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Université Libre de Bruxelles Faculté de Médecine
I.R.I.B.H.M.
Identification of the molecular
mechanisms involved in the initiation, invasion and maintenance of basal cell
carcinoma
Jean-Christophe Larsimont
Thèse de Doctorat en Sciences biomédicales Promoteur : Professeur Cédric Blanpain
Année académique 2017-2018
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Remerciements
Je suis reconnaissant à tous les gens qui, de près ou de loin m’ont aidé durant ma thèse. Je m’excuse pour ceux qui ne sont pas inclus dans ces lignes mais le règlement veut que la section des remerciements ne soit pas plus volumineuse que la partie scientifique.
Je tiens d’abord à remercier mon promoteur, Cédric Blanpain, qui m’a accueilli au sein de son laboratoire et m’a permis de réaliser ma thèse tout en étant entouré gens brillants. C’est une personne très exigeante avec les gens qui composent son laboratoire mais il s’est toujours appliqué à lui-même un niveau d’exigence bien supérieur et sa brillante carrière en est le reflet.
Pas une fois je n’ai dû faire de concession dans le choix des expériences pour des raisons de financement ou parce que je ne pouvais pas collaborer avec des gens compétents. De par son travail acharné, il a toujours su réunir les meilleures conditions pour son équipe.
Son niveau d’exigence m’a aussi permis de dépasser de loin mes limites et de me développer bien plus en quelques années que je ne l’aurais fait en quelques décennies si je n’avais pas séjourné au sein de son laboratoire.
Dans un même registre, je tiens à remercier Khalil Kass Youssef, qui a eu la dure tâche de m’encadrer durant mes débuts. Il a été une personne clé dans mon apprentissage puisqu’il a su me diriger d’emblée dans la bonne direction en m’inculquant sa passion de la science et la rigueur avec laquelle il menait ses expériences. C’était également un soutien psychologique de premier plan grâce aux innombrables festivités qu’il organisait.
Autre personne clé durant ma thèse et dernière membre de la BCC team, Adriana. Aussi têtue que talentueuse, un simple regard à son historique de publication passé (et à venir) suffit à comprendre l’étendue de ses compétences et la passion qui l’anime. Ses compétences scientifiques n’ont d’égales que ses qualités humaines et plus qu’une amie, elle fait partie d’une sorte de famille, au même titre que Khalil, Adeline et Mélanie. Ces deux dernières sont également deux personnes aussi discrètes qu’admirables et sur lesquelles j’ai toujours pu compter. Je pense que le génotypage et toutes les tâches ingrates auraient pu être encore plus moroses sans elles.
Je tenais également à remercier le dernier membre de la famille BCC, Vijay, qui a toujours fait
3 preuve de bienveillance à mon égard et a toujours su faire preuve de bonne humeur malgré les moments difficiles qu’il a traversés.
A mon arrivée au labo, j’ai également pu compter sur un trio de rêve composé de Benjamin Beck, Benjamin Drogat et Gregory Driessens. Ben1 est probablement le scientifique le plus impressionnant que j’ai eu la chance de côtoyer. Véritable puit de savoir, je n’ai à ce jour pas encore trouvé un sujet qu’il ne connaisse pas et il semble maitriser toutes les techniques scientifiques existantes ainsi que l’ensemble des publications enregistrées sur Pubmed ces 60 dernières années. Si d’apparence il semble beaucoup plus « artistique », Gregory Driessens est tout aussi talentueux et m’a donné de précieux conseils durant ma thèse. Quant à papy Benjamin Drogat, si ses conseils scientifiques étaient précieux, c’est surtout la bonne humeur et la sérénité inébranlable qu’il incarnait qui m’ont été profitables.
Deuxième trio dont la deuxième position n’est que le reflet de l’ordre d’arrivée et non celui d’importance puisque je ne suis même pas certain que j’aurais pu terminer ma thèse sans eux.
En première position Souf, mon thesis buddy, avec qui j’ai cheminé depuis nos débuts d’étudiants célibataires, incapables de faire une extraction d’ARN en utilisant le kit le plus simple et le plus fiable du marché, jusqu’à sa publication dans le meilleur journal qui soit. Fort heureusement pour nous, nos vies privées ont également suivi la même tendance. Ce que je retiendrai de Souf, en plus d’un ami proche, c’est son aptitude à faire oublier à travers ses différents numéros quotidiens à quel point c’est un scientifique talentueux, et plus largement, un individu brillant.
Dans ce même trio, on retrouve Dany Nassar, la seule personne à avoir réussi à associer ces quatre trais a priori incompatibles : playboy, médecin, PhD et libanais. Il est également officieusement le meilleur brasseur du Liban. En dehors de son soutien au sein du labo et son amitié, je lui dois également le fait de m’avoir fait découvrir le monde de la bière tel que je le conçois aujourd’hui. Je pense que je me souviendrai à jamais de ce moment où il m’a fait découvrir la Punk IPA et que ma réponse fut « Dany, ce n’est pas une bière ça ».
On termine ce trio avec Fede qui bien qu’il soit arrivé après les autres, a rapidement su s’intégrer
à un point où on ne sait pas réellement retracer le moment où Fede est arrivé, c’est comme s’il
avait toujours été là. Italien au grand cœur, son calme et le recul qu’il arrive à prendre m’ont été
utiles à plus d’une fois. Bien qu’il soit foncièrement discret (en dehors de ses tirades d’injures en
4 italien envers les divers instruments du labo), c’est également une personnalité brillante comme en atteste les 942 langues qu’il parle couramment.
Troisième trio, Maud, Mathilde et Aline qui par leur humour bien à elles, ont rendu ces années plus légères qu’elles ne l’auraient été. Je retiendrai aussi particulièrement leurs performances tardives sur le dancefloor (et je pense que c’est largement réciproque).
Dernier trio, merci à Marielle, Sophie et Maria, non seulement pour avoir maintenu le niveau sonore de notre beau bureau et pour leur humour bien concon. Grâce à elles je peux me dire que j’étais dans « le bon bureau ». Merci à Guilhem d’avoir élevé le niveau de testostérone dans ce bureau rempli d’œstrogènes et également pour ses conseils scientifiques et son humour con.
Merci à Andrea, ma voisine, pour toutes les conversations, tant scientifiques que non- scientifiques et pour sa patience vis-à-vis de l’organisation un peu sommaire de mon bureau qui empiétait plus que largement sur son espace vital. J’espère qu’elle reviendra rapidement vers la science car elle est extrêmement talentueuse et a beaucoup à y apporter.
Merci à Gaëlle, aka maman, qui est probablement une des personnes ayant le plus contribué à l’achèvement de ma thèse tant elle abat un travail incroyable pour le labo et s’assure que tout aille bien pour tout le monde. Dans un même registre, merci à Farida de m’avoir rendu mon doigt, presque entier. Merci également à Nathy de s’être toujours coupée en 4 (si pas plus) pour toutes les démarches que j’ai pu avoir à effectuer.
Enfin, merci à toutes les techs du labo, Doriana, Christine, Gaëlle, Erwin, Catherine, Virginie pour leur boulot dont j’ai largement profité tout au long de mes travaux.
D’un point de vue scientifique et personnel, je tiens à remercier Véronique Del Marmol et Jean-
Marie Vanderwinden qui en plus d’être de grands scientifiques dont la force de la passion après
autant d’années (désolé) est admirable, sont deux personnes de très grande qualité sur le plan
humain et que je prends plaisir à revoir les trop rares fois où l’occasion se présente.
5 Merci aux membres du laboratoire de François Fuchs et en particulier à Mathieu Defrance pour le travail incroyable et central qu’il a réalisé dans mon projet. Merci à Pieter Baatsen pour sa guidance dans les limbes de la microscopie électronique.
Merci également à ma famille et en particulier, à ma mère et mon père qui venant de tout en bas ont réussi le pari de m’amener aussi loin que j’ai eu les capacités d’aller. Merci aussi d’avoir fait en sorte que je puisse faire tout ça sans avoir à me soucier de tout le reste.
Merci aussi à Thibaut et Laeti d’avoir été là jusqu’au bout, et par « au bout », j’entends jusqu’au déménagement chaotique du kot que j’avais ambitieusement entrepris seul. Merci également de m’avoir comblé en me permettant d’éventuellement obtenir le statut de Docteur Parrain.
Merci au reste de la famille, Mali, Françoise et en particulier à mamy de nous avoir élevés avec les valeurs qui sont les siennes, qu’on continue de porter et qui ont également rendu tout ça possible.
Ils ont également leur place dans la section famille, ceux avec qui j’ai partagé le logement pendant quelques mois voire années pour certains, Anne, Bérangère, Mathieu, Margot, Simon, Yannis. Ils ont tous un jour ou l’autre, indirectement contribué à la réussite de ce travail. Il en va de même pour les élus de l’ATM, Florent, Coco, William et Mika.
Enfin, merci à Maëlle pour son soutien et sa patience tout au long de ces travaux, des heures et
week-end passés à autre chose que vivre notre vie. Elle est d’ores et déjà responsable du fait
qu’obtenir ce doctorat ne sera jamais la meilleure chose qui me soit arrivée dans la vie.
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Table of contents
Table of abbreviations ... 8
1) Abstract ... 11
2) Résumé ... 12
3) Introduction ... 13
3A) Skin biology ... 13
3AA) Embryogenesis ... 14
3AAa) Epidermal specification ... 14
3AAb) Hair follicle embryogenesis ... 19
3AB) Homeostasis ... 20
3Aba) Stem cells ... 20
3AD) Skin cancers ... 30
3ADa) Basal cell carcinoma ... 31
3ADa2) Cell of origin ... 33
3B) Sox9 ... 38
3BA) Molecular characteristics ... 38
3Bb) SOX9 in embryogenesis ... 40
3Bc) Sox9 in epidermis ... 41
3Bd) SOX9 in cancer ... 44
3C) Resistance to therapy ... 47
3CBb) Mechanisms of resistance to therapy ... 48
3CBba) Drug efflux ... 48
3CBbb) Drug activation or inactivation ... 49
3CBbc) Alteration of drug targets ... 49
3CBbf) Redundancy ... 52
3CBbh) Cancer stem cells ... 54
3D) Resistance to therapy in BCC ... 56
4B) Lgr5 in adult tissues ... 59
4C) Lgr5 in cancer and cancer stem cells ... 60
5A) Sox9 Controls Self-Renewal of Oncogene Targeted Cells and Links Tumor Initiation and Invasion 60 First paper: Sox9 Controls Self-Renewal of Oncogene Targeted Cells and Links Tumor Initiation and Invasion... 65
5B. Mechanisms of BCC resistance to therapy ... 66
7 Second paper: A slow cycling Lgr5 tumor cell population mediates resistance to Smoothened inhibitor
in Basal Cell Carcinoma ... 69
6) Discussion ... 70
7. Perspectives. ... 81
References. ... 85
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Table of abbreviations
5FU : 5-fluoro-uracile ABC : ATP-binding cassette ACD : Asymmetric cell division AMH : anti-Müllerian hormone APC : Adenomatosis polyposis coli AR : Androgen receptor
BCC : basal cell carcinoma
BCRP : breast cancer resistance protein BM : basement membrane
BRAFI : BRAF inhibitors
CAF : cancer associated fibroblast CBC : carcinome basocellulaire CMD : campomelic dysplasia CP : committed progenitor DIM : dimerization domain DT : diphtheria toxin
DTA : diphtheria toxin fragment A DTR : diphtheria toxin receptor ECM : extra cellular matrix
EDC : electrodessication and curettage
9 EHFP : embryonic hair follicle progenitors
EMT : epithelial to mesenchymal transition ER : estrogen receptor
F-actin : filamentary actin
FAK : focal adhesion kinase signaling
FIB/SEM : Focus Ion Beam Scanning Electron Microscopy GFP : green fluorescent protein
GRN : gene regulatory network HFSC : hair follicle stem cell HMG : high mobility group Inv : involucrin
IR : ionizing radiations LRC : label retaining cells LRR : leucine-rich repeat MDR : multi-drug resistance
MEF : mouse embryonic fibroblasts MMS : Mohs micrographic surgery MTX : methotrexate
NBCCS : nevoid basal cell carcinoma syndrome NES : nuclear export sequence
NLS : nuclear localization signal
ORS : outer root sheet
10 PDT : photodynamic therapy
PML : promyelotic leukemia Pol η : DNA polymerase η ROS : reactive oxygen species SCD : symmetric cell division SHG : second harmonic generation Smoi : Smoothened inhibitor TA : transit amplifying cells TAM : tamoxifen
TEM : transmission electron microscopy TF : transcription factor
TLS : translesion DNA synthesis
TMECQ : 3-O-(3,4,5-trimethoxybenzoyl)-(-)-epicatechin
TMZ : temozolomide
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1) Abstract
Basal cell carcinoma (BCC) is the most frequent cancer in human, responsible on its own for more cases than the cumulated incidence of all cancers summed together. Recent works which have analyzed the early steps of tumorigenesis have paved the way for the understanding of tumorigenesis from the oncogenic hit to fully formed tumors. They have highlighted a central role for genes involved in the regulation of the embryonic progenitors of hair follicle stem cells.
In this work, we have studied the role of the transcription factor Sox9, a gene known to be crucial for the specification of these progenitors and hair follicle stem cells. We have shown that Sox9 is required for the progression of pre-neoplastic lesions to fully developed basal cell carcinomas and for the maintenance of oncogene-expressing cells. Using state-of-the-art genome analysis, we have shown that Sox9 acts both as an activator and a repressor of gene expression. We have shown that it directly promotes self-renewal, invasion and quiescence in cancer cells.
In the second part of this work, we have uncovered the mechanisms of action of the Hedgehog
inhibitor Vismodegib on cancer cells. Indeed, using genetic mouse models, we have shown that
the inhibitor impedes the embryonic reprogramming that occurs during BCC formation and
promotes the differentiation of BCC cells towards interfollicular epidermis, infundibulum and
sebaceous gland fates depending on their cellular origin. In addition, we found that a subset of
BCC cells that express Lgr5 and display active Wnt signaling are more resistant to Vismodegib
treatment in mouse models, and found indication that it might be the case in human patients
too. In addition, we have shown that combined inhibition of Wnt signaling (genetic as well as
chemical) together with Vismodegib treatment alleviates this resistance and results in the
complete eradication of BCC cells.
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2) Résumé
Le carcinome basocellulaire (CBC) est le cancer le plus fréquent chez l’homme et est à lui seul responsable de plus de cas que l’incidence cumulée de tous les autres cancers réunis. Des travaux récents qui se sont intéressés aux étapes précoces de la tumorigenèse ont fourni un support précieux pour l’analyse du développement tumoral précoce. Ils ont mis en évidence le rôle central de gènes impliqués dans les progéniteurs embryonnaires des cellules souches du follicule pileux. Dans ce travail, nous avons étudié le rôle du facteur de transcription Sox9, un gène connu pour être crucial dans la spécification de ces progéniteurs et dans les cellules souches du follicule pileux. Nous avons montré que Sox9 est requis pour la progression des lésions paranéoplasiques vers les CBC et qu’il était également requis pour la maintenance des cellules cancéreuses. En utilisant des méthodes d’analyse génomique de pointe, nous avons montré que Sox9 agit tant comme un activateur que comme un répresseur de la transcription. Nous avons montré qu’il promeut directement le renouvellement cellulaire, l’invasion ainsi que la quiescence des cellules cancéreuses.
Dans la seconde partie de ce travail, nous avons découvert le mécanisme d’action de l’inhibiteur
d’Hedgehog Vismodegib sur les cellules cancéreuses. En utilisant des modèles génétiques de
souris, nous avons montré que l’inhibiteur empêche la reprogrammation embryonnaire qui a
normalement lieu durant la formation du CBC et qu’il promeut la différentiation des cellules
cancéreuses vers une identité interfolliculaire, d’infundibulum ou sébacée suivant l’origine de ces
cellules. Nous avons également observé qu’une population caractérisée par l’expression du gène
Lgr5 ainsi que par une activation de la voie de signalisation Wnt est plus résistante au Vismodegib
chez la souris et nous avons trouvé des indices suggérant qu’il pourrait en être de même chez
l’humain. Enfin, nous avons pu montrer que l’inhibition combinée des voies de signalisation Wnt
et Hedgehog annihile cette résistance et résulte en la disparition complète des CBCs.
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3) Introduction
3A) Skin biology
Skin is the largest organ of the human body and is composed of several compartments that cooperate to fulfill its wide variety of functions. As shown in Figure 1, it comprises the stratified epithelium called epidermis, the conjunctive tissue called dermis and the hypodermis, a richly vascularized structure mainly composed of adipose tissue (Blanpain and Fuchs, 2006).
- Hypodermis –
The hypodermis, the deepest layer of the skin, is a loose connective tissue that is richly vascularized and composed of adipose tissue, collagen, elastin and nerves (Driskell et al., 2014).
It has numerous functions, the first of which is acting as a link between the dermis and the underlying mobile structures such as muscles and tendons. In addition, its high content in adipocytes organized in lobules separated by connective tissue provides a reserve of energy (Vega et al., 2009) and an insulating layer that prevents excessive heat losses (Driskell et al., 2014).
- Dermis –
The dermis is a connective tissue located between the hypodermis and the epidermis. It is mainly
composed of collagen, elastin fibers, glycosaminoglycans, proteoglycans and glycoproteins (Watt
and Fujiwara, 2011). The composition and proportions of these various components change
depending on body location, but also differ between the upper layer of the dermis (papillary
dermis) and the lower region of the dermis (reticular dermis). The upper part is mainly composed
of loosely arranged collagen fibers and hosts blood vessels as well as Meissner’s corpuscles (Vega
et al., 2009; Watt and Fujiwara, 2011). The blood vessels present in the papillary dermis help
providing nutrients for the surrounding cells as well as regulating body temperature. Meissner’s
corpuscles are mechanoreceptors found in skin that are responsible for light touch and are
Figure 1 : skin structure
Schematic representation of human skin showing the organization of the three layers : epidermis, dermis and hypo- dermis. The epidermis is composed of a stratified epithelium, called interfolicular epidermis (IFE), which is located between the pilosebeceous units and the hair and appendages such as the sebaceous gland. The sweat gland regu- lates body temperature and the excretion of various compounds through the pores. The epidermis is anchored in a conjonctive layer called the dermis which contains different populations of cells involved in many different functions such as its maintenance and in immunity, as well as blood vessels and nerves. Dermis tops the hypodermis which is composed of adipocytes, conjonctive fibers, nerves and is richly vascularized. It confers a reserve of energy as well as an insulating layer that prevents excessive heat loss. Adapted from Ebling & Montagna, Britanica 2006.
pores
hair
sweat gland
nerve
hair follicle sebaceous gland
blood vessels epidermis
dermis
hypodermis