Influence de l’hypoxie dans la régulation du pH et les conséquences dans la progression tumorale et la résistance à la chimiothérapie

Abstract

La formation de métastases s’inscrit comme la finalité d’un processus darwinien dans lequel les cellules tumorales subissent des altérations génétiques et épigénétiques dans l’unique but de préserver un avantage prolifératif. L’environnement hypoxique, caractéristique des tumeurs solides, se révèle comme une pression de sélection et un facteur déterminant dans la progression tumorale. Face à l’hypoxie, une des adaptations majeures des cellules tumorales est le déséquilibre du pH cellulaire qui mène à la formation de métastases et à la résistance à la chimiothérapie. Cette thèse met en lumière de nouveaux liens moléculaires entre l’hypoxie et la régulation du pH dans des contextes d’invasion cellulaire et de chimiorésistance. Les échangeurs d’ions NHE1 et NHE6 sont au coeur de ces études où de nouveaux rôles dans la progression du cancer leur ont été attribués. Premièrement, nous avons observé l’influence de l’hypoxie sur la régulation de NHE1 par p90RSK et les conséquences fonctionnelles de cette interaction dans l’invasion cellulaire par les invadopodes. En conditions hypoxiques, NHE1 est activé par p90RSK résultant en une acidification extracellulaire. En modifiant le pH, NHE1 stimule la formation des invadopodes et la dégradation de la matrice extracellulaire. Ainsi, la phosphorylation de NHE1 par p90RSK en hypoxie apparaît comme un biomarqueur potentiel des cancers métastatiques. Peu étudié, le pH endosomal peut intervenir dans la chimiorésistance mais les mécanismes sont inconnus. Nous avons développé une méthode pour mesurer précisément le pH endosomal par microscopie. Ceci a permis d’illuminer un nouveau mécanisme de résistance induit par l’hypoxie et mettant en vedette l’échangeur NHE6. L’hypoxie favorise l’interaction de NHE6 avec RACK1 à la membrane plasmique empêchant la localisation endosomale de l’échangeur. Cette interaction mène à la séquestration de la doxorubicine dans des endosomes sur-acidifiés. Ces travaux mettent en évidence pour la première fois le rôle du pH endosomal et l’échangeur NHE6 comme des éléments centraux de la chimiorésistance induite par l’hypoxie. Cette thèse renforce donc l’idée voulant que les interactions entre les cellules tumorales et le microenvironnement hypoxique sont le "talon d’Achille" du cancer et la régulation du pH cellulaire est primordiale dans l’adaptation des cellules à l’hypoxie et l’instauration du phénotype malin du cancer. La découverte de nouveaux rôles pro-tumoraux pour NHE1 et NHE6 les placent à l’avant-plan pour le développement de stratégies thérapeutiques orientées contre la formation de métastases et la chimiorésistance.

Abstract: Metastasis are the outcome of a process akin to Darwinian natural selection where tumor cells undergo genetic and epigenetic alterations for the sole purpose of preserving a proliferative advantage. The hypoxic microenvironment exerts a selection pressure and act as a determining factor in tumor progression. Dysregulation of cellular pH is an evolutionary adaptation to hypoxia and leads to metastasis and resistance to chemotherapy. The work presented in this thesis highlights new molecular links between hypoxia and pH regulation in tumor cell invasion and chemoresistance. The NHE1 and NHE6 ion exchangers are at the heart of these studies where new roles on tumor progression and cancer treatments are assigned to them. We first demonstrated the influence of hypoxia on the regulation of NHE1 by p90RSK and functional consequences of this interaction on cell invasion by invadopodia. Invadopodia are invasive structures specific to cancer cells that allow localized degradation of the extracellular matrix during metastatic process. In hypoxic conditions, NHE1 is activated by p90RSK resulting in a cytosolic alkalinisation and an extracellular acidification. Through dysregulation of the cellular microenvironment pH, NHE1 stimulates both invadopodia formation and extracellular matrix degradation. Thus, RSK-induced NHE1 phosphorylation in hypoxia appears as a potential biomarker of invasive and potentially metastatic cancers. Little studied, endosomal pH can intervene in drug resistance but the mechanisms are still unknown. We have developed a method to accurately measure endosomal pH by confocal microscopy. This technique was used to decipher a new mechanism of drug resistance induced by hypoxia that involves the NHE6 exchanger. Hypoxia promotes the interaction of NHE6 with RACK1 at the plasma membrane preventing the endosomal localization of the exchanger. This interaction leads to the sequestration of doxorubicin in over-acidified endosomes limiting drug distribution to the site of action. This work represents the first evidence of the role of endosomal pH in resistance to chemotherapy while discovering NHE6 as a key player in hypoxia-induced chemoresistance. These results reinforce the idea that interactions between tumor cells and the hypoxic microenvironment appear as the "Achilles heel" of cancer and regulation of cellular pH is essential in cell adaptation to hypoxia and establishment of the malignant phenotype of cancer. The discovery of new pro-tumor roles for NHE1 and NHE6 place them at the forefront in the development of therapeutic strategies directed against metastasis and chemoresistance.