Exploring the impact of p53 activation on spatio-temporal genome topology

Abstract

(English) The year I started this Ph.D. (2019) was the 40th anniversary of the discovery of p53 and the 30th anniversary of its characterization as a tumor suppressor. Approximately, half of all human cancers carry mutations or deletions of the p53 gene, while the other half have disruptions to the p53 signaling pathway. Nevertheless, despite decades of extensive research the precise molecular mechanisms underpinning p53-mediated gene regulation and its tumor-suppressive efficacy remain partially elucidated. Under non genotoxic or oncogenic stressed conditions, the MDM2 protein promotes ubiquitination and proteasome-mediated degradation of p53 maintaining low cellular levels. However, upon encountering cellular stress, the p53-MDM2 interaction is disrupted leading to p53 accumulation and activation. Once active, p53 promotes critical cell fate decisions such as cell cycle arrest, apoptosis, or senescence by transactivating an array of target genes, leading to effective tumor regression. Consequently, the loss of p53 functionality is intrinsically linked to cancer susceptibility, rendering p53 an enticing candidate for anti-cancer therapeutic interventions. Cis-regulatory elements master gene expression through the control of transcription in temporal and spatial dimensions. However, the mechanisms by which p53 engages the genome in the context of 3D chromatin to activate transcription are not well understood –the interplay between p53 and 3D genome organization has remained unexplored to date. This doctoral thesis investigates p53s ability to reconfigure the genome and govern transcriptional regulation by inducing alterations in the temporal and spatial genome structure. It is the hypothesis of this dissertation that p53 exerts its influence by modulating physical connections between regulatory elements, enhancers, and gene promoters via the manipulation of DNA loops. To rigorously assess this proposition, a comprehensive investigation into the potential ramifications of p53 activation in HCT116 cell lines achieved through pharmacologically inhibiting MDM2 with Nutlin-3a drug has been outlined. This approach synergistically integrates diverse genomic datasets, encompassing Hi-C, Promoter Capture Hi-C, RNA-seq, and ChIP-seq methodologies. The analysis unveils that p53 activation precipitates both direct and indirect modifications in genome architecture, manifesting within minutes of its induction. By deciphering the nexus between 3D genome organization and p53-driven transcriptional regulation, this thesis aspires to help in the unravel avenues for therapeutic intervention in the realm of cancer treatment.

(Español) El año en que comencé este doctorado (2019) fue el 40 aniversario del descubrimiento de p53 y el 30 aniversario de su caracterización como supresor de tumores. Aproximadamente, la mitad de los cánceres humanos son portadores de mutaciones o deleciones del gen p53, mientras que la otra mitad presentan alteraciones en la vía de señalización de p53. Sin embargo, a pesar de décadas de investigación exhaustiva, los mecanismos moleculares precisos que sustentan la regulación génica mediada por p53 y su eficacia supresora de tumores siguen estando parcialmente clarificados. En condiciones de estrés no genotóxico u oncogénico, la proteína MDM2 promueve la ubiquitinación y la degradación de p53 mediada por el proteasoma, manteniendo niveles celulares bajos. Sin embargo, en caso de estrés celular, la interacción p53-MDM2 se interrumpe, lo que lleva a la acumulación y activación de p53. Una vez activo, p53 promueve decisiones críticas sobre la célula, como la detención del ciclo celular, la apoptosis o la senescencia, mediante la transactivación de una serie de genes diana, lo que conduce a una regresión tumoral efectiva. Por consiguiente, la pérdida de funcionalidad de p53 está intrínsecamente ligada a la susceptibilidad al cáncer, lo que hace de p53 un candidato atractivo para las intervenciones terapéuticas contra el cáncer. Los elementos cis-reguladores dominan la expresión génica mediante el control de la transcripción en dimensiones temporales y espaciales. Sin embargo, no se conocen bien los mecanismos por los que p53 interviene en el genoma en el contexto de la organización de la cromatina tridimensionalmente para activar la transcripción. Esta tesis doctoral investiga la capacidad de p53 para reconfigurar la organización del genoma y gobernar la regulación transcripcional induciendo alteraciones en la estructura del genoma. La hipótesis de esta tesis es que p53 ejerce su influencia modulando las conexiones físicas entre elementos reguladores, enhancers y promotores génicos, mediante la manipulación de la organización del ADN. Para evaluar rigurosamente esta proposición, se ha hecho una investigación de la activación de p53 en líneas celulares HCT116 lograda mediante la inhibición farmacológica de MDM2 con el fármaco Nutlin-3a. Este enfoque integra sinérgicamente diversos conjuntos de datos ómicos, que abarcan las metodologías de Hi-C, Promoter Capture Hi-C, RNA-seq y ChIP-seq. El análisis revela que la activación de p53 genera modificaciones directas e indirectas en la arquitectura del genoma, que se manifiestan a los pocos minutos de su inducción. Al descifrar el nexo entre la organización tridimensional del genoma y la regulación transcripcional impulsada por p53, esta tesis aspira a contribuir a desentrañar vías de intervención terapéutica en el ámbito del tratamiento del cáncer.