Dérégulations épigénétiques et maintien de l'intégrité du génome dans les gliomes pédiatriques mutés H3-K27M (DMG)

par Chloé Subecz

Projet de thèse en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie

Sous la direction de David Castel.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Cancérologie, Biologie, Médecine, Santé (Villejuif, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Vectorologie et thérapeutiques anticancéreuses (laboratoire) , Pharmacologie et Cancers de l'Enfant (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 05-11-2018 .


  • Résumé

    Les tumeurs cérébrales constituent la première cause de mortalité et de morbidité par cancer chez l'enfant et l'adulte jeune (1). Parmi celles-ci, les gliomes diffus de la ligne médiane (DMG) demeurent universellement incurables avec une médiane de survie de moins d'un an. Ces tumeurs ne sont pas résécables du fait de leurs localisation et du caractère infiltrant dans les structures normales du tronc cérébral et du thalamus et de la moelle épinière. En 30 ans de recherche peu de progrès ont été accomplis, et ces gliomes constituent à ce titre le plus grand défi thérapeutique de l'oncologie pédiatrique à ce jour (2). Mécanisme oncogénique des DMG et reprogrammation épigénétique Longtemps assimilés aux gliomes de l'adulte, la biologie des DMG n'en est qu'à ses prémices. Un programme de recherche dédié a été initié au laboratoire pour étudier ces tumeurs. Une caractérisation génomique par CGH-array et transcriptomique de biopsies au diagnostic nous a permis de stratifier les patients en deux sous-groupes et confirmer les différences avec les autres gliomes pédiatriques notamment sus-tentoriels (3). Par la suite, la découverte des mutations ponctuelles K27M de l'histone H3 dans les gènes HIST1H3B et H3F3A codant respectivement l'histone canonique H3.1, et le variant H3.3 a permis d'individualiser sur le plan moléculaire les DMG, et plus largement les gliomes pédiatriques diffus de la ligne médiane (4, 5). Cette protéine modifiée séquestre EZH2 et de ce fait le complexe PRC2 (Polycomb Repressor Complex 2) qui ne peut plus distribuer cette marque répressive sur les histones H3 voisines même si elles sont sauvages, induisant ainsi une perte globale de la marque épigénétique H3K27me3 (6, 7). La perte de cette marque habituellement associée à un état chromatinien de répression des gènes en regard (8, 9), conduit à une dérégulation de l'expression des gènes cibles de PRC2 notamment (10). Cependant ces dérégulations épigénétiques sont plus complexes et contrastées, puisque des gains focaux associés à des pertes d'expression des gènes à proximité sont aussi observés. L'épigénome et en particulier la répartition des modifications post-traductionnelles des queues de l'histone H3, n'a été étudiée que dans peu de modèles cellulaires ou de tumeurs. Dès lors, se pose la question de la généralisation de ces découvertes, et une caractérisation approfondie des modifications du paysage épigénétique, dans un nombre étendu de tumeurs s'avère nécessaire. Le variant d'histone H3 muté en K27M définit deux sous-groupes de DMG. Nos données publiées et celles obtenues dans le cadre des études ancillaires de l'essai clinique de médecine de précision BIOMEDE, nous ont permis d'observer que la quasi-totalité des tumeurs présentent une mutation H3-K27M et/ou une perte de la marque H3K27me3 (11). Les DMG présentent ainsi une oncogenèse unique induite par ces mutations H3-K27M et leur conséquence biochimique d'inhibition du complexe PRC2. Cependant, cette oncogenèse n'est pas uniforme dans les deux sous-groupes de tumeurs présentant une mutation du variant d'histone H3.1 ou H3.3. L'analyse approfondie de notre cohorte de DMG nous a permis d'identifier des différences fondamentales dans la biologie des tumeurs de ces deux sous-groupes tant au niveau clinique que moléculaire (12, 11). Même si les conséquences de la mutation K27M sur la fonction du complexe PRC2 sont identiques quelle que soit l'histone H3 mutée, les différences fonctionnelles (expression durant le cycle cellulaire, localisation sur le génome, type de chaperones régulant leur incorporation à l'ADN) pourraient expliquer en partie les phénotypes différents observés. Lien entre altérations épigénétiques et instabilité chromosomique Enfin, nous avons observé qu'une majorité de DMG présentent des remaniements chromosomiques. Nous souhaitons donc étudier le lien entre les dérégulations induites par les mutations d'histone H3 et une instabilité du génome permettant de mieux comprendre leur oncogenèse.

  • Titre traduit

    Epigenetic dysregulations & genome maintenance in paediatric diffuse midline gliomas, H3-K27M mutants.


  • Résumé

    Brain tumours represent the first cause of death from cancer in children, adolescent and young adults. (1). High-grade gliomas are both the most frequent and most severe malignant brain tumours. Diffuse Midline Gliomas (DMG), especially, are considered as presently not curable. Their deep-seated location in sensible area of the brain as well as their infiltrative nature precludes any surgical attempt. Prognosis has not changed in the last 50 years and most children affected with this disease will die during the first two years after diagnosis (2). Oncogenic mechanism in DMG and epigenetic reprogramming The absence of progress could be partly explained by the lack of knowledge of the disease. Until recently, DMG were considered as malignant gliomas similar to those encountered in adults, which they are not in fact (3). Indeed, recent studies from autopsies and biopsies at diagnosis have shown that DMG are characterized by a unique histone H3 mutation at position 27 of the regulatory tail leading to a substitution of a Lysine by a Methionine (4, 5). Consequently, the PRC2 complex trapped on this mutated residue cannot trimethylate this position anymore (6). This trimethylation mark is normally a repressive mark inhibiting transcription of the neighbouring genes (8, 9),; its loss therefore induces major changes in the gene expression profile (10). These epigenetic dysregulations are however more complex and contrasted as focal gains of H3K27me3 associated with expression loss are also observed. The epigenome and in particular epigenetic histone marks have only been studied in a few models or tumors. An in-depth profiling is thus required to generalized these observations. The mutated histone H3 variant defines two subgroups of DMG Our published data and those obtained in the BIOMEDE clinical trial ancillary studies allowed us to observe that virtually all DMG show a H3-K27M mutation and/or a global loss of H3K27me3 (11). DMG thus present a unique oncogenesis induced by these H3-K27M mutations and the consequent inhibition of PRC2. However, this oncogenesis is not uniform in the two subgroups of tumors presenting a histone H3.1 or H3.3 mutation. An in-depth study of our cohort allowed us to identify fundamental differences in the biology of these tumors both at the clinical and molecular level (12, 11). Even if the consequences of the K27M mutation on PRC2 function are identical whichever the histone mutated, functional differences (expression during S phase, localization on the genome, type of chaperone regulating their loading in chromatin) might explain, at least partly, the phenotypical differences observed. Link between epigenetic alterations and chromosomal instability Lastly, we have observed that the majority of DMG present chromosomal rearrangements. We thus want to study the link between the deregulation induced by histone H3 mutations and a chromosomal instability to better understand DMG oncogenesis. OBJECTIVES The first aim will be to elucidate epigenetic processes in DMG oncogenesis. The detailed description of the epigenetic landscape in an extended number of DMG will be key. A precise description of associated mutations in our cellular model will permit to define if specific mutations affect the epigenome. Second, we will compare subgroups or tumors to understand how histone mutations and accompanying mutations specifically influence DMG biology and oncogenesis. The second part of the doctoral project will focus on a molecular characterization of deregulations in these tumors imposed by the H3 mutations. In particular, their influence on DNA replication or the nuclear architecture will be assessed in regards to the oncogenic process. Likewise, we will study the potential link between H3-K27M mutations, replication and maintenance of genome integrity, as chromosomal instability is frequently observed in these tumors. Mutations in genes participating in the epigenetic regulation often have pleiotropic effects in the entire genome. Their consequences are difficult to predict and only their in-depth study will permit to make substantial progresses. The present project -and the results that will be accumulated, will be pivotal to increase the understanding of DMG and ultimately make therapeutic breakthrough in this devastating disease.