Papel de TNKS1 y TNKS2 en el microambiente tumoral: hipoxia y mimetismo vasculogénico

Abstract

Hypoxia is a common event and a major driving-force during tumor development. The adaptation to the hypoxic situation (mostly regulated through Hypoxia inducible factors, HIFs) involves the expression of hundreds of genes implicated in the maintenance of cellular survival. Tumor adaptation to hypoxia including new vessels formation and glycolysis activation. All these changes facilitate cell survival, tumor growth, migration, and metastasis and hypoxia constitute a major driving-force of tumor development. There is an undeniable need to identify novel regulatory mechanisms of HIF to prevent the adaptation of tumor cells to hypoxia. The PARP or poly-ADPribose polymerase family consists of 17 members involved in a multitude of signaling pathways, mainly through the addition of ADP ribose units as a monomer or polymer to a large number of substrates. The main member, PARP1, is responsible for 90% of the PARylation required to maintain cellular homeostasis. Its expression and function are altered in various types of tumors, which has led to the existence of four FDA-approved inhibitors for the treatment of breast, ovarian and prostate cancer. For more than 10 years, our laboratory has focused on the study of PARP1 in numerous cancer-related processes, discovering that its inhibition plays a key role in the adaptation of tumor cells to hypoxia, as well as in the process of vasculogenic mimicry and vascular normalization. In view of the role of the tankyrase-mediated PARylation process in the selective degradation of PARylated proteins, we decided to study the possible effect of TNKS1/2 on the stability and transcriptional activity of HIF-1α during hypoxia, as well as its possible contribution to the formation of vasculogenic mimicry, which refers to the ability of tumor cells to partially acquire an endothelial phenotype allowing them to form a network of pseudoendothelial tubes to nourish the tumor under hypoxic conditions. In fact, recent results from our group have shown that both PARP1 inhibition and its deletion resulted in a loss of HIF-1α transcription factor stability. The results of the first part of this doctoral thesis indicate that there are two possible mechanisms linking tankyrases with the transcription factor HIF-1α. On the one hand, we have shown that HIF-1α interacts with both tankyrases in both normoxia and hypoxia, although the functional meaning of this interaction still remains to be elucidated. On the other hand, we have observed that the loss of both tankyrases, but not their catalytic inhibition, causes a decrease in HIF-1α transcription in several tumor models. As a consequence of this effect, HIF-1α protein levels are reduced, compromising its activity as a transcription factor. Thus, in our model, the absence of tankyrase also leads to a decrease in the expression of genes whose induction has been described to mainly depend on HIF-1α, such as the genes for proteins involved in glycolysis (CA9, HK2, PDK1, PFKFB3 and PFKFB4) and mitophagy (BNIP3). Therefore, these results provide a new mechanism that would allow tankyrase-mediated inhibition of metabolic adaptation to hypoxia. In the context of vasculogenic mimicry, the previous results from our laboratory revealed the importance of the VE-cadherin protein and the phosphorylation of the Y658 residue in the formation of vasculogenic mimicry in uveal and cutaneous melanoma cells. In the second chapter of the thesis we have shown that there is a complex formed by VE-cadherin, b-catenin and the transcription factor TCF4 that occurs at the nuclear level. This complex induces the formation of VM through the regulation of genes of the Wnt/b-catenin pathway such as TWIST1. In this case, tankyrases have not been shown to have a direct role in the mechanism discovered, but act through axin-1-mediated degradation of b-catenin. In consequence, we have discovered a new application of tankyrase inhibitors to prevent vasculogenic mimicry formation in uveal melanoma. Taken together, the results of this work corroborate the growing interest that tankyrases have been acquiring in recent years in the context of cancer. This group of proteins may play an important role in several relevant aspects of the tumor microenvironment such as adaptation to hypoxia or the formation of vasculogenic mimicry. Therefore, we believe that further research is needed to elucidate the implications of tankyrases as modulators of tumor microenvironment and to discover new pathways in which TNKS1/2 are involved.

La hipoxia es un acontecimiento común y una de las principales fuerzas motrices durante el desarrollo tumoral. La adaptación a la situación de hipoxia (regulada principalmente a través de los factores inducibles por hipoxia, HIFs) implica la expresión de cientos de genes implicados en el mantenimiento de la supervivencia celular. La adaptación tumoral a la hipoxia incluye la formación de nuevos vasos y la activación de la glicólisis. Todos estos cambios facilitan la supervivencia celular, el crecimiento tumoral, la migración y la metástasis, por lo que la hipoxia constituye una de las principales fuerzas motrices del desarrollo tumoral. Es innegable la necesidad de identificar nuevos mecanismos reguladores de HIF para evitar la adaptación de las células tumorales a la hipoxia. La familia PARP o poli-ADP-ribosa polimerasa consta de 17 miembros que intervienen en multitud de vías de señalización, principalmente mediante la adición de unidades de ADP ribosa como monómero o polímero a un gran número de sustratos. El principal miembro, PARP1, es responsable del 90% de la PARilación necesaria para mantener la homeostasis celular. Su expresión y función están alteradas en varios tipos de tumores, lo que ha llevado a la existencia de cuatro inhibidores aprobados por la FDA para el tratamiento del cáncer de mama, ovario y próstata. Durante más de 10 años, nuestro laboratorio se ha centrado en el estudio de PARP1 en numerosos procesos relacionados con el cáncer, descubriendo que su inhibición juega un papel clave en la adaptación de las células tumorales a la hipoxia, así como en el proceso de mimetismo vasculogénico y normalización vascular. Teniendo en cuenta el papel del proceso de PARilación mediado por tankirasas en la degradación selectiva de proteínas PARiladas, decidimos estudiar el posible efecto de TNKS1/2 sobre la estabilidad y actividad transcripcional de HIF-1α durante la hipoxia, así como su posible contribución a la formación de mimetismo vasculogénico, que hace referencia a la capacidad de las células tumorales de adquirir parcialmente un fenotipo endotelial que les permite formar una red de tubos pseudoendoteliales para nutrir el tumor en condiciones de hipoxia. De hecho, resultados recientes de nuestro grupo han demostrado que tanto la inhibición de PARP1 como su pérdida producen una pérdida de estabilidad del factor de transcripción HIF-1α. Los resultados de la primera parte de esta tesis doctoral indican que existen dos posibles mecanismos que relacionan las tankirasas con el factor de transcripción HIF-1α. Por un lado, hemos demostrado que HIF-1α interacciona con ambas tankirasas tanto en normoxia como en hipoxia, aunque el significado funcional de esta interacción está aún por dilucidar. Por otro lado, hemos observado que la pérdida de ambas tankirasas, pero no su inhibición catalítica, provoca una disminución de la transcripción de HIF-1α en varios modelos tumorales. Como consecuencia de este efecto, los niveles de proteína HIF-1α se reducen, comprometiendo su actividad como factor de transcripción. Así, en nuestro modelo, la ausencia de tankirasa conduce también a una disminución en la expresión de genes cuya inducción se ha descrito que depende principalmente de HIF-1α, como los genes de proteínas implicadas en la glicólisis (CA9, HK2, PDK1, PFKFB3 y PFKFB4) y en la mitofagia (BNIP3). Por lo tanto, estos resultados proporcionan un nuevo mecanismo que permitiría la inhibición de la adaptación metabólica a la hipoxia mediada por tankirasa. En el contexto del mimetismo vasculogénico, los resultados previos de nuestro laboratorio revelaron la importancia de la proteína VE-cadherina y la fosforilación del residuo Y658 en la formación del mimetismo vasculogénico en células de melanoma uveal y cutáneo. En el segundo capítulo de la tesis hemos demostrado que existe un complejo formado por VE-cadherina, bcatenina y el factor de transcripción TCF4 que se produce a nivel nuclear. Este complejo induce la formación de MV a través de la regulación de genes de la vía Wnt/b-catenina como TWIST1. En este caso, no se ha demostrado que las tankirasas tengan un papel directo en el mecanismo descubierto, sino que actúan a través de la degradación de b-catenina mediada por axina 1. En consecuencia, hemos descubierto una nueva aplicación de los inhibidores de tankirasa para prevenir la formación de mimetismo vasculogénico en melanoma uveal. En conjunto, los resultados de este trabajo corroboran el creciente interés que las tankirasas han ido adquiriendo en los últimos años en el contexto del cáncer. Este grupo de proteínas puede desempeñar un papel importante en varios aspectos relevantes del microambiente tumoral, como la adaptación a la hipoxia o la formación de mimetismo vasculogénico. Por lo tanto, creemos que es necesario seguir investigando para dilucidar las implicaciones de las tankirasas como moduladoras del microambiente tumoral y descubrir nuevas vías en las que TNKS1/2 estén implicadas.