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La transition épithélio-mésenchymateuse (TEM) intervient à différentes étapes du développement embryonnaire (gastrulation, crêtes neurales, somitogenèse, …) et aussi chez l’adulte, par exemple pour la cicatrisation [1]. Cette transition phénotypique réduit l’adhérence entre cellules épithéliales et favorise la migration invasive (Figure 1A). La TEM est bien connue pour contribuer à l’agressivité des cancers d’origine épithéliale, ou carcinomes, notamment les cancers du sein, du poumon, de la prostate ou colorectaux, etc. [1, 2]. La TEM déclenche la dissociation des cellules de la tumeur primaire et facilite leur migration, l’intravasation, et leur dissémination vers des sites distants pour former des métastases. Une transition réciproque de l’état mésenchymateux vers des propriétés épithéliales, ou transition mésenchymo-épithéliale (TME), favorise ensuite la formation de macro-métastases (Figure 1B), largement responsables de la morbidité des cancers [1, 2].

Figure 1. Plasticité épithélium-mésenchyme et progression tumorale. A. Les transitions de l’état épithélial à l’état mésenchymateux (de gauche à droite), ou l’inverse (de droite à gauche), passent par une série d’états intermédiaires réversibles caractérisés par des phénotypes hybrides épithélio-mésenchymateux (E/M). Ces transitions résultent des différentes activités de facteurs de transcription : nail/Slug, Zeb1,2 et Twist qui déclenchent la TEM, et les facteurs OvoLs qui stabilisent l’état épithélial. B. La transition épithélio-mésenchymateuse favorise la dissociation, migration, l’invasion, l’intravasation et l’extravasation des cellules tumorales. Quand elles atteignent des organes distants, ces cellules cancéreuses engagent une transition mésenchymo-épithéliale, qui accroit leur potentiel prolifératif, pour former des tumeurs secondaires.

Figure 2. Processus de maturation post-traductionnelle de Shavenbaby. La liaison des micro-peptides Pri à l’ubiquitine ligase Ubr3 permet la fixation du complexe Ubc6/Ubr3 (enzyme de conjugaison E2 et ubiquitine ligase E3) sur la région N-terminale de SvbREP (cyan), conduisant à son ubiquitination, ainsi que la dégradation de la région répresseur (rouge) par le protéasome. Cette maturation produit une protéine tronquée, SvbACT, qui est un activateur de transcription. La région activatrice de la protéine Svb est représentée en vert, le domaine de liaison à l’ADN, en gris.

Plasticité phénotypique entre épithélium et mésenchyme

Des travaux récents montrent que les transitions entre phénotypes épithéliaux et mésenchyme (TEM et TME) n’agissent pas comme de simples « interrupteurs » entre deux types cellulaires alternatifs [2, 3]. Au contraire, ces transitions progressent par une série d’états intermédiaires, où les cellules présentent des propriétés mixtes entre propriétés épithéliale (E) et mésenchymateuse (M), appelés états hybrides E/M (Figure 1A). Remarquablement, l’existence de ces états hybrides permet une réversibilité des transitions entre caractères épithéliaux et mésenchymateux. On parle ainsi de plasticité épithélo-mésenchymateuse, un paramètre sans doute fondamental pour la progression tumorale et l’échappement aux thérapies [2, 3]. Élucider comment ces états intermédiaires se forment et se remodèlent en fonction du microenvironnement représente aujourd’hui un enjeu majeur en cancérologie.

Les facteurs OvoL dans la plasticité épithélio-mésenchymateuse et les cancers

Les nombreuses études réalisées depuis la découverte de la TEM ont permis l’identification des facteurs déclenchant le passage de l’état épithélial à l’état mésenchymateux [1]. Ces facteurs pro-TEM regroupent des facteurs de transcription (Snail, Slug, Zeb1, Zeb2, Twist, …) et leurs micro-ARN régulateurs (miR200, …). Ensemble, ces facteurs vont promouvoir l’état mésenchymateux et inhiber les propriétés épithéliales, par exemple en réprimant l’expression de la E-cadhérine, un composant essentiel des jonctions cellulaires [1, 2]. Plus récemment, des facteurs qui, au contraire, stabilisent l’état épithélial, viennent d’être identifiés ; en particulier, la famille des facteurs de transcription Ovo-Like (OvoL1/3) [1, 2] est conservée chez tous les animaux et ses membres vont contrebalancer l’activité des facteurs pro-TEM [4]. Les niveaux relatifs entre facteurs pro-TEM d’une part, et facteurs OvoLs d’autre part, pourraient ainsi réguler et/ou stabiliser les états hybrides E/M (Figure 1A). Le profilage systématique des tumeurs relie en effet l’expression des facteurs OvoL au potentiel métastatique des carcinomes [4]. D’une manière générale, la réduction de l’expression des facteurs OvoL dans les tumeurs primaires est de très mauvais pronostic. La réexpression artificielle d’une isoforme spécifique du facteur OvoL2 permet d’inhiber la formation de métastases dans des souris greffées avec des cellules de tumeurs mammaires dérivées de patients [5]. Cependant, des travaux de profilage de cellules uniques montrent que les tumeurs secondaires ré-expriment les gènes épithéliaux, ainsi que l’influence à la fois du microenvironnement et de l’infiltration des macrophages sur les transitions entre épithélium et mésenchyme [6]. Il est donc important de comprendre la fonction et le mode d’action des facteurs OvoL in vivo. Chez les vertébrés, l’existence de trois gènes paralogues (OvoL1-3) aux fonctions souvent redondantes, codant chacun différentes isoformes, complexifie malheureusement leur étude fonctionnelle.

La drosophile pour étudier la fonction des facteurs OvoL

Bien connue pour son apport à la compréhension des mécanismes de l’hérédité et du développement, la drosophile (Drosophila melanogaster) devient désormais un modèle fécond pour l’étude des altérations génétiques conduisant aux tumeurs [7]. Le génome de la drosophile code un seul gène OvoL, ovo/shavenbaby (svb), le membre fondateur de la famille. Ce gène code trois isoformes protéiques : OvoA et B, qui sont essentielles au développement de la lignée germinale, et la forme somatique Shavenbaby (Svb), qui gouverne la différenciation épithéliale des cellules épidermiques [8, 9].

L’expression de svb est régulée par une large région cis-régulatrice qui intègre de nombreuses voies de signalisation et facteurs de transcription [8]. Svb est traduit sous la forme d’un long répresseur de transcription (SvbREP). La protéine Svb est ensuite partiellement dégradée par le protéasome (Figure2), conduisant à la libération d’une forme courte qui agit comme activateur de transcription (SvbACT) [10, 11]. Cette maturation post-traductionnelle est induite par les peptides Polished-rice (Pri), fondateurs d’une nouvelle famille de micro-peptides régulateurs traduits à partir d’ARN apparemment non-codants [12]. Dans l’épiderme embryonnaire, SvbACT va induire l’expression d’une batterie de gènes cibles, codant des régulateurs du cytosquelette, des jonctions cellulaires, de la matrice extracellulaire, etc. [13], expliquant son rôle dans le remodelage épithélial.

Shavenbaby contrôle l’homéostasie des cellules souches adultes

Chez l’adulte, nous venons de découvrir l’expression spécifique de Svb dans les cellules souches digestives, regroupant cellules souches intestinales et rénales. Les cellules souches digestives de la drosophile ont permis d’identifier de nouveaux facteurs et mécanismes (influence de la nutrition, des infections bactériennes,..), dont l’importance a été par la suite démontrée chez l’homme [7].

Nos travaux montrent que Svb est essentiel à la maintenance des cellules souches adultes [14]. Nous nous sommes d’abord focalisés sur les cellules souches rénales qui sont quiescentes, ce qui permet une analyse quantitative de l’ensemble du compartiment souche (Figure 3A). Les cellules souches digestives sont caractérisées par un phénotype hybride E/M et expriment le cœur des facteurs pro-TEM, i.e., Escargot, Zfh1 (les équivalents respectifs de Snail, Zeb chez la drosophile) dont l’expression est régulée négativement par le micro-ARN miR8 (l’équivalent de miR200) [15]. La surexpression de miR8 suffit à provoquer la disparition des cellules souches qui se différencient massivement en cellules épithéliales [15], montrant l’importance des régulateurs pro-TEM pour le maintien des cellules souches. Si l’inactivation de Svb aboutit aussi à la disparition des cellules souches (Figure 3B), elle n’induit cependant pas leur différenciation précoce mais déclenche leur élimination par apoptose. On voit ainsi que les facteurs pro-TEM et le facteur épithélial Svb n’agissent pas par simple antagonisme, mais au contraire collaborent pour assurer l’homéostasie des cellules souches. Comme au cours du développement, le contrôle post-traductionnel de Svb, effectué par les peptides Pri, est déterminant pour les cellules souches adultes. Ainsi, le blocage de la maturation de Svb conduit à la disparition des cellules souches rénales, qui meurent par apoptose.

Figure 3. Svb protège les cellules souches rénales de l’apoptose. A. Les cellules souches adultes rénales présentent un phénotype hybride E/M. Elles assurent leur autorenouvèlement et la production d’un précurseur transitoire mésenchymateux, qui va migrer et se différencier en différentes cellules épithéliales principales (CP1,2,3). B. Images de microscopie montrant la disparition des cellules souches rénales (marquées par la GFP [green fluorescent protein], en vert) suite à l’inactivation de Shavenbaby par ARN interférent (ARNi). La restauration concomitante de l’expression de l’inhibiteur d’apoptose DIAP1 suffit à la survie des cellules souches. C. Mode d’action du complexe Svb/Yorkie (Yki) pour activer l’expression de DIAP1 et, ainsi, la maintenance des cellules souches. Hpo, Hippo ; Sav, Salvador ; Wts, Warts ; Mats, Mob as tumor suppressor.

Shavenbaby interagit avec la voie Hippo

Nos travaux démontrent que, dans les cellules couches adultes, Svb interagit fonctionnellement avec la voie de signalisation Hippo, un régulateur clé de la survie cellulaire. Le médiateur nucléaire de la voie Hippo est la protéine Yorkie (YAP/TAZ, chez les mammifères), qui doit se lier à des facteurs de transcription pour réguler l’expression génique [16]. L’analyse bio-informatique des profils de fixation à la chromatine (ChIP-eq) a permis de montrer que Svb et Yorkie partagent environ 30% de leurs sites de liaison génomique [14]. Remarquablement, l’ADN des gènes cibles de Svb responsables de la différenciation de l’épiderme [9, 13] n’est pas liés par Yorkie. Réciproquement, les séquences des gènes régulés par Yorkie pour contrôler la croissance cellulaire [16] ne sont pas fixées par Svb, suggérant que Svb/Yorkie interagissent spécifiquement pour la maintenance des cellules souches. En effet, nous montrons que les protéines Svb et Yorkie s’associent physiquement pour former un complexe nucléaire qui va directement notamment activer dans les cellules souches l’expression du gène DIAP-1 (Figure 3C), codant l’inhibiteur majeur de l’apoptose.

Ces résultats établissent l’importance in vivo des facteurs OvoL/Svb pour le maintien du caractère « souche », et montrent comment chaque isoforme influe positivement ou négativement sur les cellules souches tumorales. La voie Hippo est impliquée dans différents cancers, et YAP/TAZ interagit aussi avec les facteurs pro-EMT [16] soulignant les relations intimes entre les différents régulateurs de la plasticité épithélio- mésenchymateuse. Nos travaux chez la drosophile aident ainsi à mieux comprendre les mécanismes de survie des cellules souches cancéreuses et de leur résistance aux traitements. Ils ouvrent aussi de nouvelles pistes pour le diagnostic et les thérapies anticancéreuses ciblées. Si, aux premiers stades des cancers épithéliaux, l’inhibition de la TEM peut prévenir l’invasion (par exemple en stimulant l’expression des facteurs OvoL), il faut au contraire inhiber la ré-acquisition des propriétés épithéliales des tumeurs secondaires. Nos résultats montrant le rôle clé des facteurs OvoL dans l’organisation épithéliale et la survie cellulaire renforcent l’intérêt de leur ciblage thérapeutique.

Futures directions

Une caractéristique des facteurs OvoL est la production de multiples isoformes, présentant des activités différentes, voire antagonistes, y compris dans la progression tumorale [5]. Élucider la fonction des facteurs OvoL nécessitera donc de comprendre l’impact respectif de chaque isoforme sur la plasticité épithéliale, le contrôle des cellules souches, saines et cancéreuses. Grâce à l’accumulation des connaissances et l’utilisation d’outils génétiques bien maîtrisés chez cette espèce, la drosophile pourrait aider à percer les mécanismes respectifs des isoformes OvoL répresseur et activateur. Nous avons entrepris une combinaison d’approches de génomique fonctionnelle et de bio-informatique pour identifier le mode d’action moléculaire de chaque isoforme sur la régulation de l’expression du génome des cellules souches. Par ailleurs, nous analysons à l’échelle du génome entier les relations réciproques entre OvoL/Shavenbaby et les facteurs de remodelage de la chromatine, dont on découvre le rôle dans la plasticité épithélio-mésenchymateuse et les tumeurs [2]. Ces approches intégratives devraient fournir un nouvel éclairage sur les mécanismes reliant plasticité épithélio-mésenchymateuse et la dynamique des cellules souches cancéreuses, et permettre d’identifier les meilleurs régulateurs à cibler, en fonction des différents stades de cancers, pour une médecine personnalisée.

Liens d’intérêt

Les auteurs déclarent n’avoir aucun lien d’intérêt concernant les données publiées dans cet article.

Remerciements

Ces travaux sont soutenus par la Ligue contre le cancer (Allocation Doctorale), la Fondation pour la Recherche Médicale (DEQ20170336739) et l’Agence Nationale de la Recherche (ChronoNet).

Références

Liste des figures

Figure 1. Plasticité épithélium-mésenchyme et progression tumorale. A. Les transitions de l’état épithélial à l’état mésenchymateux (de gauche à droite), ou l’inverse (de droite à gauche), passent par une série d’états intermédiaires réversibles caractérisés par des phénotypes hybrides épithélio-mésenchymateux (E/M). Ces transitions résultent des différentes activités de facteurs de transcription : nail/Slug, Zeb1,2 et Twist qui déclenchent la TEM, et les facteurs OvoLs qui stabilisent l’état épithélial. B. La transition épithélio-mésenchymateuse favorise la dissociation, migration, l’invasion, l’intravasation et l’extravasation des cellules tumorales. Quand elles atteignent des organes distants, ces cellules cancéreuses engagent une transition mésenchymo-épithéliale, qui accroit leur potentiel prolifératif, pour former des tumeurs secondaires.

Dans le texte

Figure 2. Processus de maturation post-traductionnelle de Shavenbaby. La liaison des micro-peptides Pri à l’ubiquitine ligase Ubr3 permet la fixation du complexe Ubc6/Ubr3 (enzyme de conjugaison E2 et ubiquitine ligase E3) sur la région N-terminale de SvbREP (cyan), conduisant à son ubiquitination, ainsi que la dégradation de la région répresseur (rouge) par le protéasome. Cette maturation produit une protéine tronquée, SvbACT, qui est un activateur de transcription. La région activatrice de la protéine Svb est représentée en vert, le domaine de liaison à l’ADN, en gris.

Dans le texte

Figure 3. Svb protège les cellules souches rénales de l’apoptose. A. Les cellules souches adultes rénales présentent un phénotype hybride E/M. Elles assurent leur autorenouvèlement et la production d’un précurseur transitoire mésenchymateux, qui va migrer et se différencier en différentes cellules épithéliales principales (CP1,2,3). B. Images de microscopie montrant la disparition des cellules souches rénales (marquées par la GFP [green fluorescent protein], en vert) suite à l’inactivation de Shavenbaby par ARN interférent (ARNi). La restauration concomitante de l’expression de l’inhibiteur d’apoptose DIAP1 suffit à la survie des cellules souches. C. Mode d’action du complexe Svb/Yorkie (Yki) pour activer l’expression de DIAP1 et, ainsi, la maintenance des cellules souches. Hpo, Hippo ; Sav, Salvador ; Wts, Warts ; Mats, Mob as tumor suppressor.

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