Rôle de la. au cours de. la progression tumorale

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1 TEM TME Rôle de la transition épithélio-mésenchymateuse au cours de la progression tumorale Académie Nationale de Médecine 1 er décembre 2009 A. Puisieux INSERM U590 Centre Léon Bérard Progression tumorale: avantages sélectifs et expansions clonales Tissu normal Hyperplasie Dysplasie s génétiques ou s s génétiques ou s Tumeur métastatique Tumeur invasive Carcinome in situ

2 Progression tumorale: avantages sélectifs et expansions clonales Activité mitogénique aberrante Tissu normal Hyperplasie Dysplasie s génétiques ou s s génétiques ou s Tumeur métastatique Tumeur invasive Carcinome in situ Progression tumorale: avantages sélectifs et expansions clonales Activité mitogénique aberrante Tissu normal Hyperplasie Dysplasie s génétiques ou s s génétiques ou s Echappement aux mécanismes de sauvegarde Tumeur métastatique Tumeur invasive Carcinome in situ

3 Sénescence et apoptose: des systèmes de sauvegarde Activité mitogénique aberrante Myc Cellules normales ErbB2, Ras, Raf Systèmes de sauvegarde p53 Rb ARF MDM2 p53 Rép. Altérations ADN ATM p21 WAF1 p16 Ink4A Cycline D - Cdk4/6 Cycline E - Cdk2 Rb Cellules sénescentes Cellules apoptotiques Apoptose Sénescence Tumeurs pré-malignes (Bartkova et al., Nature 2005; Chen et al., Nature 2005 ; Collado et al., Nature 2005; Michaloglou et al., Nature 2005; Gorgoulis et al., Nature 2005; Di Micco et al., Nature 2006; Bartkova et al., Nature 2006; Xue et al., Nature 2007) Sénescence et apoptose: des systèmes de sauvegarde Activité mitogénique aberrante Systèmes de sauvegarde p53 Rb Tumeur maligne Inhibition des systèmes de sauvegarde Tumeurs pré-malignes (Bartkova et al., Nature 2005; Chen et al., Nature 2005 ; Collado et al., Nature 2005; Michaloglou et al., Nature 2005; Gorgoulis et al., Nature 2005; Di Micco et al., Nature 2006; Bartkova et al., Nature 2006; Xue et al., Nature 2007)

4 Progression tumorale: avantages sélectifs et expansions clonales Activité mitogénique aberrante Tissu normal Hyperplasie Dysplasie Acquisition de capacités de motilité et d invasion Echappement aux mécanismes de sauvegarde Tumeur métastatique Tumeur invasive Carcinome in situ Progression tumorale: une histoire de mutations d oncogènes, de gènes suppresseurs de tumeur et de gènes de métastase? Les étapes d invasion et de dissémination métastatique sont déterminées par l acquisition, par un nombre limité de cellules cancéreuses, d anomalies spécifiques au cours des phases avancées de la progression tumorale.

5 Progression tumorale: une histoire de mutations d oncogènes, de gènes suppresseurs de tumeur et de gènes de métastase? Les étapes d invasion et de dissémination métastatique sont déterminées par l acquisition, par un nombre limité de cellules cancéreuses, d anomalies spécifiques au cours des phases avancées de la progression tumorale. POURTANT: - Séquençage et études d expression génique: pas de différences significatives entre Tumeur primaire vs Métastase (Jones et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 2008) - Prédiction possible du risque métastatique par étude du transcriptome de la tumeur primaire (van de Vijver er al., N. Engl. J. Med, 2002; Fan et al., N. Engl. J. Med, 2006). La majorité des cellules cancéreuses exprime des gènes qui favorisent la dissémination métastatique. La susceptibilité d une tumeur à métastaser est déterminée de façon précoce Progression tumorale: une histoire de mutations d oncogènes, de gènes suppresseurs de tumeur et de gènes de métastase? Les propriétés nécessaires à la dissémination métastatique sont acquises précocement au travers d événements qui favorisent la croissance de la tumeur primaire Le programme de différenciation des cellules d origine pré-détermine les capacités métastatiques de la tumeur SV40 T,t + htert + Ras Cellule épithéliale mammaire A Cellule transformée non métastatique Cellule épithéliale mammaire B Cellule transformée potentiel métastatique modéré Mélanocyte Cellule transformée potentiel métastatique fort ( Ince et al., Cancer Cell, 2007; Gupta et al.; Nat. Genet. 2005).

6 Dissémination métastatique: une étonnante aventure cellulaire Tumeur primaire Invasion Intravasation Circulation Métastase Infiltration et colonisation Extravasation (D après Méjean et Lebret, Progrès en Urologie, 2008) Dissémination métastatique: une étonnante aventure cellulaire Tumeur primaire Invasion Intravasation Circulation Métastase Infiltration et colonisation Extravasation (Condeelis and Segall, Nature Reviews Cancer, 2003)

7 Dissémination métastatique: une étonnante aventure cellulaire Tumeur primaire Invasion Intravasation Circulation Métastase Infiltration et colonisation Extravasation (Condeelis and Segall, Nature Reviews Cancer, 2003) Dissémination métastatique: une étonnante aventure cellulaire Tumeur primaire Invasion Intravasation Circulation Métastase Infiltration et colonisation Extravasation (Condeelis and Segall, Nature Reviews Cancer, 2003)

8 Dissémination métastatique: une étonnante aventure cellulaire Tumeur primaire Intravasation Perte des jonctions inter-cellulaires Inhibition de l anoikis et de l amorphosis Secrétion de métalloprotéases Migration chimiotactique sous effet de facteurs secrétés par macrophages associés à la tumeur Interaction avec cellules endothéliales Plasticité cellulaire Résistance mécanique et survie dans la circulation Echappement au SI Circulation Survie et adaptation Prolifération Angiogenèse Interaction avec cellules endothéliales Plasticité cellulaire Métastase Infiltration et colonisation Extravasation (D après Méjean et Lebret, Progrès en Urologie, 2008) Dissémination métastatique: une étonnante aventure cellulaire Tumeur primaire Intravasation Perte des jonctions inter-cellulaires Inhibition de l anoikis et de l amorphosis Secrétion de métalloprotéases Migration chimiotactique sous effet de facteurs secrétés par macrophages associés à la tumeur Interaction avec cellules endothéliales Plasticité cellulaire? Résistance mécanique et survie dans la circulation Echappement au SI Circulation Survie et adaptation Prolifération Angiogenèse Interaction avec cellules endothéliales Plasticité cellulaire Métastase Infiltration et colonisation Extravasation (D après Méjean et Lebret, Progrès en Urologie, 2008)

9 Dissémination métastatique: une étonnante aventure cellulaire Tumeur primaire Intravasation Perte des jonctions inter-cellulaires Inhibition de l anoikis et de l amorphosis Secrétion de métalloprotéases Migration chimiotactique sous effet de facteurs secrétés par macrophages associés à la tumeur Interaction avec cellules endothéliales Plasticité cellulaire TEM Résistance mécanique et survie dans la circulation Echappement au SI Circulation Survie et adaptation Prolifération Angiogenèse Interaction avec cellules endothéliales Plasticité cellulaire Métastase Infiltration et colonisation TME Extravasation (D après Méjean et Lebret, Progrès en Urologie, 2008) TEM: un rôle dans la dissémination métastatique? Cellules fusiformes épithéliales dans une tumeur mammaire Cellules stromales dans une tumeur mammaire

10 ARGUMENT INDIRECT 1 TEM: un rôle dans la dissémination métastatique? - Les voies activées au cours des TEM embryonnaires sont fréquemment réactivées au cours de la progression tumorale: voies Wnt, Notch, Hedgehog, TGF-β, EGF, FGF, HGF, PDGF - Induction d une TEM en réponse à une hypoxie tissulaire (Polyak et Weinberg, Nature Reviews Cancer, 2009) (Thiery et al., Cell, 2009) ARGUMENT INDIRECT 2 TEM: un rôle dans la dissémination métastatique? Les facteurs de transcription impliqués dans le processus de TEM au cours de l embryogenèse sont fréquemment ré-exprimés dans les cellules cancéreuses: Twist1, Snail/Snai1, Slug/Snai2, Zeb1, Zeb2/Sip1, FoxC2, Goosecoid Expression associée à l agressivité tumorale (Polyak et Weinberg, Nature Reviews Cancer, 2009) (Peinado et al., Nature Reviews Cancer, 2007)

11 TEM: un rôle dans la dissémination métastatique? ARGUMENT INDIRECT : Théodor Boveri identifie la perte d adhésion inter-cellulaire comme un processus essentiel au cours de la cancérogenèse - La perte de la E-cadhérine et le gain de cadhérines mésenchymateuses constituent des étapes clefs de la TEM et sont des éléments récurrents et de mauvais pronostic au cours de la progression tumorale E-cadhérine β-caténine DAPI (noyaux) (Cavallaro et Christofori, Nature Reviews Cancer, 2009) Modèle de progression de tumeur pancréatique (souris Tg Rip1Tag2) TEM: un rôle dans la dissémination métastatique? ARGUMENT DIRECT 1 Tumeur colorectale Région centrale Front invasif Front invasif CK18 (Immunohistochimies) Zeb1 Laminine Cytokératine 18 (Immunofluorescence) (Spaderna et al., Gastroenterology 2006)

12 ARGUMENT DIRECT 2 Souris Tg: WAP-cre;WAP-myc;Rosa26loxP TEM: un rôle dans la dissémination métastatique? Expression de Myc et de LacZ dans les cellules épithéliales mammaires Carcinomes mammaires avec possibilité de marquage histochimique (X-gal) des cellules d origine épithéliale (Trimboli et al., Cancer Res, 2008) ARGUMENT DIRECT 3 TEM: un rôle dans la dissémination métastatique? (Yang et al., Cell, 2004)

13 TEM: un rôle dans la dissémination métastatique? (Yang et al., Cell, 2004) Twist1 et Cancers - Cancers du sein (Yang et al., Cell 2004; Watanabe et al., Anticancer Res 2004; Mironchik et al., Cancer Res 2005) - Hépatocarcinomes (Lee et al., Clin Cancer Res 2006) - Cancers gastriques (Yan-Qi et al., Pathology 2007) - Cancers du pancréas (Ohuchida et al., Int J Cancer 2007) - Cancers du nasopharynx (Zhang et al., Int J Cancer 2007) - Cancers de la prostate (Kwok et al., Cancer Res 2005) - Cancers de l endomètre (Kyo et al., Human Pathol 2006) - Cancers du col de l utérus (Shibata et al., Ann Oncol 2007) - Cancers de la vessie (Zhang et al., Human Pathol 2007) - Neuroblastomes (Valsesia-Wittmann et al., Cancer Cell 2004) N-Myc Proliferation - Mélanomes (Hoek et al., Cancer Res 2004) - Ostéosarcomes (Entz-Werle et al., Int J Cancer 2005) ARF MDM2 p53 Apoptosis Nbl (+metastasis) - Gliomes (Elias et al., Neoplasia 2005) - Syndrome de Sezary (van Doorn et al., Cancer Res 2004) Twist1 Survival (Valsesia-Wittmann et al., Cancer Cell 2004)

14 Inhibition des systèmes de sauvegarde par Twist1 Neuroblastomes Cellules normales Twist1 ARF ATM HDM2 p53 Myc Réponse aux dommages à l ADN p21 WAF1 Ras, Raf, ErbB2 p16 Ink4A Cycline D - Cdk4/6 Cycline E - Cdk2 Rb (Valsesia-Wittmann et al., Cancer Cell 2004) Apoptose Sénescence Inhibition des systèmes de sauvegarde par Twist1 Neuroblastomes Cellules normales Cancers du sein, Mélanomes Myc Ras, Raf, ErbB2 Twist1 ARF ATM p16 Ink4A Twist1 HDM2 p21 WAF1 Réponse aux dommages à l ADN Cycline D - Cdk4/6 Cycline E - Cdk2 p53 Rb (Valsesia-Wittmann et al., Cancer Cell 2004) (Ansieau et al., Cancer Cell 2008) Apoptose Sénescence

15 Inhibition des systèmes de sauvegarde par Twist1 Cal51 MDAMB157 MDAMB453 MDAMB459 RPMI7932 SKMEL24 shrna control shrna Twist1 T47D RPMI7951 shrna control shrna Twist1 (% de cellules avec activité SA-b-Galactosidase) Inhibition des systèmes de sauvegarde par Twist1 HMECs: Cellules humaines épithéliales mammaires (H-RasV12) (crystal violet 4 semaines après infection; après culture cellulaire and trypsination) (% de cellules avec activité SA-β-Galactosidase) (Ansieau et al., Cancer Cell, 2008)

16 L échappement à la sénescence par Twist1 est associé à une TEM HMECs + htert Contrôle Twist1 Twist2 ErbB2+Twist1 Figures de TEM 0% 3% 1% 92% Control Twist1 ErbB2 + Twist1 Contrôle ErbB2+Twist1 E-Cadhérine Vimentine E-Cadhérine β-actine (Ansieau et al., Cancer Cell, 2008) Vimentine L échappement à la sénescence par Twist1 est associé à une TEM HMECs + htert Contrôle Twist1 Twist2 ErbB2+Twist1 Figures de TEM 0% 3% 1% 92% Invasion en Matrigel - +

17 Twist1, TEM et acquisition de propriétés de cellules souches HMECs + htert Contrôle Twist1 Twist2 ErbB2+Twist1 Figures de TEM 0% 3% 1% 92% Invasion en Matrigel - + Phénotype antigénique Formation de mammosphères CD44 low /CD24 + CD44 high /CD (Sphères secondaires après dissociation: capacités d auto-renouvellement) (Morel et al., PLoS One, 2008 and unpublished data; Mani et al., Cell, 2008) Propriétés oncogéniques de Twist1 dans les tumeurs primaires Tissu normal Signalisation mitogénique aberrante p53 Rb Lésion pré-maligne Twist1 (autres TEM-FTs?) p53 Rb Tumeur maligne (July 2008)

18 Propriétés oncogéniques de Twist1 dans les tumeurs primaires Tissu normal Signalisation mitogénique aberrante p53 Rb Lésion pré-maligne Twist1 (autres TEM-FTs?) p53 Rb TEM (July 2008) Capacités de motilité Propriétés d auto-renouvellement Chimiorésistance Signaux du micro-environnement Tumeur maligne Unité INSERM 590, Centre Léon Bérard, Lyon Stéphane Ansieau Anne-Pierre Morel Jérémy Bastid George Hinkal Stéphanie Courtois-Cox Clémence Thomas Agnès Doreau Benjamin Bouchet Frédérique Fauvet Thibault Voeltzel Isabelle Puisieux Sandrine Valsesia-Wittmann Valérie Combaret Claude Caron de Fromentel Collaborations Roberta Maestro, Aviano, Italy Jean Benard, Setha Douc-Rasy, IGR, UMR CNRS 8126 Claudio Doglioni, Belluno, Italy Patrick Mehlen, CLB, UMR CNRS 5238