Immunomodulatory actions of NIDOGEN-1 in the Tumor Microenvironment: Impact of its ADAMTS1-mediated Proteolysis

Abstract

Over last decades, tumor microenvironment (TME) has emerged as a critical focus on cancer research. This dynamic ecosystem, shaped by interactions between stromal cells, cancer cells and non-cellular components, drives all hallmarks of cancer. Central to this landscape is the extracellular matrix (ECM), whose composition and extremely dynamism directly regulate tumor evolution. Of particular importance are extracellular proteases such as the ADAMTS (A Disintegrin and Metalloproteinase with Thrombospondin Motifs) family, which remodel the ECM and release bioactive factors that regulate key cellular processes, including proliferation, migration, differentiation, immune activation, and angiogenesis. For years, our laboratory has focused on studying the role of ADAMTS1 in tumor progression. Data from our group, as well as other research teams, have demonstrated that ADAMTS1 displays either pro- or anti-tumorigenic roles depending on the specific tumor context. Classically, ADAMTS1 has been associated with processes such as tumor cell migration and angiogenesis, but we recently uncovered its ability to modulate the immune compartment of tumors. In two different immunocompetent mouse models, we observed that absence of Adamts1 correlated with inhibition of tumor progression, accompanied with increased deposition of one of its substrates, the basement membrane glycoprotein NIDOGEN-1 (NID1). This finding pointed NID1 as a downstream effector of ADAMTS1 activity on tumor modulation. Based on these previous findings, in this thesis we investigate the role of NID1 on tumor progression, considering its proteolytic processing by ADAMTS1, and how it can influence to tumor progression, and others specific processes modulated by the protease. Using B16F1 murine melanoma model, we have found that intact NID1 inhibited tumor progression, however, its ADAMTS1-proteolyzed fragments failed to block tumor growth. Interestingly, tumors overexpressing intact NID1 showed an enhanced infiltration of immune cells and a global inflammatory landscape, emphasizing the presence of an anti-tumorigenic M1-like population of macrophages. Mechanistically, we showed NID1 drove M1-like macrophage polarization via αvβ3 integrin. Importantly, the NID1-overexpressing tumor model disclosed an overlapping phenotype with the Adamts1-deficient model, in terms of increased immune infiltration and inhibition of tumor growth. These results pointed NID1 as a tumor suppressor molecule whose function depends on its proteolytic state, underscoring the ADAMTS1- NID1 axis as a key regulatory circuit in tumor progression. Recognizing the translational potential of these findings, we extended our investigation to human melanoma. By integrating transcriptomic data from NID1-overexpressing murine tumors with datasets from melanoma patients, we identified a conserved “M1- associated gene signature” induced by NID1 overexpression. This signature was strongly correlated with the abundance of M1-like macrophages, as predicted by CIBERSORT analysis, and was able to predict overall survival in melanoma patients. The robustness of this signature was corroborated in two independent melanoma cohorts including 1100 patients. These results not only validate our preclinical findings but also underscore the relevance of ECM-immune interactions in human cancer. Collectively, this thesis uncovers a direct association between ADAMTS1 and its substrate NID1, demonstrating that the proteolytic regulation of NID1 is a key determinant of tumor progression through its effects on the immune microenvironment. We reveal novel tumor-suppressive function of intact NID1, mediated by the induction of M1-like macrophage polarization. Furthermore, the discovering of the “M1-associated gene signature” with prognostic value highlights the clinical significance of these findings. Overall, this work contributes to advance the understanding of how ECM remodeling, and in particular, extracellular proteases and their substrates, shape the TME and immune landscape, opening new avenues for the development of targeted therapies and biomarkers in cancer.

En las últimas décadas, el microambiente tumoral (MET) ha surgido como un foco crítico en la investigación oncológica. Este dinámico ecosistema, moldeado por las interacciones entre células estromales, células cancerosas y sus componentes no celulares, influye de forma directa en todos los hallmarks del cáncer. Un elemento central del MET es la matriz extracelular (MEC), cuya composición y extremo dinamismo regulan directamente la progresión tumoral. Las proteasas extracelulares, como la familia de las ADAMTS (por sus siglas en inglés: A Disintegrin and Metalloproteinase with Thrombospondin Motifs) son de particular importancia; pues su remodelamiento sobre la MEC, genera cambios en su composición y libera factores bioactivos que regulan procesos clave como la proliferación, migración, diferenciación, activación inmune y angiogénesis. Durante años, nuestro laboratorio se ha centrado en estudiar el papel de ADAMTS1 en la progresión tumoral. Datos de nuestro grupo, así como de otros grupos de investigación, han demostrado que ADAMTS1 exhibe funciones tanto pro- como antitumorigénicas, dependiendo del contexto tumoral específico. Clásicamente, ADAMTS1 se ha asociado con procesos como la migración celular tumoral y la angiogénesis, pero recientemente nuestro laboratorio reveló una nueva capacidad de ADAMTS1 modulando el compartimento inmune de los tumores. Además, en dos modelos murinos inmunocompetentes, observamos que la ausencia de Adamts1 estaba correlacionada con la inhibición de la progresión tumoral, acompañada por un aumento de la deposición de uno de sus sustratos, la glicoproteína de la membrana basal NIDÓGENO-1 (NID1). Este hallazgo señala a NID1 como un efector aguas abajo de la actividad de ADAMTS1 en la modulación tumoral. Basándonos en estos hallazgos previos, en esta tesis investigamos el papel de NID1 en la progresión tumoral, considerando siempre su procesamiento proteolítico por ADAMTS1 y cómo éste puede influir en la progresión tumoral y en procesos específicos modulados por la proteasa. Utilizando el modelo murino de melanoma B16F1, descubrimos que NID1 intacto inhibía la progresión tumoral; sin embargo, los fragmentos de NID1 generados por su proteólisis mediada por ADAMTS1 no lograron bloquear el crecimiento tumoral. De manera interesante, los tumores que sobreexpresaban NID1 intacto mostraron una mayor infiltración de células inmunes y un paisaje inflamatorio generalizado, destacando la presencia de una población de macrófagos similar a M1 (M1-like) con actividad antitumoral. Mecanísticamente, demostramos que NID1 impulsaba la polarización de macrófagos hacia un estado M1-like mediante la integrina αvβ3. De manera importante, el modelo tumoral sobreexpresor de NID1 mostró un fenotipo similar al modelo deficiente en Adamts1, en términos de mayor infiltración inmune e inhibición del crecimiento tumoral. Estos resultados señalan a NID1 como una molécula supresora tumoral cuya función depende de su estado proteolítico, subrayando el eje ADAMTS1-NID1 como un circuito regulador clave en la progresión tumoral. Reconociendo el potencial traslacional de estos hallazgos, extendimos nuestra investigación al melanoma humano. Al integrar datos transcriptómicos de los tumores murinos en conjuntos de datos de pacientes con melanoma, identificamos una “firma génica asociada a M1” conservada, inducida por la sobreexpresión de NID1. Esta firma mostró una fuerte correlación con la abundancia de macrófagos M1-like, según lo predicho mediante un análisis con CIBERSORT, y además fue capaz de predecir la supervivencia global en pacientes con melanoma. La robustez de esta firma se corroboró en dos cohortes independientes de melanoma que incluían a 1100 pacientes. Estos resultados no solo validan nuestros hallazgos preclínicos con modelos de melanoma murino, sino que también destacan la relevancia de las interacciones ECM-inmunidad en el cáncer humano. En conjunto, esta tesis revela una asociación directa entre ADAMTS1 y su sustrato NID1, demostrando que la regulación proteolítica de NID1 es un determinante clave en la progresión tumoral a través de sus efectos en el MET. Hemos revelado nuevas acciones supresoras de tumor de NID1 intacto, mediadas por la polarización de macrófagos hacia un fenotipo M1-like. Además, el descubrimiento de la “firma génica asociada a M1” con valor pronóstico subraya la importancia clínica de estos hallazgos. En general, este trabajo contribuye a avanzar en la comprensión de cómo la remodelación de la MEC, y en particular las proteasas extracelulares y sus sustratos, moldean el MET y el paisaje inmunológico, abriendo nuevas vías para el desarrollo de terapias dirigidas y biomarcadores en cáncer.