dont l’exposition de la calréticuline à la surface des cellules cancéreuses, la sécrétion d’ATP et le relargage d’HMGB1 en grandes quantités dans le milieu extracellulaire.Dans l’ensemble, ces données précliniques suggèrent que les PARPi ont des propriétés immunomodulatrices intrinsèques qui participent à l’activation de réponses immunitaires anti-tumorales ; ce potentiel pourrait être exploité cliniquement en combinaison avec les ICI dans des populations adéquatement sélectionnées au plan moléculaire.


  • Résumé

    Poly(ADP-ribose) polymerase inhibitors (PARPi) selectively target cancer cells with DNA repair deficiencies such as BRCA1/2 mutations or ERCC1 defects. Clinically, several PARPi are currently approved for the treatment of BRCA-mutant or platinum-sensitive advanced ovarian and breast cancers, and ongoing clinical trials are investigating the efficacy of PARPi in platinum-sensitive Non-Small Cell Lung Cancer (NSCLC). While PARPi constitute potent targeted therapies for the treatment of DNA repair-deficient malignancies, an increasing number of clinical trials are also evaluating their efficacy in combination with immune checkpoint inhibitor (ICI) in various populations. In this context, it is of critical importance to better understand how PARPi might modulate immune responses against cancer, and to investigate the inherent immunological potential of these agents.In this study, we show that ERCC1-defective NSCLC cells exhibit an enhanced type I interferon (IFN) transcriptomic signature and that low ERCC1 expression correlates with increased lymphocytic infiltration in human NSCLC tumours. Using isogenic cell lines and patient-derived xenografts, we further demonstrate that several clinical PARPi, including olaparib and rucaparib, display cell-autonomous immunomodulatory properties in ERCC1-defective NSCLC and BRCA1-mutant triple-negative breast cancer (TNBC) models. Mechanistically, PARPi generate cytoplasmic chromatin fragments with micronuclei characteristics; this activates the cGAS/STING pathway and elicits downstream type I IFN signalling and CCL5 secretion. Importantly, these effects are suppressed in BRCA1-reverted TNBC cells and ERCC1-rescued NSCLC cells, suggesting that DNA repair defects exacerbate the innate immunity-related phenotypes triggered by PARPi. Similarly, these effects are totally abrogated in PARP1-null TNBC cells, supporting the on-target effect of PARPi in mediating such phenotypes. Besides this potential to activate tumour cell-autonomous immunity through cGAS/STING and type I IFN signalling, we also observed that PARPi synergize with type II IFN to induce PD-L1 expression in NSCLC cell lines and fresh patient tumour cells, especially in the ERCC1-deficient setting. Moreover, we show that lethal concentrations of some PARPi independently activate the key damage-associated molecular patterns dictating the immunogenicity of cancer cell death, including calreticulin exposure at the tumour cell surface, ATP secretion and HMGB1 release in the extracellular compartment.Together, these preclinical data suggest that PARPi have intrinsic immunomodulatory properties that activate anti-cancer immune responses; this could be exploited clinically in combination with ICI in appropriately molecularly-selected populations.



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