Twist proteins as oxidative and hypoxic stress regulators

Etude des facteurs oncogéniques Twist dans la régulation du stress oxydatif et hypoxique

Jakub Kolodziejski (1)

1 IGMM - Institut de Génétique Moléculaire de Montpellier

Twist1 and Twist2 are related transcription factors that play major roles both during embryonic development and in several pathologies, including cancer. Twists' oncogenic potential arises from a combination of their multiple functions in development. Notably, both Twist induce epithelial-to mesenchymal transition, thus promoting tumour invasiveness and possibly conferring to cells self-renewal properties. Furthermore, through disruption of both Rb- and p53-driven pathways, Twist override two major oncogene-induced fail-safe programs, namely senescence and apoptosis, thereby promoting malignant conversion. Twist has also been reported to participate in acquisition of drug resistance and in promotion of neo-angiogenesis.Current knowledge of pleiotropic activities of Twist prompted us to postulate that these factors may be major regulators of stress response. Cancer cells survive and grow within a continuously changing environment that creates multiple stresses to which they must adapt in order to survive and strive. Such adaptations often give rise to the acquisition of an aggressive phenotype. Consistent with this hypothesis, we recently unveiled new activities of Twist proteins that are related to stress response. We have shown that Twist regulates response to oxidative stress, a condition exacerbated in cancer by stimuli such as inflammation, increased cellular metabolism and changes in tumour oxygenation. Our work has contributed to the understanding of molecular mechanisms through which Twist diminishes cellular ROS and thus participates in the escape from apoptosis and senescence. In the first part of my thesis, I worked on the antioxidant activity of Twist and described its molecular mechanisms.The second part of my work addressed the impact of Twist proteins on cellular response to hypoxia that is insufficient oxygen supply, frequently found in solid tumours. Cellular response to hypoxic stress relies on stabilization and activation of HIF1α, a key transcriptional mediator of the hypoxic response, regulating numerous genes involved in glucose metabolism, oxygen transport, angiogenesis, cell growth and apoptosis. HIF1α is beneficial for cancer cells in response to short hypoxic episodes, however its sustained activation in case of prolonged hypoxia may push cancer cells towards apoptosis. In this context, we have shown that Twist protects cancer cells from hypoxia-induced apoptosis. We have discovered HIF1α and Twist physically interact, suggesting a possible mechanistic basis for Twist's protective effect. These results led us to postulate that Twist plays a role in cellular response to hypoxia and thus participates in cancer cell adaptation and acquisition of aggressive phenotypes triggered by lack of oxygen.Our results reinforce the notion that Twist factors are major cellular stress modulators that might be important for adaptation of cancer cells to changing conditions in the process of tumour progression.

Les facteurs de transcription Twist1 et Twist2 (famille Twist) jouent un rôle majeur dans le développement embryonnaire et dans la progression tumorale. Leur potentiel oncogénique dérive directement de la combinaison de leurs nombreuses activités développementales. Les gènes Twist peuvent notamment, en induisant la transition épithélio-mésenchymateuse (EMT), promouvoir l’invasion des cellules cancéreuses et participer de ce fait aux processus métastatique. De plus, en bloquant l’activité des voies de signalisation Rb et p53, ils peuvent inhiber les deux principaux programmes de sauvegarde cellulaire que sont l’apoptose et la senescence. Enfin, ils sont également impliqués dans la résistance des cellules cancéreuses aux agents chimio-thérapeutiques. En plus de ces nombreuses activités, nos données préliminaires nous ont amené à considérer un rôle de Twist dans la réponse au stress. Les cellules cancéreuses doivent croitre dans un environnement en perpétuel changement qui génère de nombreux types de stress. Seules les cellules capables de s’adapter, peuvent survivre et acquérir de nouvelles capacités les rendant plus agressives. La résistance au stress fait donc partie intégrante de la progression tumorale. Nos travaux révèlent que Twist en induisant une résistance au stress, plus particulièrement métabolique, est un acteur essentiel de l’acquisition d’u phénotype agressif des cellules cancéreuses. Dans une première étude, nous avons montré que Twist module le stress oxydatif, une condition très fréquemment retrouvée dans les tumeurs. Ainsi, nos résultats indiquent que l’expression de Twist provoque une réduction du taux d’espèces réactives de l’oxygène (ROS) intracellulaire. Cette activité a pour conséquence directe d’induire une résistance accrue à l’apoptose déclenchée par divers traitements. Nous avons par la suite caractérisé cette activité et mis en évidence un programme génétique contrôlé par Twist impliquant divers facteurs possédant des propriétés anti-oxydantes. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à un autre type de stress métabolique, l’hypoxie. L’hypoxie définie par un taux insuffisant d’oxygène, est retrouvée dans la plupart des tumeurs solides du fait de l’absence ou de l’anomalité de la vascularisation. L’hypoxie mène à la stabilisation d’un facteur de transcription, HIF1α. Cette protéine est essentielle à l’adaptation hypoxique et contrôle l’expression de nombreux gènes impliqués dans le métabolisme du glucose, le transport de l’oxygène, l’angiogenèse ou l’apoptose. Dans les premiers temps d’hypoxie, l’effet d’adaptation induit par HIF1α est bénéfique pour les cellules. Cependant, si l’absence d’oxygène se prolonge, HIF1α, peut pousser les cellules vers la mort. Nos travaux démontrent que Twist est capable de rendre les cellules résistantes à une hypoxie prolongée. De plus, cette activité de protection contre le stress hypoxique agit via un effet paracrine. Enfin, nos données suggèrent que cet effet est médié par une interaction directe entre les protéines Twist et HIF1α. Au final, cette étude indique que l’expression de Twist dans les cellules cancéreuses, en conférant une résistance accrue à l’environnement hypoxique, joue un rôle essentiel dans l’adaptation au stress et à l’acquisition de nouveaux phénotypes agressifs. En résumé, L’objectif principal de ma thèse était de mettre en évidence de nouvelles propriétés cellulaires des oncogènes de la famille Twist. Nos résultats démontrent que Twist par ses capacités à contrôler le stress métabolique, permet à la cellule cancéreuse de mieux s’adapter et donc survivre dans un environnement en constante évolution. Nos travaux renforcent donc la notion de l’importance de ces facteurs dans la progression tumorale.

Mots clés: Twist; Cellular stress; Ros; Hypoxia; Apoptosis; Tumorigenesis

Mots clés: Twist; Stress cellulaire; Ros; Hypoxie; Apoptose; Tumorigenèse

Domaines: Cancer

Jakub Kolodziejski. Twist proteins as oxidative and hypoxic stress regulators. Cancer. Université Montpellier, 2016. English. ⟨NNT : 2016MONTS008⟩. ⟨tel-01548334⟩