Hétérogénéité des cellules tumorales

1. Role du stress oxydant dans la chimiosensibilité

La caractérisation de la diversité (transcriptomique, protéique, métabolomique, …) des cellules tumorales dans les cancers représente un défi majeur pour mieux comprendre le développement tumoral, les interactions cellulaires et les mécanismes de résistance aux traitements et ainsi participer à une meilleure prise en charge thérapeutique des patients atteints de cancer. Historiquement, le laboratoire « Stress et Cancer » s’intéresse au lien entre le stress oxydant, le vieillissement cellulaire et le développement tumoral. En effet, le cancer étant l’une des pathologies les plus fréquentes du vieillissement, nous nous sommes intéressés à l’impact d’un stress oxydant persistant sur le développement tumoral. Nous avons ainsi démontré que :

Le stress oxydant stimule la croissance et la dissémination métastatique, en modifiant en profondeur le microenvironnement tumoral via l’action de la chimiokine CXCL12 et du facteur pro-angiogénique HIF dans les cancers du sein invasifs HER2-positif (Gerald et al, Cell, 2004 ; Toullec et al, EMBO Molecular Medicine, 2010 ; Dahirel et al, Cell cycle, 2013 ; Costa et al, Seminars Cancer Biology, 2014).
Le stress oxydant favorise la réponse aux chimiothérapies chez les patientes atteintes de carcinomes ovariens séreux de haut grade (HGSOC). Les patientes atteintes de HGSOC sont classiquement inclues dans un protocole thérapeutique comprenant de la chimiothérapie de type taxanes et sels de platine, génératrices d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) et de dommages à l’ADN. L’impact positif du stress oxydant dans la réponse aux chimiothérapies est caractérisé par l’action de la famille de micro-ARN miR-200. Nous avons ainsi mis en évidence deux groupes de patientes atteintes de HGSOC : le premier est caractérisé par un stress oxydant et une meilleure réponse à la chimiothérapie, le second, fibreux de plus mauvais pronostic (Mateescu et al, Nature Medicine, 2011 ; Batista et al, International Journal of Biochemistry and Cell Biology, 2013 ; Batista et al, Nature Communications, 2016).

L’étude du stress oxydant chez les patientes atteintes de cancer de l’ovaire séreux de haut grade (HGSOC) a permis de mettre en évidence deux groupes de patientes : « stress oxydant » et « fibreux ». Les patientes ayant un profil transcriptomique révélant un enrichissement de gènes impliqués dans la réponse au stress oxydant possède une meilleure réponse à la chimiothérapie et sont de meilleur…

Les HGSOC font partis des cancers gynécologiques les plus agressifs. En lien direct avec la réponse au stress oxydant, nous avons mené deux études en parallèle au laboratoire qui rendent compte de l’hétérogénéité des cellules tumorales dans ces cancers, sous deux aspects : le métabolisme cellulaire et la voie de signalisation induite par MAP3K8.

2. Hétérogénéité métabolique et chimiosensibilité des cellules tumorales ovariennes :

La reprogrammation métabolique est définie comme une des caractéristiques ou « Hallmark » des tumeurs (Gentric et al, Antioxydants and Redox Signaling, 2017, Gentric & Mechta-Grigoriou, Cancers 2021). En combinant des approches protéomiques, métabolomiques et fonctionnelles (Seahorse, ¹³C-fluxomique, siRNA, xénogreffes), nous avons identifié une signature métabolique qui distingue 2 sous-groupes de tumeurs, low-OXPHOS et high-OXPHOS. Les tumeurs low-OXPHOS sont dépendantes de la glycolyse aérobie ou « Effet Warburg » tandis que les tumeurs high-OXPHOS utilisent la phosphorylation oxydative (OXPHOS). Ces résultats soulignent, pour la première fois, l’hétérogénéité métabolique inter-tumoraledans les cancers de l’ovaire (Gentric et al, Cell Metabolism, 2019).

De manière intéressante, bien qu’aucune altération génomique spécifique n’ait été identifiée dans les tumeurs high-OXPHOS, ce statut semble être associé à une déficience des mécanismes de réparation de l’ADN, de type recombinaison homologue. Cette déficience en recombinaison homologue pouvant être associée à un stress oxydant chronique, nous avons démontré que les tumeurs « high-OXPHOS » sont caractérisées par un stress oxydant chronique qui promeut l’accumulation et l’agrégation d’un facteur PML (ProMyelocytic Leukemia) et induit l’activation du co-activateur de la biogenèse mitochondriale PGC1⍺ (Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1-alpha). L’axe PML-PCG1⍺ promeut l’expression des gènes des complexes de la chaine respiratoire conduisant à l’augmentation de la respiration mitochondriale dans ces cellules (Gentric et al, Cell Metabolism, 2019).

Nous avons évalué l’impact du métabolisme tumoral sur la réponse à la chimiothérapie conventionnelle utilisée en clinique. L’étude de modèles précliniques a démontré que la signature « high-OXPHOS » est associée à une chimiosensibilité accrue aux traitements conventionnels (sels de platine et taxanes), indépendamment de la BRCAness. Chez les patientes atteintes de HGSOC, la forte expression des protéines ETC dans les tumeurs est associée à une meilleure survie. En collaboration avec l’équipe du Dr. Raphael Rodriguez à l’Institut Curie, nous avons démontré que la chimiosensibilité des cellules tumorales s’explique, en partie, par un processus dit ferroptose, mort cellulaire programmée dépendante du fer. Ainsi, les tumeurs « high-OXPHOS » sont caractérisées par une sensibilité accrue aux chimiothérapies qui repose sur l’accumulation de ROS, l’altération des mitochondries et l’induction de la ferroptose (Gentric et al, Cell Metabolism, 2019).

Hétérogénéité OXPHOS dans les cancers de l’ovaire, médiée par un stress oxydant, qui favorise l’activation de l’axe PML- PGC-1 et induisant une chimiosensibilité (Gentric et al, Cell metabolism, 2019).

Perspectives de recherche :

Nos perspectives de recherche s’articulent autour de deux axes :

Nous souhaitons investiguer l’hétérogénéité métabolique intra-tumorale afin de faire le lien entre fonction moléculaire, propriété métabolique et localisation spatiale au sein de la tumeur. Nous souhaitons également déterminer les mécanismes à l’origine de la plasticité métabolique et les trajectoires des différents clones cellulaires. Enfin, nous caractériserons les interactions entre les différents clones cellulaires avec leur microenvironnement tumoral.

Définir l’hétérogénéité cellulaire et métabolique des tumeurs ovariennes et ainsi faire le lien entre fonctions moléculaires, propriétés métaboliques et localisation spatiale au sein de la tumeur. Nous souhaitons également déterminer les mécanismes à l’origine de la plasticité métabolique et les trajectoires des différents clones cellulaires. Enfin, nous caractériserons les interactions entre les différents clones cellulaires avec leur microenvironnement tumoral.

Déterminer les mécanismes moléculaires de résistance aux traitements (chimiothérapie conventionnelle, immunothérapies). En effet, bien que le statut high-OXPHOS soit associé à une meilleure réponse au traitement, la grande majorité des patientes atteintes de cancer de l’ovaire rechute après traitement, soulignant le besoin d’identifier les mécanismes de résistance au traitement. Nous souhaitons donc investiguer l’hétérogénéité métabolique intra-tumorale, notamment la plasticité métabolique induite après chimiothérapie.

3. L’étude de la voie de signalisation MAP3K8-MEK dans les HGSOC :

Dans la continuité de nos études relatives à la réponse au stress oxydant dans les cancers de l’ovaire, nous avons mis en évidence, par des études protéomiques l’accumulation de la protéine kinase MAP3K8, marqueur de mauvais pronostic, dans 50% des tumeurs HGSOC (Gruosso et al, Nature Communications, 2015). L’accumulation de MAP3K8 conduit à une activation constitutive de la voie de signalisation MEK/ERK en absence de mutation KRAS ou BRAF. Il existe donc une hétérogénéité inter-tumorale de la voie de signalisation MAP3K8/MEK chez les patientes atteintes de HGSOC. Nous avons montré que MAP3K8 exerce des fonctions pro-tumorigéniques médiées par MEK/ERK et que cette protéine kinase présente une valeur prédictive de l’efficacité des inhibiteurs de MEK. Ces travaux soulignent l’intérêt potentiel de l’utilisation des anti-MEK dans les cancers ovariens de haut-grade pour les patientes qui présentent une forte expression de MAP3K8, alors qu’ils sont pour l’instant testés uniquement dans les cancers ovariens de bas-grade mutés pour les oncogènes KRAS ou BRAF (Gruosso et al, Nature Communications, 2015 ; Brevet : EP14306434, 2015).

Perspectives de recherche :

La plupart des voies de signalisation oncogéniques incluant MEK/ERK conduisent à une reprogrammation traductionnelle du génome en activant eIF4F, complexe d’initiation de la traduction. Nous avons montré que l’activation constitutive de MEK/ERK, due à l’accumulation de MAP3K8 dans les HGSOC, contrôle la formation et l’activité du complexe eIF4F, induisant ainsi la traduction d’un ensemble d’ARNm spécifiques. Nous souhaitons désormais déterminer les causes et les conséquences de la reprogrammation traductionnelle induite par MAP3K8/MEK dans les HGSOC sur le développement tumoral et la réponse aux traitements.

4. Déchiffrer la résistance à la chimio-immunothérapie dans le cancer du poumon : rôle de la voie Hippo/YAP dans le micro-environnement tumoral

La cascade de signalisation Hippo/YAP (Figure) est hautement conservée au cours de l'évolution depuis drosophila melanogaster jusqu'à l'homme, car elle régule la taille des organes et l'homéostasie cellulaire au cours du développement normal, et particulièrement la différenciation épithéliale respiratoire et bronchique. Nous étudions l'implication de la voie Hippo/YAP et des signalisations qui y sont connectées (RAS/RHO, XPO1) dans la résistance à la chimiothérapie et l'immunothérapie chez les patients ayant un cancer broncho-pulmonaire ou un mesothéliome pleural.

Nous avions initialement rapporté que l'inactivation, par hyper-méthylation de son promoteur et perte d'hétérozygotie du chromosome 3p du gène suppresseur de tumeur RASSF1-A, qui code pour un régulateur négatif amont de la voie Hippo, prédisait de façon indépendante une survie plus courte des patients avec cancer bronchique non à petites cellules de stade précoce. Par la suite nous avons montré que l'inactivation de RASSF1-A par ARN interférent, conduisait à une accumulation nucléaire du co-activateur transcriptionnel YAP1 et son hyper-activation dans des cellules bronchiques normales immortalisées (HBEC-3). Cette activation de YAP passait par l'inactivation de la petite GTPase RHOB à la suite de la phosphorylation et inactivation de son facteur d'échange GDP/GTP, GEF-H1 (aka ARH-GEF 2), par la kinase SK38L (aka NDR2) une kinase de la famille des LATS kinases qui sont au cœur de la cascade Hippo (Dubois et al, 2016). Nous avons aussi rapporté la fréquence élevée de l'inactivation par méthylation de leur promoteur des gènes codant pour les kinases de la voie Hippo dans les mesothéliomes, qu'il s'agisse de MST1/Hippo elle-même, ou de LATS1/2. Plus récemment nous avons montré que YAP était transporté hors du noyau par le transporteur XPO-1, lui-même activé par phosphorylation par la kinase STK38, de la même façon que d'autres protéines tel l'acteur central de l'autophagie BECLIN (Martin et al, 2019). Plus récemment nous avons initié une collaboration avec la compagnie pharmaceutique INVENTIVA pour étudier l'effet d'inhibiteurs pharmacologiques de l'interaction de YAP avec son partenaire favori, le facteur de transcription TEAD. Nous explorons les mécanismes de résistance à la chimiothérapie à base de taxanes (paclitaxel) ou aux inhibiteurs de point de contrôle immunitaires (anti-PD-1) dans des lignées de cancer bronchiques avec hyper-activation de YAP/TEAD, ou sur des cellules primaires du microenvironnement tumorale, isolées à partir de tumeurs pulmonaires fraiches (pièces de résection chirurgicale), en utilisant un système microfluidique de co-cultures cellulaires 3D, ou ‘cancer du poumon sur puce' (collaboration avec les Services de chirurgie thoracique et anatomie pathologique de l'Hôpital Bichat, GHU AP-HP.Nord).

Voie HIPPO/YAP et modèle de sa régulation par RASSF1A/RHOB/GEF-H1

Publications associées de l’équipe :

Gentric G., Mechta-Grigoriou F. Tumor Cells and Cancer-Associated Fibroblasts: An Updated Metabolic Perspective. Cancers2021 Jan 22;13(3):399. doi: 10.3390/cancers13030399.

Gentric, G.; Kieffer, Y.; Mieulet, V.; Goundiam, O.; Bonneau, C.; Nemati, F.; Hurbain, I.; Raposo, G.; Popova, T.; Stern, M.-H.; Lallemand-Breitenbach, V.; Müller, S.; Cañeque, T.; Rodriguez, R.; Vincent-Salomon, A.; de Thé, H.; Rossignol, R.; Mechta-Grigoriou, F. PML-Regulated Mitochondrial Metabolism Enhances Chemosensitivity in Human Ovarian Cancers. Cell Metabolism2019, 29 (1), 156-173.e10. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2018.09.002.
Martin AP, Jacquemyn M, Lipecka J, Chhuon C, Aushev VN, Meunier B, Singh MK, Carpi N, Piel M, Codogno P, Hergovich A, Parrini MC, Zalcman G, Guerrera IC, Daelemans D, Camonis JH. TK38 kinase acts as XPO1 gatekeeper regulating the nuclear export of autophagy proteins and other cargoes. EMBO Rep. 2019 Nov 5;20(11):e48150.
Gentric, G.; Mieulet, V.; Mechta-Grigoriou, F. Heterogeneity in Cancer Metabolism: New Concepts in an Old Field. Antioxidants and Redox Signaling 2017, 26 (9), 462–485. https://doi.org/10.1089/ars.2016.6750.
Dubois F, Keller M, Calvayrac O, Soncin F, Hoa L, Hergovich A, Parrini MC, Mazieres J, Vaisse-Lesteven M, Camonis J, Levallet G, Zalcman G. RASSF1A suppresses the invasion and metastatic potential of human non-small cell lung cancer cells by inhibiting YAP activation through the GEF-H1/RhoB pathway. Cancer Res. 2016 Jan 12. pii: canres.1008.2015.
Batista, L.; Bourachot, B.; Mateescu, B.; Reyal, F.; Mechta-Grigoriou, F. Regulation of MiR-200c/141 Expression by Intergenic DNA-Looping and Transcriptional Read-Through. Nature Communications 2016, 7. https://doi.org/10.1038/ncomms9959.
Gruosso, T.; Garnier, C.; Abelanet, S.; Kieffer, Y.; Lemesre, V.; Bellanger, D.; Bieche, I.; Marangoni, E.; Sastre-Garau, X.; Mieulet, V.; Mechta-Grigoriou, F. MAP3K8/TPL-2/COT Is a Potential Predictive Marker for MEK Inhibitor Treatment in High-Grade Serous Ovarian Carcinomas. Nature Communications 2015, 6. https://doi.org/10.1038/ncomms9583.
Costa, A.; Scholer-Dahirel, A.; Mechta-Grigoriou, F. The Role of Reactive Oxygen Species and Metabolism on Cancer Cells and Their Microenvironment. . Seminars in Cancer Biology 2014, 25, 23–32. https://doi.org/10.1016/j.semcancer.2013.12.007.
Batista, L.; Gruosso, T.; Mechta-Grigoriou, F. Ovarian Cancer Emerging Subtypes: Role of Oxidative Stress and Fibrosis in Tumour Development and Response to Treatment International Journal of Biochemistry & Cell Biology 2013, 45 (6), 1092–1098.
Scholer-Dahirel, A.; Costa, A.; Mechta-Grigoriou, F. Control of Cancer-Associated Fibroblast Function by Oxidative Stress: A New Piece in the Puzzle. Cell Cycle 2013, 12 (14), 2169. https://doi.org/10.4161/cc.25547.
Mateescu, B.; Batista, L.; Cardon, M.; Gruosso, T.; de Feraudy, Y.; Mariani, O.; Nicolas, A.; Meyniel, J.-P.; Cottu, P.; Sastre-Garau, X.; Mechta-Grigoriou, F. MiR-141 and MiR-200a Act on Ovarian Tumorigenesis by Controlling Oxidative Stress Response. Nature Medicine 2011, 17 (12), 1627–1635. https://doi.org/10.1038/nm.2512.
Toullec, A.; Gerald, D.; Despouy, G.; Bourachot, B.; Cardon, M.; Lefort, S.; Richardson, M.; Rigaill, G.; Parrini, M.-C.; Lucchesi, C.; Bellanger, D.; Stern, M.-H.; Dubois, T.; Sastre-Garau, X.; Delattre, O.; Vincent-Salomon, A.; Mechta-Grigoriou, F. Oxidative Stress Promotes Myofibroblast Differentiation and Tumour Spreading. EMBO Molecular Medicine 2010, 2 (6), 211–230. https://doi.org/10.1002/emmm.201000073.