Hème, Ubiquitine et Cancer du Poumon

Découvrez comment la voie du stress hème-oxydatif contrôle la dégradation des protéines via le système Ubiquitine-Protéasome

La dégradation des protéines régulée par le système ubiquitine-protéasome (UPS) est un mécanisme irréversible utilisé par de nombreux processus biologiques qui sont modulés par l'élimination sélective des protéines, faisant ainsi de l'UPS l'ultime interrupteur marche-arrêt d'une cellule. Le processus d'ubiquitylation est contrôlé par une cascade enzymatique dans laquelle les molécules d'ubiquitine sont activées par une enzyme E1, transférées à une enzyme E2 conjuguant l'ubiquitine et enfin transférées à une protéine-substrat reconnue par une ubiquitine ligase E3. Chez l'homme, il n'existe que deux enzymes E1, environ 30 enzymes E2 et environ 600 enzymes E3. Cette caractéristique évolutive remarquable de la cascade UPS permet aux cellules de diriger le processus d'ubiquitylation avec une sélectivité et une spécificité extrêmes. On estime que plus de 80 % des protéines subissent une dégradation médiée par l'UPS. Par conséquent, la sélection de substrats spécifiques par les ubiquitine ligases E3 en réponse à des stimuli spécifiques joue un rôle central dans la vie des cellules.

Les recherches de notre laboratoire et d'autres laboratoires ont révélé que la liaison de l'hème de signalisation à plusieurs protéines, telles que BACH1 ou p53, favorise leur dégradation dépendante de l'UPS, révélant ainsi des rôles sans précédent de l'hème de signalisation dans la régulation du renouvellement des protéines via l'UPS. Il est intéressant de noter qu'en dépit de l'impact potentiel étendu de la voie hème-UPS sur les mécanismes contrôlant l'homéostasie cellulaire, la dégradation des protéines dépendante de l'hème représente une question scientifique fondamentale et complexe qui reste peu étudiée. Pour répondre à cette question, notre laboratoire utilise un large éventail de systèmes expérimentaux pour :

1. Définir le dégradome de l'hème (i.e., le protéome régulé par l'hème).

Nous cherchons à identifier de nouveaux substrats de l'hème-UPS et à caractériser leurs voies en aval. Nous étudions également les mécanismes moléculaires régulant le dégradome de l'hème, tels que les ubiquitine ligases E3 et les enzymes de désubiquitylation, qui peuvent fonctionner comme des capteurs d'hème en couplant la régulation de la dégradation des protéines avec les variations du signal de l'hème.

2. Déterminer les mécanismes qui sous-tendent la destruction des protéines régulée par l'hème.

Nos études démontrent un nouveau rôle régulateur de l'hème dans la promotion de l'interaction entre une ubiquitine ligase (i.e., FBXO22) et ses substrats (i.e., BACH1), suggérant que l'hème pourrait avoir évolué pour permettre la régulation de la stabilité des protéines en modulant la dynamique de l'interaction " substrat-ubiquitine ligase ". Dans ce contexte, notre équipe est prête à aborder la question fondamentale suivante : comment l'hème contrôle-t-il la dégradation des protéines ? Pour répondre à cette question, nous étudions comment les machineries UPS exploitent l'hème pour contrôler la dégradation des protéines.

Comprendre comment la voie du stress hémato-oxydant régule l'expression des gènes en modulant l'activité de capteurs transcriptionnels intracellulaires

Des études pionnières récentes ont révélé comment la signalisation hémique régule un certain nombre de voies, allant de la respiration mitochondriale au métabolisme et aux rythmes circadiens, en se liant de manière réversible à des protéines dites "hème-capteurs" et en modulant leur activité. Les hèmes-capteurs participent à divers processus biologiques, notamment la traduction et la transcription des protéines. En particulier, il a été démontré que la liaison de l'hème aux régulateurs de la transcription active ou désactive leur activité et module la transcription de diverses enzymes et protéines essentielles à la physiologie cellulaire.
Bien que ces études révolutionnaires aient fourni des données essentielles sur la manière dont l'hème influence l'expression des gènes via la régulation des capteurs transcriptionnels, la compréhension des événements et des mécanismes moléculaires permettant à l'hème de moduler le transcriptome cellulaire est à ce jour limitée. Pour élargir notre compréhension de ce processus biologique, notre équipe se concentre sur :

1. Les mécanismes de régulation du facteur de transcription de l'hème-senseur BACH1.

Ce régulateur transcriptionnel est un lien moléculaire majeur entre les niveaux d'hème cellulaire, l'état redox et la réponse transcriptionnelle. BACH1 fonctionne à la fois comme un répresseur et un activateur de la transcription, et régule différents processus biologiques tels que le métabolisme, la croissance cellulaire et la progression du cycle cellulaire. Des preuves expérimentales suggèrent que ce comportement transcriptionnel pléiotropique est obtenu en établissant différents réseaux protéine-protéine avec d'autres régulateurs transcriptionnels qui modulent son activité. Cependant, à ce jour, on sait peu de choses sur les corégulateurs transcriptionnels spécifiques qui travaillent en conjonction avec BACH1 pour contrôler certains programmes transcriptionnels en réponse aux fluctuations de l'hème. La connaissance de ces complexes protéiques spécifiques est essentielle pour comprendre comment l'hème module les fonctions de BACH1 dans la physiologie et les mécanismes par lesquels les cellules cancéreuses mutantes KEAP1/NRF2 modifient la sortie transcriptionnelle de BACH1 pour promouvoir la malignité. Pour identifier les corégulateurs transcriptionnels de BACH1, nous intégrons les résultats des purifications standard par immuno-purification et du marquage de proximité de BACH1 par BioID, suivi d'une analyse par spectrométrie de masse. Nous prévoyons que les résultats de ce travail feront la lumière sur les mécanismes qui contrôlent les programmes transcriptionnels régulés par l'hème-BACH1, et sont susceptibles de découvrir de nouveaux liens mécanistiques entre les mutations de la voie KEAP1/NRF2 dans le cancer du poumon et l'activation des fonctions pro-tumorigènes de BACH1.

2. L'identification de nouveaux facteurs de transcription hématopoïétiques qui pourraient nous conduire à l'exploration de domaines biologiques inexplorés.

Pour découvrir ces nouveaux régulateurs, nous combinerons des stratégies protéomiques et génétiques. Plus précisément, nous utiliserons des approches de marquage de proximité pour identifier les régulateurs transcriptionnels qui interagissent avec l'hème. De plus, nous intégrerons ces analyses à des criblages CRISPR à l'échelle du génome couplés à des techniques de profilage transcriptomique pour identifier les facteurs qui mettent en œuvre la transcription contrôlée par l'hème.

Déterminer les mécanismes liant l'altération de la voie du stress hémato-oxydant au développement et à la progression des tumeurs pulmonaires

Dans les cancers, la signalisation de l'hème peut être dérégulée par une altération de l'homéostasie du stress oxydatif. Le stress oxydatif est induit par des niveaux intracellulaires élevés d'espèces réactives de l'oxygène (ROS). Les ROS jouent un rôle pléiotropique dans la tumorigenèse ; si les ROS sont pro-tumorigènes, des niveaux élevés de ROS sont cytotoxiques. Les cellules cancéreuses présentent une homéostasie redox aberrante qui leur permet de se développer dans des conditions de charge oxydante élevée. Plus précisément, l'hyperprolifération des cellules tumorales s'accompagne d'une production élevée de ROS. Cependant, les cellules cancéreuses s'adaptent à des niveaux élevés de ROS en augmentant leur statut antioxydant pour optimiser la prolifération induite par les ROS, tout en évitant les seuils de ROS qui déclencheraient la sénescence et l'apoptose.
Pour maintenir l'homéostasie oxydative et soutenir la croissance tumorale, environ 30 % des cancers du poumon non à petites cellules (CPNPC) augmentent la transcription des gènes antioxydants en acquérant soit des mutations stabilisantes dans le facteur de transcription NRF2 (le produit du gène NFE2L2), soit en sélectionnant des mutations de type perte de fonction (LOF) dans son régulateur négatif, KEAP1. NRF2 augmente la défense antioxydante des cellules en régulant à la hausse, entre autres, les gènes impliqués dans le métabolisme du glutathion et du NADPH ainsi que les gènes impliqués dans le maintien de l'homéostasie de l'hème de signalisation. L'excès d'hème de signalisation est cytotoxique car il catalyse la formation de ROS par la réaction de Fenton, ce qui entraîne un stress oxydatif. À son tour, le stress oxydatif provoque la libération de l'hème par les protéines de liaison à l'hème, ce qui amplifie la toxicité de l'hème. NRF2 évite les effets auto-amplifiants et pro-oxydants de l'hème de signalisation en induisant la transcription de gènes régulant l'homéostasie de l'hème, dont l'hème-oxygénase-1 (HO-1), l'enzyme dégradant l'hème de signalisation.

En utilisant CRISPR/Cas9 dans un KP (KRAS-G12D ; p53-/-) GEMM (modèle de souris génétiquement modifié ) , nous avons récemment découvert que les mutations LOF de KEAP1 dans le NSCLC favorisent la progression tumorale via une altération de la signalisation de l'hème. Nos résultats ont contribué à l'identification de nouvelles vulnérabilités chez les patients atteints de cancer du poumon qui présentent une altération de la voie KEAP1/NRF2, et ont démontré que les médicaments ciblant la voie de l'hème peuvent être utilisés efficacement comme traitement pour inhiber la progression de ces cancers. Cependant, étant donné que la signalisation de l'hème cible potentiellement de multiples voies cellulaires, effecteurs et substrats, le rôle de la voie de l'hème dans ces cancers reste à définir.
Aujourd'hui, notre laboratoire cherche à comprendre en profondeur les mécanismes qui relient les altérations de la signalisation de l'hème au développement du cancer et, en particulier, à la pathogenèse des tumeurs pulmonaires mutantes KEAP1/NRF2. Notre objectif ultime est d'identifier les vulnérabilités du cancer spécifiques au génotype, ce qui pourrait ouvrir la voie à la conception de nouvelles thérapies personnalisées basées sur le génotype. Pour atteindre nos objectifs, nous nous concentrons sur :

1. Comprendre comment les mutations de KEAP1/NRF2 dans le cancer du poumon ont un impact sur la dégradation des protéines régulée par l'hème-UPS.

Pour nos analyses, nous utilisons des approches orthogonales combinant la biochimie, la protéomique et la génétique de la souris pour identifier les substrats de l'hème-UPS qui sont dérégulés dans le cancer et pour déterminer leur rôle dans les mécanismes de la tumorigenèse.

2. Étudier l'impact de l'altération de l'hème-BACH1 sur la biologie des modèles de cancer du poumon mutant KEAP1/NRF2 portant des mutations dans d'autres voies de signalisation fréquemment rencontrées chez les patients.

Pour reproduire ces génotypes spécifiques de patients atteints de cancer du poumon, nous utilisons CRISPR/Cas9. Actuellement, nous générons des modèles de cancer du poumon présentant des mutations de l'oncogène KRAS et du suppresseur de tumeur LKB1. Ces deux gènes sont mutés dans ~30% (pour KRAS) et ~45% (pour LKB1) des patients atteints de cancer du poumon avec des lésions de KEAP1, respectivement. Nous utilisons des approches génomiques pour identifier les cibles de la voie de l'hème-BACH1 dans ces modèles tumoraux, et la biologie moléculaire ainsi que la génétique de la souris pour comprendre comment l'altération de ces cibles influence l'évolution tumorale.