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Conserved transcriptional networks govern distinct epithelial-to-mesenchymal transition states across mouse and human cancers

par Pérez González, Andrea
Président du jury Langer, Ingrid
Promoteur Blanpain, Cédric
Co-Promoteur VANHARANTA, SAKARI SV
Publication Non publié, 2026-04-28

Thèse de doctorat

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Résumé :

Cellular plasticity, which defines the ability of a cell to modify its transcriptional program, cellular states and cellular identity, plays a key role in the regulation of tumor heterogeneity and fitness, increasing the adaptability of tumor cells, and contributing to tumor growth, metastasis and resistance to anti-cancer therapy1.Epithelial-to-mesenchymal transition (EMT), a process by which epithelial cells lose their epithelial characteristics and acquire mesenchymal invasive properties, is one of the main regulators of tumor plasticity. In cancer, EMT is associated with tumor initiation, progression, invasion, metastasis and resistance to therapy. Recent studies demonstrated that EMT is not a binary switch, but it rather occurs through intermediate, partial or hybrid states, which are associated with different tumor functions1–6. However, the chromatin and transcriptomic landscapes defining each distinct EMT state as well as the complete set of transcription factors and gene regulatory networks controlling the different EMT states, their transition and stability remain poorly understood. Unraveling the intrinsic regulators of the different EMT states will provide further mechanistic insights that will be key for developing better anti-cancer targeted therapies.Here, using multi-omic approaches combining single-cell RNA-seq and single-cell ATAC- seq, we delineate the transcriptomic and chromatin landscapes of distinct EMT states in a mouse model of skin squamous cell carcinoma exhibiting spontaneous EMT2,7. Through CRISPR/Cas9-mediated loss-of-function studies coupled with in vitro and in vivo functional assays, we identify transcription factors regulating specific EMT states. Klf5 and Pitx1 are identified as master orchestrators of the early steps of EMT and are essential for metastasis seeding and outgrowth. In contrast, Nfatc1 and Creb3l1 act as regulators of later stages of EMT. Similar EMT states are also found in mouse metaplastic mammary tumors, human primary tumors and patient-derived xenografts of lung adenocarcinoma. Klf5 regulates epithelial and early EMT stages across these different tumor settings and is associated with poor survival in human lung and pancreas cancers.Altogether, our study defines a conserved transcriptional hierarchy that underlies EMT heterogeneity and tumor plasticity across different cancer types and across mouse and human cancers, identifying novel EMT state-specific transcription factors and highlighting their essential roles in regulating metastasis.

La plasticité cellulaire, définie comme la capacité d’une cellule à modifier son programme transcriptionnel et son identité cellulaire, joue un rôle central dans la régulation de l’hétérogénéité et de la fitness tumorales. Elle accroît l’adaptabilité des cellules cancéreuses et contribue à la croissance tumorale, à la dissémination métastatique ainsi qu’à la résistance aux thérapies anticancéreuses1.La transition épithélio-mésenchymateuse (EMT) est un processus par lequel les cellules épithéliales perdent leurs caractéristiques épithéliales et acquièrent des propriétés mésenchymateuses invasives. Elle constitue l’un des principaux mécanismes régissant la plasticité tumorale. Dans le contexte du cancer, l’EMT est étroitement associée à l’initiation tumorale, à la progression, à l’invasion, à la métastase et à la résistance thérapeutique. Des travaux récents ont démontré que l’EMT ne correspond pas à un phénomène binaire, mais qu’elle s’effectue par l’intermédiaire d’états partiels, intermédiaires ou hybrides, chacun étant associé à des fonctions tumorales distinctes1–6. Néanmoins, les paysages chromatiniens et transcriptomiques caractérisant chacun de ces états, ainsi que l’ensemble des facteurs de transcription et des réseaux de régulation génique impliqués dans leur contrôle, leur transition et leur stabilité, demeurent insuffisamment élucidés. L’identification des régulateurs intrinsèques des différents états de l’EMT est essentielle pour approfondir notre compréhension mécanistique et favoriser le développement de thérapies anticancéreuses ciblées plus efficaces.Dans ce travail, grâce à des approches multi-omiques combinant le séquençage de l’ARN à l’échelle unicellulaire (single-cell RNA-seq) et l’analyse de l’accessibilité de la chromatine par single-cell ATAC-seq, nous caractérisons les paysages transcriptomiques et chromatiniens d’états distincts de l’EMT dans un modèle murin de carcinome épidermoïde cutané présentant une EMT spontanée2,7. En combinant des approches de perte de fonction médiées par CRISPR/Cas9 avec des essais fonctionnels in vitro et in vivo, nous identifions des facteurs de transcription régulant spécifiquement différents états de l’EMT. Klf5 et Pitx1 apparaissent comme des orchestrateurs majeurs des étapes précoces de l’EMT et se révèlent indispensables à l’ensemencement et à l’expansion des métastases. Nfatc1 et Creb3l1 régulent des stades plus avancés de l’EMT. Des états d’EMT comparables sont également observés dans des tumeurs mammaires métaplasiques murines, des tumeurs humaines primaires ainsi que dans des xénogreffes dérivées de patients atteints d’adénocarcinome pulmonaire. Klf5 régule les états épithéliaux et les phases précoces de l’EMT dans ces différents contextes tumoraux et est associé à un pronostic défavorable dans les cancers humains du poumon et du pancréas.Dans l’ensemble, cette étude met en évidence une hiérarchie transcriptionnelle conservée sous-tendant l’hétérogénéité de l’EMT et la plasticité tumorale à travers différents types de cancers, chez la souris comme chez l’homme. Elle identifie de nouveaux facteurs de transcription spécifiques des états de l’EMT et souligne leur rôle essentiel dans la régulation de la dissémination métastatique.