1)Jarid2 regulates mouse epidermal stem cell activation and differentiation ; 2)Tumor heterogeneity and metastasis-initiation in human squamous cell carcinoma

Abstract

Jarid2 is required for the genomic recruitment of the polycomb repressive complex-2 (PRC2) in embryonic stem cells. However, its specific role during late development and adult tissues remains largely uncharacterized. In this first part of my thesis, we show that deletion of Jarid2 in mouse epidermis reduces the proliferation and potentiates the differentiation of postnatal epidermal progenitors, without affecting epidermal development. In neonatal epidermis, Jarid2 deficiency reduces H3K27 trimethylation, a chromatin repressive mark, in epidermal differentiation genes previously shown to be targets of the PRC2. However, in adult epidermis Jarid2 depletion does not affect interfollicular epidermal differentiation but results in delayed hair follicle (HF) cycling as a consequence of decreased proliferation of HF stem cells and their progeny. We conclude that Jarid2 is required for the scheduled proliferation of epidermal stem and progenitor cells necessary to maintain epidermal homeostasis. Several human and mouse solid tumors, including squamous cell carcinomas (SCC), contain a population of Cancer Stem Cells (CSCs). CSCs are characterized by their unique ability to initiate and propagate the tumor; however, very little is known about their capacity to disseminate to distant organs and give rise to metastasis. CSCs display a great functional and molecular heterogeneity, and it has been proposed that different CSC subclones might exist to either maintain the primary tumor or to metastasize in distant sites. However, the identity of these heterogeneous populations of CSCs, as well as their molecular and functional characteristics for most type of tumors remains to be elucidated. Using a novel xenograft system that we have developed to study human head and neck squamous cell carcinoma, we have identified a labelretaining (LRC) population inside the cancer stem cell pool defined by the high expression of CD44 and high activity of Aldh1. Unexpectedly, tumor LRC harbor poor initiating potential, and are more sensitive to chemotherapy than their proliferating counterparts. Intriguingly, tumor LRCs are defined by a unique transcriptome signature previously linked with bone and lung identity, two major sites of SCC metastasis, suggesting they might be involved in the colonization of distant tissues by SCC tumors. We have also identified surface molecules, including CD36 and CD37, that are uniquely expressed by tumor LRCs, that can be used as surrogate markers to isolate and characterize them from primary human SCCs. Based on this signature, we could demonstrate that the presence or absence of this population in the primary tumor of a large cohort of patients with cutaneous SCC is highly predictive of the metastatic occurrence. In addition, several markers exclusively expressed by tumor LRCs can be targeted with drugs currently in clinical trials for the treatment of other diseases. We are testing whether some of these therapeutical strategies are effective to preventing or reducing the metastatic potential of SCC tumors.

Jarid2 es necesario para la localización genómica del complejo represor polycomb repressive complex-2 (PRC2) en células stem embrionarias. Sin embargo, la función de Jarid2 en las últimas fases del desarrollo embrionario y su papel en la función de los tejidos adultos no ha sido aún caracterizada en profundidad. En esta primera parte de mi tesis doctoral, mostramos que la deleción de Jarid2 en la piel de ratón no afecta al desarrollo de la epidermis, pero reduce la proliferación y potencia la diferenciación de las células progenitoras epidermales en neonatos. La piel de los ratones neonatos Jarid2-KO muestra niveles reducidos de la marca represora de la cromatina, H3K27me3, en genes necesarios para la diferenciación de las células progenitoras. En cambio, en piel adulta la depleción de Jarid2 no afecta la diferenciación de la epidermis, pero sí que resulta en una reducción del número de células stem activas de los folículos pilosos, lo que desemboca en el retraso del crecimiento de los folículos. Por lo tanto, nuestros resultados demuestran que Jarid2 es necesario para la activación y diferenciación de diferentes células stem del compartimento queratinocítico de la piel necesarios para mantener la homeostasis epidermal. Diversos tipos de tumores sólidos humanos y de ratón, incluyendo carcinomas de células escamosas (SCCs del inglés: Squamous Cell Carcinomas), contienen una población de células madre cancerosas (CSCs del inglés Cancer Stem Cells). Las CSCs se caracterizan porque pueden iniciar y propagar el tumor; sin embargo, se conoce muy poco sobre su capacidad de alcanzar órganos lejos del tumor primario y de formar metastasis. Las CSCs pueden ser muy heterogéneas tanto a nivel funcional como molecular, y se ha propuesto que podrían existir diferentes subclones sea para mantener el tumor primario, sea para formar metástasis. No obstante, no se conoce por ahora ni la identidad de estas poblaciones heterogéneas de CSCs, ni sus características a nivel funcional o molecular. Usando un nuevo sistema de xenoinjerto que hemos desarrollado en nuestro laboratorio para estudiar SCC de cabeza y cuello, hemos identificado una población que es capaz de retener el marcaje con el tiempo (LRC de inglés: Label-retaining Cells), dentro de la población total de CSSs, definidas como células dentro del tumor que muestran alta expression de CD44 y alta actividad de Aldh1. En contra de lo que esperábamos, las LRC del tumor tienen dificultad para iniciar tumores por sí solas y son más sensibles a tratamientos de quimioterapia cuando las comparamos con otras células más proliferativas. Por otra parte, las LRC del tumor se pueden definir con un transcriptoma único que ha sido relacionado anteriormente con hueso y pulmón, que son dos de los órganos donde los SCC forman metástasis preferentemente. Esto sugiere que podrían estar involucradas en la colonización de órganos alejados del SCC primario. Hemos identificado también moléculas de superficie, incluyendo CD36 y CD37, que se expresan exclusivamente en las LRC de tumor y que se pueden usar como marcadores para aislar y caracterizar las LRC de SCCs primarios humanos. Basándonos en estos marcadores, hemos podido demostrar que la presencia o no de esta población en el tumor primario predice la formación de metástasis en pacientes con SCC cutáneos. Además, diversos marcadores que hemos identificado como únicos en LRC de tumor, son diana de fármacos ya usados en la actualidad en ensayos clínicos para tratamiento de otras enfermedades. En la actualidad estamos probando si alguno de estos tratamientos puede ser efectivo para prevenir o reducir el potencial de formar metástasis en SCC.