Implication des septines recrutées sur les microtubules tyrosinés et polyglutamylés dans la résistance au taxol de cellules cancéreuses mammaires MDA-MB 231

par Laurence Froidevaux-Klipfel

Thèse de doctorat en Physiopathologie cellulaire et moléculaire

Sous la direction de Bruno Baudin et de Anita Baillet.

Le jury était composé de Carsten Janke, Laurence Paturle-Lafanechère.

Les rapporteurs étaient Charles Dumontet, Pascal Verdier-Pinard.


  • Résumé

    Le cancer du sein est une cause importante de mortalité féminine en France et l’émergence de chimiorésistance, en particulier avec les taxanes, dont le paclitaxel (Taxol®), est une limite importante à l’emploi de ces molécules. Comme de nombreux anticancéreux, les taxanes ciblent les microtubules (MTs), des polymères de tubuline intervenant dans de nombreuses fonctions cellulaires. Ces derniers alternent entre des phases de croissance et de désassemblage, leur conférant ainsi un caractère dynamique. En se liant à la beta-tubuline, le Taxol stabilise les MTs et bloque la mitose, conduisant la cellule vers l’apoptose. La résistance au Taxol est un processus multifactoriel impliquant des mécanismes tels que la surexpression de pompes d’efflux (P-glycoprotéine), des mutations des gènes d’alpha- et de beta-tubuline ou une expression altérée de protéines associées aux MTs (MAPs) telles que MAP4 (stabilisatrice des MTs) ou la stathmine (dépolymérisante), contribuant ainsi à la restauration de la dynamique microtubulaire.Le projet repose sur l’emploi de la lignée tumorale mammaire MDA-MB 231 rendue résistante par paliers à 25nM de Taxol dans des conditions de blocage des pompes d’efflux. L’objectif étant d’explorer les variations protéiques de l’environnement des MTs associées au phénotype chimiorésistant, nous avons comparé le protéome d’extraits microtubulaires de cellules sensibles (Tv) et résistantes au Taxol (T8). Parmi les 112 protéines statistiquement enrichies dans une des deux populations de MTs, on retrouve notamment une augmentation des tubulines beta III et IV, une augmentation et une diminution respectives des moteurs moléculaires kinésine-1 et dynéine ainsi que l’enrichissement de plusieurs septines (SEPT2, 8, 9 et 11) dans les fractions de MTs T8. Les septines sont des GTPases associées en complexes hétéro-oligomériques impliquées dans la cytocinèse et l’organisation du cytosquelette de MTs et d’actine. Le recrutement de ces protéines candidates sur les MTs des cellules T8 a été validé par Western blot (Froidevaux-Klipfel et al., 2011) et immunofluorescence. Dans la littérature, les septines sont décrites comme étant localisées soit au niveau de l’actine soit au niveau des MTs dans les cellules de mammifères. De façon intéressante, dans nos cellules MDA-MB 231, nous observons un recrutement partiel de SEPT2 sur les fibres d’actine dans les cellules Tv alors qu’elle colocalise avec les MTs des cellules T8. Bien que la dépolymérisation de l’actine dans les cellules Tv n’entraine aucun déplacement des septines vers les MTs, cette localisation différentielle des septines sur les MTs des cellules résistantes pourrait néanmoins participer au phénotype chimiorésistant.Par ailleurs, il a été décrit dans la littérature que SEPT2 se lie aux MTs polyglutamylés afin de faciliter le transport vésiculaire à la membrane de protéines impliquées dans la polarisation cellulaire. La polyglutamylation est une modification post-traductionnelle permettant la formation de chaines latérales d’un à plusieurs résidus glutamate sur les tubulines alpha ou beta, régulant ainsi les interactions entre MTs et MAPs. Nos résultats montrent que l’accumulation des septines sur le réseau de MTs des cellules T8 s’accompagne d’une augmentation de la polyglutamylation mais aussi de la tyrosination de la tubuline. De plus, des tests de viabilité cellulaire ont mis en évidence que l’inhibition partielle par RNAi des septines ainsi que des polyglutamylases et de la tubuline tyrosine ligase, comme la surexpression d’enzymes responsables de la déglutamylation de la tubuline, permettent de restaurer une certaine sensibilité au Taxol des cellules T8. Inversement, la surexpression de certaines enzymes responsables de la polyglutamylation et de la tyrosination de la tubuline dans les cellules Tv permet d’instaurer une résistance au Taxol des cellules sensibles.La compilation de nos résultats permet de proposer un nouveau mécanisme de résistance au Taxol des cellules cancéreuses mammaires MDA-MB 231 : une augmentation du niveau de tyrosination de l’alpha-tubuline serait à l’origine de l’allongement des chaînes polyglutamylées sur le MT entraînant une diminution de la liaison de la protéine stabilisatrice MAP4 ainsi que le recrutement des septines sur les MTs. Ces modifications favoriseraient alors le recrutement du facteur de sauvetage CLIP-170 et de kinésines dépolymérisantes telles que MCAK à l’extrémité en croissance du MT des cellules résistantes T8, permettant une certaine restauration de la dynamique microtubulaire et contribuant ainsi à l’apparition du phénotype chimiorésistant.Ces études sont indispensables pour établir les bases d’un nouveau mécanisme de résistance au Taxol impliquant les septines, ainsi qu’un lien de causalité avec la tyrosination et la polyglutamylation. Au-delà, la recherche de ces modulations clés pourra être réalisée sur des cancers mammaires sensibles et résistants au Taxol, issus de biopsies de patients. Ainsi, il sera possible à terme, de déterminer si les septines, la tyrosination et la polyglutamylation de la tubuline ont une véritable importance fonctionnelle dans la résistance de cancers du sein au Taxol.

  • Titre traduit

    Involvement of septins recruited to tyrosinated and polyglutamylated microtubules in taxol resistance of breast cancer cell line mda-mb 231


  • Résumé

    Breast cancer remains the leading cause of women mortality in France, and chemoresistance emergence, in particular to taxanes, including paclitaxel (Taxol®), is an important limitation to the use of these molecules. As do many anticancer drugs, taxanes target microtubules (MTs), tubulin polymers involved in many cellular functions. These alternate between growing and shrinking stages, thus providing dynamic instability. By binding to beta-tubulin, Taxol stabilizes MTs and prevents successful mitosis, leading to apoptosis. Taxol resistance is a multifactorial process including mechanisms such as overexpression of drug efflux pumps (P-glycoprotein), mutations in the genes for alpha- and beta-tubulin or altered expression of MT-associated proteins (MAPs) like the MT-stabilizing MAP4 or the depolymerizing stathmin, therefore contributing to MT dynamics restoration.The current project relies on the use of the breast carcinoma cell line MDA-MB 231 made gradually resistant to 25nM of Taxol under blocking conditions of efflux pumps. To get a broader insight into the protein modifications from the MT environment associated with the chemoresistant phenotype, we compared the proteomic profiles of total MT fractions from Taxol-sensitive (Tv) and Taxol-resistant (T8) cells. Among the 112 differentially enriched proteins found in one of the two populations, we evidenced increased levels of betaIII and betaIV-tubulins, a slight increase and a decrease of molecular motors kinesin-1 and dynein, respectively, and the enrichment of several septins (SEPT2, 8, 9 and 11) in MT fractions of T8 cells. Septins are GTPases that associate into hetero-oligomeric complexes involved in cytokinesis and in MT and actin cytoskeleton organization. Recruitment of these candidate proteins on MTs of T8 cells has been validated by Western blot analysis (Froidevaux-Klipfel et al., 2011) and immunofluorescence experiments.In the literature, septins localize either on actin or MTs in mammalian cells. Interestingly, in our MDA-MB 231 cells, SEPT2 is recruited partially on actin stress fibers in sensitive Tv cells, whereas it colocalizes with MTs in T8 ones. Although actin depolymerization in Tv cells does not induce any shift towards MTs, this differential localization of septins on MTs of resistant cells could nevertheless participate in the chemoresistant phenotype.Furthermore, it has been described in the literature that SEPT2 binds to polyglutamylated MTs to facilitate vesicular transport to the plasma membrane of proteins implicated in cell polarization. Polyglutamylation is a post-translational modification allowing the formation of side-chains of several glutamate residues on alpha- or beta-tubulins, thus regulating interactions between MTs and MAPs. Our results show that septin accumulation on the MT network of T8 cells is associated with an increase in polyglutamylation but also tyrosination of tubulin. In addition, cell viability assays showed that partial inhibition by RNAi of septins as well as polyglutamylases and tubulin tyrosine-ligase, but also overexpression of enzymes responsible for tubulin deglutamylation, could restore Taxol sensitivity of T8 cells. By contrast, overexpression of enzymes responsible for tubulin polyglutamylation and tyrosination in Tv cells could induce Taxol resistance of sensitive Tv cells.The compilation of our results enables us to provide a new mechanism of Taxol resistance of the breast cancer cells MDA-MB 231: an increased level of alpha-tubulin tyrosination would induce the lengthening of polyglutamylated chains on the MT, resulting in a reduced binding of the stabilizing protein MAP4 as well as the recruitment of septins on MTs. These modifications would promote the recruitment of the rescue factor CLIP-170 and that of depolymerizing kinesins such as MCAK to the growing end of the MT of resistant T8 cells, leading to a restoration of MT dynamics, thus contributing to the emergence of the chemoresistant phenotype.These studies are essential to lay the basis for a new mechanism of Taxol resistance involving septins, and a causal relationship to tyrosination and polyglutamylation. Beyond, the search for these key modulations will be performed on Taxol sensitive and resistant breast cancers, from patients’ biopsies. Thus, it will be eventually possible to determine whether septins, tubulin tyrosination and polyglutamylation have a real functional importance in breast cancer resistance to Taxol.


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