Role of LOXL2 enzyme in melanoma cell pro-invasive behavior and matrix remodeling of tumor stroma
Rôle de l'enzyme LOXL2 dans le comportement pro-invasif des cellules de mélanome et le remodelage matriciel du stroma tumoral
Résumé
Cutaneous melanoma is an aggressive, heterogeneous and highly metastatic skin cancer. Despite successful therapies targeting the BRAFV600E oncogenic pathway or immune checkpoints, many patients relapse and remain in therapeutic failure. Innate or acquired resistances are due to genetic mutations or non-genetic phenotypic reprogramming and plasticity. Recent studies based on single cell RNA-seq analysis of cutaneous melanoma have identified tumor cell subpopulations that are classified according to their differentiation state and transcriptional signature. Upon microenvironment and therapeutic pressures, melanoma cells can switch from a melanocytic state to dedifferentiated states associated with increased expression of tyrosine kinase receptors (RTK) and mesenchymal or neural crest stem cell-like markers. Such adaptive plasticity was described as a driver of resistance to targeted therapies. Tumor progression is influenced by alterations in the biochemical and biophysical properties of the tumor microenvironment. Increased collagen fiber deposition and crosslinking are indeed known to stiffen tumors, promote malignant progression and confer resistance to treatments. Our study relies on original observations from the team that dedifferentiated cells produce an abundant extracellular matrix (ECM) enriched in the lysyl oxidase-like 2 LOXL2, a collagen crosslinking enzyme also known to drive the epithelial-to-mesenchymal transition in breast cancer. Its role in melanoma biology remains poorly explored. We hypothesized that LOXL2 production by melanoma cells could influence their mesenchymal properties as well as ECM remodeling and tumor stiffness observed in vivo during adaptive response and therapeutic resistance.We first showed that LOXL2 is preferentially expressed by dedifferentiated melanoma cells and that its expression is associated with poor prognosis in melanoma. LOXL2 is induced by the combination of BRAF and MEK inhibitors or hypoxia, cues known to promote the transition towards a dedifferentiated phenotype, and regulated by the cell plasticity transcription factor ZEB1. Interestingly, LOXL2 induction by the targeted therapy is reversed by inhibition of the RTK and AKT pathways. We then investigated the specific contribution of LOXL2 to the dedifferentiated mesenchymal phenotype using loss-of-function approaches. We revealed that LOXL2 plays a role in focal adhesion formation and mesenchymal cell morphology, and promotes melanoma cell migration, invasion and metastasis. Mechanistically, comparative proteomic analysis identified the plasminogen activator inhibitor 2, PAI-2, a member of the serpin family, as a potential effector of LOXL2-mediated migration. Finally, we showed that targeting LOXL2 in dedifferentiated cells and melanoma-associated fibroblasts impairs their ability to contract a collagen matrix and assemble an organized ECM, suggesting the implication of LOXL2 in the dialogue between melanoma cells and the tumoral matrix.Taken together, these results establish an original link between LOXL2, melanoma cell phenotypic diversity and stromal matrix remodeling. Our study reveals that, in addition to its conventional role in collagen remodeling, LOXL2 exerts a tumor cell-autonomous pro-invasive action in melanoma. In addition, my work provides a better understanding of the ECM biomechanical signals that affect tumor cell plasticity and adaptation to anti-melanoma therapies, and highlights the value of targeting LOXL2 in the treatment of metastatic and resistant disease.
Le mélanome cutané est un cancer de la peau agressif, hétérogène et hautement métastatique. Malgré le succès des nouveaux traitements comme les thérapies ciblant la voie oncogénique BRAFV600, et les inhibiteurs des points de contrôle immunitaire, de nombreux patients restent en échec thérapeutique en raison de résistances innées ou acquises dues à des mutations génétiques ou des phénomènes non-génétiques de reprogrammation et plasticité phénotypique. Des études récentes ont identifié des sous-populations cellulaires tumorales qui se distinguent selon leur état de différenciation et leur signature transcriptionnelle. En réponse aux signaux du microenvironnement et aux pressions thérapeutiques, les cellules de mélanome peuvent passer d'un état mélanocytaire à des états dédifférenciés associés à une expression accrue de récepteurs tyrosine kinase (RTK), de marqueurs mésenchymateux ou de cellules souches de la crête neurale. Cette transition a été décrite comme un facteur d'adaptation et de résistance aux thérapies ciblées. La progression tumorale est influencée par les propriétés biochimiques et biophysiques du stroma matriciel environnant. Ainsi, une augmentation des dépôts de collagène et de la réticulation des fibres rigidifie la tumeur, promeut la progression maligne et protège des thérapies. Mon travail s'appuie sur des observations originales de l'équipe selon lesquelles les cellules dédifférenciées produisent une matrice extracellulaire (MEC) abondante riche en lysyl oxidase-like 2, LOXL2, une enzyme de réticulation du collagène également connue pour son implication dans la transition épithéliale-mésenchymateuse du cancer du sein. Son rôle dans la biologie des mélanomes n'est pas connu. Nous avons émis l'hypothèse que la production de LOXL2 par les cellules de mélanome pourrait influencer leurs propriétés mésenchymateuses ainsi que le remodelage matriciel et la rigidité tumorale observés in vivo au cours de la réponse adaptative au traitement.Nous montrons dans un premier temps que LOXL2 est préférentiellement exprimé par les cellules de mélanome dédifférenciées et que son expression est associée à un mauvais pronostic. LOXL2 est induit par la thérapie ciblée ou l'hypoxie, des facteurs connus pour favoriser la transition vers un état dédifférencié, et est régulé par des facteurs de transcription de la plasticité tumorale comme ZEB1. De façon intéressante, l'induction de LOXL2 par la thérapie ciblée est inversée par les inhibiteurs des voies RTK et AKT. Dans un deuxième temps, nous avons étudié la contribution spécifique de LOXL2 dans le phénotype tumoral dédifférencié par des approches perte de fonction. Nous révélons que LOXL2 joue un rôle important dans la formation d'adhésions focales et la morphologie des cellules mésenchymateuses et favorise leur migration, invasion et formation de métastases. Sur le plan mécanistique, une analyse protéomique comparative a permis d'identifier l'inhibiteur de l'activateur du plasminogène 2, PAI-2, un membre de la famille des serpines comme un effecteur potentiel de la migration dépendante de LOXL2. Enfin, mes données indiquent que le ciblage de LOXL2 dans les cellules dédifférenciées et les fibroblastes associés au mélanome réduit leur capacité à contracter une matrice de collagène et à assembler une MEC organisée, ce qui suggère l'implication de LOXL2 dans le dialogue entre cellules de mélanome et matrice tumorale.L'ensemble de mes résultats établit un lien original entre LOXL2, l'hétérogénéité phénotypique des cellules de mélanome et le remodelage matriciel stromal. Notre étude révèle qu'en plus de son rôle dans le remodelage du collagène, LOXL2 joue un rôle pro-invasif « cell autonomous » intrinsèque à la cellule de mélanome. De plus, mon travail améliore notre compréhension des signaux biomécaniques de la MEC qui affectent la plasticité tumorale et l'adaptation aux thérapies et souligne l'intérêt du ciblage de LOXL2 dans le traitement de la maladie métastatique et résistante.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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