Sémaphorines et cancers : état des lieux Semaphorins and cancers : an up'dating

Résumé

Les sémaphorines jouent un rôle central dans le guidage axonal, la régénération axonale chez l'adulte et le développement de certains tissus. De plus, la découverte de leur implication dans l'angiogenèse et la réponse immunitaire indique une fonction beaucoup plus large de ces protéines. En 1996, trois études concomitantes ont permis de cloner les gènes codant pour deux de ces protéines, SEMA3B et SEMA3F, dans la région 3p21.3 qui subit de fréquentes pertes d'hétérozygotie dans les cancers du sein et du poumon. L'hypothèse avait alors été émise selon laquelle ces gènes pouvaient être des suppresseurs de tumeurs. Les études ultérieures ont confirmé ce rôle. à l'inverse, d'autres sémaphorines stimuleraient la croissance tumorale. Cet article fait le point sur les dernières connaissances acquises concernant le rôle des sémaphorines dans les cancers. Il souligne en particulier les propriétés anti-migratoires et anti-angiogéniques de ces molécules, qui pourraient jouer un rôle déterminant dans l'inhibition de la formation de métastases.

Summary

Semaphorins, first described as axon guidance molecules, play an essential role in neural development, angiogenesis and immunological response. In 1996, two semaphorin genes, SEMA3B and SEMA3F, were isolated from chromosomal region 3p21.3 believed to contain a tumor suppressor gene based on frequent loss of heterozygosity in lung and breast cancer. Since these first studies, several semaphorins have been involved in tumor progression. Some semaphorins have been proposed to have pro-tumoral properties, whereas others have been shown to have tumor suppressive activity. This review summarizes the most recent data implicating semaphorins in cancers.

Dans cet article, seront présentés dans une première partie la famille des sémaphorines, leurs récepteurs, leur signalisation, puis leurs principales fonctions dans les tissus sains. La partie suivante traitera du rôle de certaines sémaphorines dans les cancers en tant que molécules pro- ou anti-tumorales.

Les sémaphorines : récepteurs, signalisation et fonctions

Le terme « sémaphorine » vient du grec semâ, « signal », et phoros, « qui porte », en raison du rôle de ces molécules dans le guidage axonal découvert il y a douze ans. La famille des sémaphorines compte environ 25 membres répartis en huit classes, dont une classe virale (Figure 1) [1]. Les sémaphorines peuvent être soit attachées à la membrane par un groupement glycosyl phosphatidyl inositol (GPI), soit transmembranaires ou sécrétées, mais elles possèdent toutes en commun un domaine caractéristique de 500 acides aminés riche en résidus cystéine appelé domaine « Sema ». Ce domaine est également retrouvé dans la séquence des récepteurs des facteurs de dispersion, les récepteurs Met et Ron qui participent à la régulation de l'invasion cellulaire [2]. Les premiers récepteurs des sémaphorines identifiés, les neuropilines 1 et 2 (NRP1 et NRP2), se lient spécifiquement aux sémaphorines de classe 3 [3, 4]. La partie intracytoplasmique des neuropilines est cependant extrêmement courte, et d'autres partenaires protéiques capables d'activer la signalisation des sémaphorines ont été recherchés. Les plexines ont ainsi été identifiées et longtemps proposées comme uniques molécules capables d'activer la signalisation intracellulaire des sémaphorines [2, 5]. Le modèle faisant intervenir les neuropilines dans le complexe récepteur des sémaphorines de classe 3 vient cependant d'être remis en question puisque SEMA3E, chez la souris, exerce un effet répulsif sur les cellules endothéliales en se liant directement à la plexine D1 [6]. De même, SEMA3B ne se lierait pas aux cellules exprimant NRP1 ou NRP2 seulement [6], ce qui suggère l'intervention d'autres récepteurs. Les récepteurs de la sémaphorine SEMA5A seraient également, plutôt qu'une plexine, des glycosaminoglycanes de type héparane et chondroïtine sulfates qui seraient susceptibles de convertir l'effet répulsif de SEMA5A en effet attractif sur les axones [7]. Très récemment, de nouvelles molécules impliquées dans l'adhérence cellulaire, telles que la protéine L1-CAM (pour revue, voir [8]) et les intégrines [9, 10], ont été associées au complexe récepteur des sémaphorines (Figure 2). Une fonction prépondérante des sémaphorines serait de réguler l'expression ou l'activité de protéines intervenant dans la formation de contacts intercellulaires ou de contacts entre cellules et matrice extracellulaire. La voie de signalisation de certaines sémaphorines a fait l'objet d'études approfondies, mais reste encore largement inconnue (pour revue, voir [11]) (Figure 2). Les premières molécules découvertes dans la voie de signalisation des sémaphorines sont les CRMP (collapsin response mediator proteins). Cependant, leur position exacte dans la signalisation des sémaphorines n'est pas encore établie. Les petites protéines G de la famille Rho participeraient, quant à elles, à l'activation des plexines en réponse à la liaison de sémaphorines de classe 3 à leur complexe récepteur. Des études sur une lignée cellulaire de médulloblastome [12] et de carcinome mammaire [13] suggèrent que les protéines MAPK ERK1 et ERK2, MAPK p38, GSK3 et PI3K sont, pour leur part, impliquées dans la signalisation de SEMA3A.

Figure 1

Présentation schématique des huit classes de la famille des sémaphorines.

Les sémaphorines de classe 3, qui jouent un rôle important dans les cancers, possèdent, outre le domaine Sema, un domaine de type immunoglobuline (Ig) et une partie carboxyterminale riche en acides aminés basiques. GPI : groupement glycosyl phosphatidyl inositol (selon [1]).

Figure 2

Principales molécules impliquées dans la voie de signalisation de SEMA3A et effets induits par l'activation de ces molécules.

SEMA3A entre en compétition avec le VEGF₁₆₅ pour la liaison aux neuropilines. La liaison de SEMA3A dimérisée à son complexe récepteur (incluant les neuropilines [NRP], les plexines [Plex] et éventuellement L1-CAM et les intégrines associées à la matrice extracellulaire [ECM]) favorise le recrutement ou l'activation de plusieurs molécules : NIP (NRP1-interacting protein) ; CRAM (CRMP-associated molecule) ; CRMP (collapsin response mediator protein) ; Fes ; 12/15 lipo-oxygénase ; 12(S)-HETE (12[S]- et 15[S]-hydroperoxyeicosatetraenoic acid) ; ERK 1/2 (extracellular regulated kinase) ; p38 MAPK (p38 mitogen activated protein kinase) ; Fyn ; Cdk5 (cyclin-dependant kinase) ; GSK3 (glycogen synthase kinase) ; PAK (p21-activated kinase) ; LIM-kinase ; Cofiline. Les petites protéines G de la famille Rho interviennent à la fois dans l'activation des plexines et dans la transmission du signal à la cellule (traits pointillés verts). Les différentes voies représentées (flèches pointillées rouges) seraient impliquées dans la réorganisation des cytosquelettes d'actine et de tubuline, régulant ainsi l'étalement et la migration cellulaire, et dans l'apoptose induite par SEMA3A.

D'un point de vue fonctionnel, les sémaphorines participent au positionnement des neurones, à la formation des faisceaux d'axones et au guidage des axones et des dendrites au cours du développement (pour revue, voir [14]). Chez l'adulte, les sémaphorines seraient également impliquées dans l'inhibition de la régénération axonale après lésion [15, 16]. Par ailleurs, elles seraient impliquées dans le développement du poumon, du coeur, des tissus osseux et rénal et il a été observé qu'elles jouent également un rôle central dans la réponse immunitaire chez l'adulte. Cependant, la découverte de leur rôle possible dans l'angiogenèse est probablement celle qui a motivé l'étude du rôle des sémaphorines dans les cancers. Plusieurs études d'invalidation des gènes codant pour les sémaphorines ou les neuropilines ont permis de révéler de graves altérations vasculaires et cardiaques conduisant souvent à la mort des mutants au cours du développement embryonnaire [17, 18]. Les neuropilines interagissent avec le facteur de croissance des cellules endothéliales, le VEGF₁₆₅(vascular endothelial growth factor). Cette liaison a pour conséquence d'augmenter l'affinité du VEGF₁₆₅ pour son propre récepteur, le VEGFR-2, stimulant ainsi l'angiogenèse [19]. Des études complémentaires de compétition entre VEGF et sémaphorines en culture ont révélé que certaines sémaphorines de classe 3 pourraient jouer un rôle anti-migratoire et anti-angiogénique majeur [20]. Par ces propriétés, les sémaphorines de classe 3 limiteraient la croissance tumorale et empêcheraient la diffusion de métastases.

Fonction des sémaphorines dans les cancers

Les premières études visant à tester l'implication des sémaphorines dans les cancers sont relativement récentes et ont connu un essor important ces cinq dernières années. Même si l'implication réelle des sémaphorines n'a pas été démontrée dans tous les types tumoraux étudiés, certaines d'entre elles auraient un rôle pro-tumoral alors que d'autres, au contraire, auraient un rôle anti-tumoral (Tableau I). Seule la sémaphorine SEMA4D/CD100 pourrait avoir un effet pro- ou anti-tumoral variant selon le type de tissu tumoral étudié.

Tableau I

Rôle présumé de certaines sémaphorines dans la tumorigenèse.

Seul l'effet anti-tumoral des sémaphorines de classe 3 a été validé à ce jour par des modèles animaux. L'effet pro-tumoral de certaines sémaphorines, quoique suggéré, reste à être démontré chez l'animal. CDPP : cis-diaminedichloroplatine.

Sémaphorines pro-tumorales

L'une des premières sémaphorines identifiées comme molécule pouvant avoir un rôle pro-tumoral est SEMA3C. Son expression augmente dans des lignées de carcinomes ovariens résistantes au CDDP (cis-diaminedichloroplatine) et l'induction d'une surexpression de SEMA3C dans les cellules de carcinomes ovariens augmente leur résistance au CDDP [21]. Une autre sémaphorine de classe 3, SEMA3E, est fortement exprimée dans des lignées cellulaires d'adénocarcinomes mammaires métastasiques, alors qu'elle n'est exprimée que dans 30 % des lignées cellulaires non métastasiques [22]. Une sémaphorine de classe 6 a également été impliquée dans la formation des tumeurs. Le traitement de deux lignées cellulaires de glioblastomes par l'acide rétinoïque tout-trans provoque, en effet, une diminution de l'expression de SEMA6B de sept à dix fois, ce qui suggère que cette sémaphorine serait un facteur promoteur de tumeurs [23]. Une autre sémaphorine transmembranaire, SEMA4D/CD100, serait fortement exprimée dans les leucémies lymphocytaires chro-niques [24]. Par son rôle promoteur de prolifération et inducteur de survie, SEMA4D/CD100 serait, dans ce type de leucémies, un promoteur de tumeurs. De plus, cette sémaphorine contrôle l'inva-sion cellulaire en se couplant à Met [25] et stimule l'angiogenèse [26, 27]. Enfin, certains travaux suggèrent que la sémaphorine transmembranaire de classe 5, SEMA5C, serait impliquée dans la croissance tumorale dans un modèle tumoral chez la drosophile [28]. Les études précédemment décrites suggèrent qu'il existe une corrélation entre le niveau d'expression de certaines sémaphorines et le degré d'agressivité des lignées tumorales en culture. En revanche, aucun modèle animal n'a été établi, ce qui n'a pas permis de démontrer leur rôle pro-tumoral.

Sémaphorines anti-tumorales

Si le rôle des sémaphorines pro-tumorales n'est pas encore clairement défini, celui des sémaphorines anti-tumorales, en revanche, a fait l'objet d'études récentes importantes qui ont permis de mieux comprendre leur mode d'action. Un rôle suppresseur de tumeur de deux sémaphorines de classe 3 (SEMA3B et SEMA3F) a été proposé (pour revue, voir [29, 30]) comme cela a été décrit plus haut, à la suite du clonage de leurs gènes. Cette hypothèse fut considérablement renforcée par les expériences du groupe de S. Naylor qui a montré qu'un clone P1 de 80 kb contenant le gène SEMA3F supprime la formation de tumeurs induites par des cellules A9 de fibrosarcomes murins injectées chez la souris athymique [31]. Plus récemment, l'expression de SEMA3F a été étudiée dans plus de 100 échantillons de tumeurs pulmonaires humaines et dans 50 lésions prénéoplasiques [32, 33]. Ces études ont montré que la perte d'expression de SEMA3F est un phénomène précoce dans la cancérogenèse. De plus, cette perte d'expression est inversement corrélée au degré d'agressivité des tumeurs, et quand SEMA3F reste exprimée dans les cellules transformées, elle est délocalisée dans le cytoplasme alors qu'elle est enrichie dans la membrane des cellules épithéliales pulmonaires d'un tissu sain. À l'inverse, le VEGF est surexprimé au cours du développement des tumeurs et détecté à la membrane des cellules. Ces observations nous ont ainsi amenés à proposer une compétition entre VEGF et SEMA3F pour la fixation à leurs récepteurs communs, les neuropilines. De nombreuses observations en culture sont également en faveur d'un rôle antitumoral de SEMA3F. SEMA3F réduit d'environ 30 % la capacité de cellules NCI-H1299 de carcinomes pulmonaires à former des colonies [34], et l'application de SEMA3F exogène à des lignées de carcinomes mammaires réduit leur prolifération [35]. Ces mêmes lignées, après un traitement par SEMA3F, montrent également une diminution de l'étalement ainsi qu'une réduction de l'émission de prolongements membranaires suggérant une régulation de la motilité cellulaire [35, 36]. Un gradient de SEMA3F a un effet répulsif sur les cellules migrantes qui expriment NRP2 [35]. Par ailleurs, SEMA3F provoque une diminution du nombre de contacts intercellulaires sans effet pro-migratoire. Cet effet implique une diminution de l'expression de la cadhérine E et une délocalisation dans le cytoplasme des cellules de la cadhérine E et de la β-caténine [35]. Les études in situ montrent que la surexpression de SEMA3F dans les cellules HEY de carcinomes ovariens [37], dans les cellules A9 de fibrosarcomes murins [37] ou dans les cellules HEK 293 [38] ralentit la croissance tumorale après injection chez l'animal. De plus, nous avons observé que la surexpression de SEMA3F dans les cellules H157 de carcinome pulmonaire ralentit la croissance tumorale après injection orthotopique dans le poumon de rats immunodéficients [39]. Dans les tumeurs provoquées par des cellules HEK 293 transfectées par SEMA3F, la densité vasculaire est fortement réduite [38]. Dernièrement, le groupe de M. Klagsbrun a testé les effets d'une surexpression de SEMA3F dans la lignée cellulaire SM de mélanome [40]. Lorsque ces cellules surexprimant SEMA3F sont injectées sous la peau de souris immunodéficientes, elle forment des tumeurs encapsulées dont la périphérie est entourée de fibroblastes et de collagène. De plus, aucune métastase n'est retrouvée dans le poumon et les ganglions lymphatiques des souris. à l'inverse, après injection des cellules SM témoins, les tumeurs formées ne sont pas encapsulées et une hyperplasie importante des kératinocytes qui entourent les tumeurs est observée. L'étude approfondie des tumeurs induites pas les cellules de mélanome transfectées par SEMA3F révèle une importante diminution du diamètre, du degré de ramification et de la quantité de vaisseaux au sein de ces tumeurs. Finalement, les études du groupe de G. Neufeld [38] et de celui de M. Klagsbrun [40] suggèrent que l'effet anti-tumoral de SEMA3F serait essentiellement dû à son activité anti-angiogénique.

Comme SEMA3F, et même de façon plus efficace, SEMA3B réduit la capacité des lignées tumorales pulmonaires à former des colonies en culture [34]. Cependant, alors que cela n'a pas été montré pour SEMA3F, SEMA3B induit une augmentation de l'apoptose. De plus, l'expression de SEMA3B est stimulée d'un facteur 8 par la protéine p53 et le site de liaison de p53 dans la séquence du gène SEMA3B a été identifié [41]. Récemment, il a été observé que le VEGF₁₆₅ inhibe l'effet pro-apoptotique et anti-mitotique induit par SEMA3B sur des lignées de carcinomes pulmonaires et mammaires [42]. La surexpression de SEMA3B dans des cellules HEY de carcinomes ovariens injectées à des souris immunodéficientes ralentit de manière drastique la progression tumorale [43]. Ainsi, SEMA3B, comme SEMA3F, aurait un rôle anti-tumoral, mais, à la différence de SEMA3F, SEMA3B inhiberait la croissance tumorale en stimulant l'apoptose.

Les gènes suppresseurs de tumeurs se caractérisent généralement par l'existence de nombreuses mutations. La recherche de mutations de SEMA3B et SEMA3F n'a permis de détecter que de rares mutations pour SEMA3B et aucune mutation pour SEMA3F dans des lignées tumorales pulmonaires [29, 44]. L'expression de SEMA3B serait réprimée par méthylation de l'ADN dans son promoteur [34, 45] et la reconfiguration de la chromatine semble être un élément important dans la régulation de SEMA3F.

Quant à SEMA3A, elle pourrait également avoir un rôle anti-tumoral, bien que ses effets n'aient été étudiés qu'en culture. En effet, SEMA3A induit une répulsion des cellules de la lignée DEV de médulloblastome et, après une exposition prolongée à cette sémaphorine, les cellules meurent par apoptose [12]. L'inhibition de l'expression de NRP1 ou de SEMA3A par la technique d'interférence par l'ARN augmente par ailleurs les capacités migratoires de cellules de carcinomes mammaires [46]. En revanche, SEMA3A provoque le « collapsus » des cellules de l'une de ces lignées de carcinomes mammaires [13]. In vivo, SEMA3A pourrait donc exercer un effet anti-migratoire et pro-apoptotique sur les cellules tumorales.

Enfin, la sémaphorine SEMA4D/CD100 ne serait plus exprimée à la surface des cellules lymphomateuses de lymphomes non hodgkiniens à cellules B [47]. Comme SEMA4D/CD100 favorise l'agrégation et l'adhérence des lymphocytes, il est proposé que, dans les cellules B, cette fonction serait inhibée avec la perte d'expression de SEMA4D/CD100, limitant ainsi la réponse anti-tumorale des cellules T. Dans les lymphomes non hodgkiniens, et contrairement aux leucémies lymphocytaires chroniques, SEMA4D/CD100 pourrait alors avoir un rôle anti-tumoral.

Neuropilines

Outre les sémaphorines, les neuropilines ont été impliquées dans les cancers en tant que récepteurs du VEGF. Ainsi, leur expression augmente dans les ostéosarcomes, les neuroblastomes, les cancers du poumon et les adénocarcinomes pancréatiques et du côlon. De plus, la surexpression de NRP1 dans une lignée de carcinome de la prostate provoque une augmentation de la taille des tumeurs et de leur vascularisation après injection des cellules à des rats immunodéficients [48]. Ces tumeurs fixent également une plus grande quantité de VEGF. A l'inverse, lorsque les cellules surexpriment une forme soluble de NRP1, sNRP1, capable de se lier au VEGF₁₆₅, les tumeurs formées après injection sont hémorragiques, moins vascularisées et présentent un taux d'apoptose plus élevé [49]. Les neuropilines pourraient donc être utilisées comme marqueur dans de nombreux cancers et l'augmentation de leur expression serait associée à un pronostic vital réservé.

CRMP

Une étude récente indique que le niveau d'expression de CRMP1 (collapsin response mediator protein 1) serait inversement corrélé au degré d'agressivité de tumeurs pulmonaires et que l'inhibition de son expression favoriserait l'invasion cellulaire [50]. De plus, l'expression de CRMP1 serait induite par le CTGF (connective tissue growth factor), dont le niveau d'expression diminue dans les tumeurs pulmonaires. Les CRMP, activées par les sémaphorines, joueraient donc un rôle important dans l'inhibition de la croissance tumorale.

Conclusions

Par leurs propriétés anti-migratoires et anti-angiogéniques (Figure 3), certaines sémaphorines pourraient se révéler être de bons candidats pour la recherche de nouvelles molécules anti-tumorales. Cependant, la plupart des résultats obtenus jusqu'à présent concernent surtout les sémaphorines de classe 3 pour lesquelles des modèles animaux ont été réalisés. Pour les autres sémaphorines, des corrélations entre le niveau d'expression et le degré d'agressivité des cellules tumorales ont été observées, mais aucune démonstration de leur rôle n'a été faite chez l'animal. Il est important de noter que, comme dans le système nerveux, les sémaphorines jouent un double rôle dans les cancers, promoteur ou inhibiteur de la croissance tumorale. Il faut également souligner qu'outre les sémaphorines, d'autres molécules intervenant dans le guidage axonal telles que la protéine SLIT2 [51] et son récepteur « Roundabout » ou « Robo », les éphrines [52] ou les nétrines [53] et leurs récepteurs [54] ont récemment été impliquées dans la tumorigenèse. La régulation fine de leur expression dans l'espace et dans le temps ne servirait donc pas uniquement à l'établissement et au maintien des connexions neuronales. Les études futures devront déterminer le rôle de chacune de ces molécules dans les tissus concernés.

Figure 3

Rôle anti-tumoral de SEMA3F dans le poumon.

A. L'expression de SEMA3F dans le tissu épithélial pulmonaire (cellules épithéliales en orange, cellule sécrétrice de mucus en jaune) et dans les lésions cancéreuses précoces empêcherait la migration des cellules tumorales (en bleu). B. En revanche, au cours du développement des tumeurs, la perte de SEMA3F lèverait cette inhibition. Les cellules tumorales pourraient alors franchir la membrane basale, envahir les tissus et pénétrer dans les vaisseaux sanguins (en rouge). À ce stade, l'angiogenèse est stimulée dans la tumeur.