Plasticité cellulaire. et progression tumorale

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1 Plasticité cellulaire et progression tumorale TEM TME Académie Nationale de Médecine 2 Février 2011 A. Puisieux Centre de Recherche en Cancérologie de Lyon

2 Cancérogenèse: un processus multi-étapes Epithélium normal Tumeur métastatique

3 Cancérogenèse: un processus multi-étapes Epithélium normal Hyperplasie Tumeur métastatique

4 Cancérogenèse: un processus multi-étapes Epithélium normal Hyperplasie Dysplasie Tumeur métastatique

5 Cancérogenèse: un processus multi-étapes Epithélium normal Hyperplasie Dysplasie Tumeur métastatique Carcinome in situ

6 Cancérogenèse: un processus multi-étapes Epithélium normal Hyperplasie Dysplasie Tumeur métastatique Tumeur invasive Carcinome in situ

7 Cancérogenèse: un processus multi-étapes Epithélium normal Hyperplasie Dysplasie s génétiques ou s Tumeur métastatique Tumeur invasive Carcinome in situ

8 Cancérogenèse: un processus multi-étapes APC/b-caténine K-Ras/B-Raf PIK3C1/PTEN Epithélium normal p53/rb? Smad4/TGF-bRII Bax Tumeur métastatique Tumeur invasive Cancer colo-rectal

9 Cancérogenèse: un processus multi-étapes Cellules normales + htert + H-Ras - p53 Indépendance vis-à-vis des facteurs de croissance - Rb Echappement à l apoptose Insensibilité aux signaux antiprolifératifs - PP2A Cellules transformées Activation de l angiogenèse Potentiel réplicatif illimité Migration, Invasion et Métastase Génération de colonies en milieu semi-solide

10 Cancérogenèse: les principales étapes Activité mitogénique aberrante Tissu normal Hyperplasie Dysplasie Tumeur métastatique Tumeur invasive Carcinome in situ

11 Activation des voies de signalisation mitogénique RTK: Récepteurs Tyrosine Kinase: ErbB2, EGF-R, c-kit

12 Cancérogenèse: les principales étapes Activité mitogénique aberrante Tissu normal Hyperplasie Dysplasie Inhibition de mécanismes de sauvegarde Tumeur métastatique Tumeur invasive Carcinome in situ

13 Sénescence et apoptose: des systèmes de sauvegarde Activité mitogénique aberrante Myc Cellules normales ErbB2, Ras, Raf Systèmes de sauvegarde p53 Rb ARF ATM p16 Ink4A Cellules sénescentes MDM2 Rép. Altérations ADN p21 WAF1 Cycline D - Cdk4/6 Cycline E - Cdk2 Cellules apoptotiques p53 Rb Lésions bénignes Apoptose Sénescence

14 Activation de la sénescence et de l apoptose dans les lésions bénignes Lésions broncho-pulmonaires Lésions cutanées Naevus Adénome (m B-Raf) Ki67 Prolifération Mélanome Ki-67 Carcinome p53 Effecteur de l apoptose Effecteur de la sénescence p16 Ink4a TUNEL Apoptose Sénescence SA-b-Gal (Gorgoulis et al., Nature 2005) (Michaloglou et al., Nature, 2005)

15 Sénescence et apoptose: des systèmes de sauvegarde Activité mitogénique aberrante Systèmes de sauvegarde p53 Rb Inhibition des systèmes de sauvegarde Tumeur maligne Tumeurs bénigne

16 Sénescence et apoptose: des systèmes de sauvegarde Activité mitogénique aberrante - Fréquence des mutations du gène p53 dans les cancers humains p53 Rb - In vitro, coopération entre l activation de Ras ou Myc avec l inhibition de p53 Inhibition des systèmes de sauvegarde Tumeur maligne Tumeurs bénigne

17 Cancérogenèse: les principales étapes Activité mitogénique aberrante Tissu normal Hyperplasie Dysplasie Acquisition de capacités de motilité et d invasion Inhibition de mécanismes de sauvegarde?? Tumeur métastatique Tumeur invasive Carcinome in situ

18 Cancérogenèse: une histoire d oncogènes, de gènes suppresseurs de tumeur et de gènes de métastase? Les propriétés permettant l invasion et la dissémination métastatique sont acquises au cours des phases avancées de la progression tumorale, par un nombre limité de cellules cancéreuses.

19 Cancérogenèse: une histoire d oncogènes, de gènes suppresseurs de tumeur et de gènes de métastase? Les propriétés permettant l invasion et la dissémination métastatique sont acquises au cours des phases avancées de la progression tumorale, par un nombre limité de cellules cancéreuses. POURTANT: - Séquençage et études d expression: 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). Au sein d une tumeur capable de métastaser, la majorité des cellules cancéreuses exprime des facteurs qui favorisent la dissémination. La capacité d une tumeur à métastaser serait déterminée de façon précoce

20 Identification de facteurs susceptibles de favoriser la dissémination métastatique n Twist1 Neuroblastomes % Sein 84 50% Mélanomes 20 80% Carcinome canalaire in situ Twist1 Ac Nevus Twist1 Ac Tumeurs (n=330) Colon Poumon % 14% Rein 13 53% ESCC 15 47% CLL 10 0% (RT-PCR quantitative; Tumeur/Normal >2) Carcinome canalaire invasif Twist1 Ac Mélanome Twist1 Ac

21 Twist1, un régulateur clef de l embryogenèse. Twist 1: Facteur de transcription de type bhlh Très conservé au cours de l évolution. KO de Twist est létal chez la drosophile et la souris Domaine bhlh Drosophila embryos Twist -/- Twist +/+ Formation du mésoderme Migration des cellules de la crête neurale «Twisted» embryos TEM Transition épithélio-mésenchymateuse

22 Transition épithélio-mésenchymateuse : TEM Signaux du micro-environnement TGF-b EGF, PDGF, IGF, hgf TNFa TGFb-R RTKs Par6 Smads Ras PI3K Src NFkB Vimentine Pôle apical Pôle basal ypolarité apico-basale Intégrines Intégrines E-Cadherine Cytokératine Membrane basale Snai1/2; Twist1; Zeb1/2 TEM TME MMPs N-Cadhérine Matrice extra-cellulaire Cellules épitheliales - Perte de la polarité cellulaire - Pertes des jonctions serrées et adhérentes - Remodelage du cytosquelette - Gain de marqueurs mésenchymateux - Promotion de la motilité cellulaire TEM TME Cellules mésenchymateuses

23 Rôle de la transition épithélio-mésenchymateuse au cours de l embryogenèse TEM essentielle au cours de l embryogenèse pour: - la formation du mésoderme au cours de la gastrulation - la migration des cellules de la crête neurale - la différenciation de multiples tissus et organes. A l exception des dérivés de l ectoderme (SNC et épiderme), tous les tissus sont des produits de cycles de TEM - TME. Réactivation aberrante de la TEM dans maladies fibrotiques et cancers

24 L inhibition de Twist1 provoque l apoptose ou la sénescence des cellules cancéreuses Lignées cancéreuses humaines (n=91) Twist1 mrna WAC (neuroblastome) wtp53; N-Myc ampl. T47D (cancer du sein) mp53; ErbB2 4 copies RPMI 7951 (mélanome) mp53; mb-raf n Twist1 Neuroblastomes 27 65% Contrôles Contrôles Sein Mélanomes % 100% Poumon Rein HCC 10 50% 8 Inactivation 0% de Twist1 10 (sharn) 40% Inactivation de Twist1 (shrna) Test de SA-bgalactosidase Apoptose Sénescence Sénescence (Valsesia-Wittmann et al., Cancer Cell 2004) (Ansieau et al., Cancer Cell 2008)

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

26 Rôle oncogénique de Twist1 dans les cancers du sein Carcinome canalaire invasif Surexpression de Twist1 50% des cas (n=84) HMECs: Cellules humaines épithéliales mammaires normales Contrôle Twist1 ErbB2 ErbB2 + Twist1 72h Prolifération X Prolifération X Sénescence Arrêt définitif Prolifération XXX de prolifération (Ansieau et al., Cancer Cell, 2008)

27 L échappement à la sénescence par Twist1 est associé à une TEM HMECs + htert Contrôle Twist1 ErbB2 + Twist1 7 jours E-Cadhérine Phalloïdine Hoechst Vimentine Phalloïdine Hoechst (Ansieau et al., Cancer Cell, 2008)

28 La TEM facilite la transformation cellulaire HMECs + htert Contrôle Twist1 ErbB2 + Twist1 Transformation Croissance en milieu semi-solide htert + H-RasV12 (ou Erbb2) Inhibition Inhibition + de Rb + de p53 + Activation de PP2a Evénements nécessaires à la transformation maligne Immortalisation htert + Activation mitogénique H-RasV12 (ou Erbb2) + Twist1 Inhibition des systèmes de sauvegarde Immortalisation Activation mitogénique

29 La TEM permet le gain de propriétés d auto-renouvellement et d invasion HMECs + htert Contrôle Twist1 ErbB2 + Twist1 Auto-renouvellement Formation de mammosphères Invasion Culture en Matrigel (Ansieau et al., Cancer Cell, 2008; Morel et al., Plos One, 2008)

30 Twist1 favorise la dissémination métastatique dans les tumeurs mammaires Lignées cancéreuses mammaires murines Les cellules cancéreuses capables de métastaser surexpriment Twist1 L inactivation de Twist1 prévient la formation de métastases pulmonaires (Yang et al., Cell, 2004)

31 Twist1: un oncogène et un gène de métastase Epithélium normal Hyperplasie Dysplasie Twist1 Tumeur métastatique Tumeur invasive Carcinome in situ

32 Twist1: un oncogène et un gène de métastase Twist1?

33 Coopération oncogénique in vivo entre K-Ras G12D et Twist1 WAP-Cre X Ki-LSL-KRas G12D Souris transgéniques conditionnelles K-Ras G12D WAP-Cre X Rosa-LSL-hTwist1 Souris transgéniques conditionnelles Twist1 Développement normal de la glande mammaire Pas de développement de cancers (à l â ge de 8 mois) (Morel et al., soumis à publication)

34 Survie sans tumeur Coopération oncogénique in vivo entre K-Ras G12D et Twist1 X WAP-Cre X Ki-LSL-KRas G12D Souris transgéniques conditionnelles K-Ras G12D WAP-Cre X Rosa-LSL-hTwist1 Souris transgéniques conditionnelles Twist1 Souris transgéniques WAP-Cre;Kras;Twist1 K-Ras G12D Twist1 + K-Ras G12D Twist1 + K-Ras G12D Temps (jours) wt Twist1 K-Ras G12D Twist1 + K-Ras G12D Carcinomes métaplasiques

35 Rôles oncogéniques de Twist1 au cours de la progression tumorale Tissu normal Signalisation mitogénique aberrante p53 Lésion bénigne Rb Twist1 p53 Rb Carcinome canalaire in situ Tumeur maligne

36 Rôles oncogéniques de Twist1 au cours de la progression tumorale Tissu normal Signalisation mitogénique aberrante p53 Lésion bénigne Rb Twist1 p53 Rb Carcinome canalaire invasif EMT Motilité cellulaire Auto-renouvellement Signaux du menvironnement Tumeur maligne (Ansieau et al., Cell Cycle, 2009; Ansieau and Puisieux, Oncogene, 2010)