ICAT (inhibitor of β-catenin and TCF4) role in normal and pathological melanocytes development
Rôle de ICAT (inhibitor of β-catenin and TCF4) dans le développement normal et pathologique des mélanocytes
Résumé
Β-catenin is the central protein of the Wnt signaling pathway, which is involved in many physiological processes including normal melanocyte development. Few direct negative regulators of β-catenin have been described so far and their physiological role is still unclear. One of them, ICAT (inhibitor of β-catenin and TCF-4) has been identified in a yeast two-hybrid screen by using the Armadillo (ARM) region of β-catenin as bait. This small protein of 81 amino-acids, encoded by the highly conserved CTNNBIP1 gene, binds to β-catenin through ARM repeats 5 to 12, preventing its interaction with TCF4 and thus, repressing TCF/LEF-β-catenin transcriptional activity in vitro. Total invalidation of ICAT in mouse leads to premature death and cranio-facial anomalies, suggesting an important role in neural-crest cell differentiation. In order to determine the possible role of ICAT in melanoblasts development, ICAT -/- embryos, on a Dct::LacZ background were obtained. We observed that the total invalidation of the ICAT gene does not affect the number of melanoblasts and their localization at embryonic stages E13.5, E15.5 and E18.5, indicating that ICAT alone does not play a significant role in the proliferation and migration of melanoblasts during mouse development. The Wnt signaling pathway is deregulated in 30% of melanomas, so we found it essential to study the role of ICAT in the formation and progression of melanoma. We observed that high ICAT levels in a panel of human melanoma cell lines correlated with their capacity to form metastases in nude mice and was associated, in some melanoma patients, with reduced distant metastasis-free survival. Ectopic expression of ICAT in various melanoma cell lines had no effect on their proliferation but increased their in vitro motility in 2D and matrigel invasion in 3D. These in vitro effects required stable protein interaction between ICAT and β-catenin. At the cellular level, ICAT promoted switching of metastatic melanoma cells from an elongated/mesenchymal towards a round/amoeboid phenotype but did not affect the elongated morphology of non-metastatic melanoma cells. Transition from a mesenchymal to an amoeboid movement was associated with decreased production of the scaffold protein NEDD9 and decreased levels of Rac1-GTP, a positive regulator of mesenchymal movement. In vivo, ectopic ICAT expression increased lung colonization by melanoma cells in nude mice. Our results indicate that ICAT-induced down-regulation of Rac signaling can increase motility and invasiveness of metastatic cells by promoting morphological variability allowing tumor cells to adapt to their microenvironment. We show, for the first time, that ICAT is a new potential modulator of melanoma cells invasion. Based on a three-dimensional study of ICAT in complex with β-catenin we understood how ICAT competes with members of the TCF/LEF family at the nuclear level. By site directed mutagenesis, we demonstrated that D66, F71 and E75 residues (C-terminal domain of ICAT) are involved in the competition with LEF1 but are not essential in the formation of a stable ICAT/β-catenin complex, while Y15, K19, V22 residues (N-terminal domain) are essential for the formation of this complex.
Β-caténine, protéine multifonctionnelle et pivot de la voie de signalisation Wnt est impliquée dans de nombreux processus physiologiques, notamment le développement normal du lignage mélanocytaire. Les régulateurs négatifs directs de β-caténine sont peu nombreux et un nombre réduit d’études leur a été consacré. La protéine ICAT est l’un de ces régulateurs négatifs. En effet, elle se fixe au niveau des répétitions ARM 5 à 12 de β-caténine via un domaine N-terminal en hélices α et un domaine C-terminal semblable à un feuillet β, empêchant son interaction avec les facteurs de transcription TCF/LEF et donc la transcription des différents gènes cibles de β-caténine. L’invalidation complète de ICAT chez la souris entraîne des anomalies développementales des dérivés des crêtes neurales responsables, dans certains cas, de la mort des animaux. Afin de déterminer la fonction de ICAT durant le développement des mélanocytes, qui sont également des dérivés des crêtes neurales, nous avons généré des embryons totalement invalidés pour le gène ICAT et exprimant le transgène Dct::LacZ. Cette invalidation n’affecte ni le nombre, ni la localisation des mélanoblastes. Ces résultats suggèrent que la prolifération et la migration de ces cellules aux stades étudiés (E13.5, E15.5 et E18.5) est normale en absence de ICAT. La voie de signalisation Wnt étant dérégulée dans 30% des mélanomes, il nous a paru essentiel d’examiner le rôle de ICAT dans la formation et la progression des mélanomes. L’étude d’un panel de lignées cellulaires de mélanome humain nous a permis de corréler une forte expression de ICAT à la formation de métastases chez des souris immunodéficientes. De plus chez l’Homme, une forte expression d’ARNm de ICAT dans certains mélanomes est associée à un temps de survie plus faible. La surexpression de ICAT dans différentes lignées humaines de mélanome conduit à une augmentation de la vitesse de migration des cellules en 2D et de leurs capacités invasives en 3D, sans affecter leur prolifération. L’ensemble de ces effets dépend entièrement de l’interaction de ICAT avec β-caténine. Au niveau cellulaire, une expression ectopique de ICAT induit une modification de la morphologie des cellules métastatiques, qui passent d’une forme allongée/mésenchymateuse à une forme arrondie/amiboïde, alors qu’elle n’affecte pas la morphologie allongée des cellules non métastatiques. Cette modification de morphologie cellulaire s’accompagne d’une diminution de l’expression de la protéine NEDD9, une cible de β-caténine, impliquée dans la voie de signalisation Rac communément associée à la migration mésenchymateuse. L’ensemble de ces résultats nous a permis de montrer pour la première fois que ICAT est un nouveau régulateur de la motilité et de l’invasion des cellules de mélanome. L’étude de la structure tridimensionnelle du complexe ICAT/β-caténine nous a permis de comprendre le mécanisme de compétition entre ICAT et les facteurs TCF/LEF pour la liaison à β-caténine. Par mutagenèse, nous avons mis en évidence que les résidus D66, F71 et E75 (domaine C-terminal de ICAT) sont impliqués dans la compétition avec LEF1 mais n’empêchent pas la formation d’un complexe stable ICAT/β-caténine alors que les résidus Y15, K19, V22 du domaine N-terminal sont essentiels à la formation de ce complexe.
Domaines
Médecine humaine et pathologie
Origine : Version validée par le jury (STAR)