Mutations de la voie ATR-CHK1, réponse au stress réplicatif et cancer

by Tom Egger

Doctoral thesis in Biologie Santé

Under the supervision of Arnaud Coquelle.

defended on 29-11-2018

in Montpellier , under the authority of Sciences Chimiques et Biologiques pour la Santé , in a partnership with Institut de Recherche en Cancérologie (Montpellier) (laboratoire) .

  • Alternative Title

    Mutations in the ATR-CHK1 pathway, replication stress response and cancer


  • Abstract

    Colorectal cancer is responsible for more than 17,500 deaths per year and ranks third among the most frequent cancers in France. By interfering with the DNA replication process of cancer cells, several chemotherapeutic molecules induce replication stress. At the cellular level, this stress is managed by the ATR-CHK1 pathway. When activated by RPA-protected single-stranded DNA regions at slowed/blocked replication forks, ATR triggers the activation of the intra-S checkpoint via the phosphorylation of its CHK1 effector. This checkpoint then allows the cells to manage this replicative stress, via different processes (stopping the cell cycle, regulating the ignition of replication origins, stabilizing the forks...). In recent years, the therapeutic value of targeting this pathway has been clearly established in the literature. This therapeutic rationale is founded on pharmacological inhibition of the ATR-CHK1 pathway, possibly coupled with genotoxic molecules treatments. In addition, some tumours frequently have heterozygous mutations of the ATR and CHK1 genes. We have hypothesized that these deficiencies may represent their Achilles' heel. Our team generated a cellular model to specifically study these heterozygous mutations of ATR and CHK1. We began our study by characterizing the impacts of these mutations under normal growing conditions. Our data show that the ATR and CHK1 mutations alter the basal activity of the intra-S checkpoint, cause endogenous replicative stress, and lead to spontaneous DNA damage. In addition, these mutations sensitize the cells to certain drugs. Amongst other things, mutant cells show increased cytotoxic sensitivities to SN-38 (active ingredient of Irinotecan, topoisomerase inhibitor 1) and to VE-822 (ATR inhibitor). Furthermore, we showed that these two compounds have a strong synergistic. We then studied the underlying molecular mechanisms to these sensitization and synergy phenotypes. Our results show that the combination SN-38+VE-822 causes caspase-3-dependent apoptosis, exacerbated in mutant ATR or CHK1 cells. These genetic alterations limit the activation potential of the intra-S checkpoint and lead to extensive DNA damages. Inhibition of ATR by VE-822 allows cells to bypass the S- early cell cycle arrest normally induced by SN-38. Our analyses show that this phenotype leads to RPA depletion and subsequent replicative catastrophe, with ATR mutation predisposing cells to these phenotypes. Cells surviving the SN-38+VE-822 combination complete the replication and accumulate to G2 in a DNA-PK-dependent manner. This post-replicative checkpoint protects the cells from mitotic catastrophe. Together, these data suggest that RPA and DNA-PK represent promising therapeutic targets to optimize the effects of inhibition of the ATR-CHK1 pathway. Moreover, some of our results also suggest that the ATR-CHK1 pathway could be involved in the regulation of replication forks' remodeling, particularly in the resection of newly-synthetized DNA. Ultimately, the mutations of ATR and CHK1 found in patients may represent important prognostic factors in the response to these therapeutic strategies. By achieving a better understanding of the molecular processes involved in the response to chemically-induced replication stress, our study could contribute to the improvement of colorectal cancer’s therapeutic management.


  • Abstract

    Le cancer colorectal est responsable de plus de 17500 décès par an et se situe à la 3ème place des cancers les plus fréquents en France. En altérant le processus de réplication de l’ADN des cellules cancéreuses, certaines des molécules utilisées en chimiothérapie induisent du stress réplicatif. Au niveau cellulaire, ce stress est géré par la voie ATR-CHK1. Quand elle est activée par des régions d’ADN simple brin protégées par RPA au niveau de fourches de réplication ralenties/bloquées, ATR déclenche l’activation du checkpoint intra-S via la phosphorylation de son effecteur CHK1. Ce checkpoint permet alors aux cellules de gérer ce stress réplicatif, via différents processus (arrêt du cycle cellulaire, régulation de l’allumage d’origines de réplication, stabilisation des fourches…). Depuis quelques années, l’intérêt thérapeutique de cibler cette voie est clairement établi dans la littérature. Ce rationnel thérapeutique repose sur une inhibition pharmacologique de la voie ATR-CHK1, éventuellement couplée à des traitements par des molécules génotoxiques. Par ailleurs, certaines tumeurs présentent fréquemment des mutations hétérozygotes des gènes ATR et CHK1. Nous avons émis l’hypothèse que ces déficiences puissent représenter leur talon d’Achille. L’équipe a généré un modèle cellulaire permettant d’étudier spécifiquement ces mutations hétérozygotes d’ATR et CHK1. Nous avons commencé notre étude par la caractérisation des impacts de ces mutations en conditions normales de culture. Nos données montrent que les mutations d’ATR et CHK1 altèrent l’activation basale du checkpoint intra-S, provoquent un stress réplicatif endogène, et aboutissent à une induction de dommages de l’ADN. Par ailleurs, ces mutations sensibilisent les cellules à certaines drogues. Entre autres, les cellules mutantes présentent des sensibilités cytotoxiques accrues au SN-38 (principe actif de l’Irinotécan, inhibiteur de topoisomérase 1) et au VE-822 (inhibiteur d’ATR). De plus, nous avons montré que ces deux composés ont un effet synergique important, et nous avons par la suite étudié les mécanismes moléculaires sous-jacents à ces phénotypes de sensibilisation et de synergie. Nos résultats démontrent que la combinaison SN-38+VE-822 entraîne une apoptose dépendante de la caspase-3, exacerbée chez les cellules mutantes ATR ou CHK1. Ces altérations génétiques limitent le potentiel d’activation du checkpoint intra-S et aboutissent à une accumulation de dommages de l’ADN. L’inhibition d’ATR par le VE-822 permet aux cellules de court-circuiter l’arrêt du cycle cellulaire en S-précoce normalement induit par le SN-38. Nos analyses démontrent que ce phénotype entraine un épuisement de RPA et une catastrophe réplicative subséquente, la mutation d’ATR prédisposant les cellules à ces phénotypes. Les cellules survivant à la combinaison SN-38+VE-822 complètent la réplication et s’accumulent en G2 de façon DNA-PK-dépendante. Ce checkpoint post-réplicatif protège les cellules de la catastrophe mitotique. Ensemble, ces observations suggèrent que RPA et DNA-PK représentent des cibles thérapeutiques prometteuses pour optimiser les effets de l’inhibition de la voie ATR-CHK1. En définitive, les mutations d’ATR et CHK1 retrouvées chez les patients pourraient représenter des facteurs pronostiques importants de la réponse à ces stratégies thérapeutiques. De plus, certains de nos résultats suggèrent également une implication de la voie ATR-CHK1 dans la régulation du remodelage des fourches de réplication, notamment dans la résection de l’ADN néo-synthétisé. En affinant la compréhension des processus moléculaires impliqués dans la réponse au stress réplicatif, notre étude pourrait contribuer à l’amélioration de la prise en charge thérapeutique du cancer colorectal.

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