Frontiers | CD44 : un récepteur d'adhésion de surface cellulaire multifonctionnel est un régulateur de la progression et des métastases des cellules cancéreuses | Biologie cellulaire et du développement

CD44 Introduction

Le CD44 est une glycoprotéine transmembranaire également appelée P-glycoprotéine 1. Il est codé par un seul gène sur le locus chromosomique 11p13 (Underhill, 1992 ; Iczkowski, 2010). La CD44 est exprimée de manière ubiquitaire dans tout le corps et a un poids moléculaire de 85-200 kDa (Basakran, 2015). Le CD44 standard (sCD44) est la forme conservée avec un poids moléculaire d’environ 85-90 kDa protéine qui est faite de la transcription des exons 1-5 et 16-20 qui sont épissés ensemble (Rall et Rustgi, 1995 ; Rudzki et Jothy, 1997). Les principaux domaines de la CD44 sont le domaine extracellulaire (ou ectodomaine), le domaine transmembranaire et le domaine intracellulaire/cytoplasmique (Iczkowski, 2010). Le domaine extracellulaire interagit avec le microenvironnement externe et détecte les stimuli dans le microenvironnement externe (Underhill, 1992). Le domaine transmembranaire permet d’interagir avec des cofacteurs et des protéines adaptatrices et de diriger la localisation des lymphocytes (Underhill, 1992 ; Williams et al., 2013). Le domaine intracellulaire du CD44 (CD44-ICD) présente une configuration à queue courte et à queue longue, avec des fonctions de localisation nucléaire et de médiation de la transcription (Okamoto et al., 2001 ; Williams et al., 2013). Notre compréhension actuelle du double rôle de CD44 dans la progression du cancer est résumée dans la figure 1 ci-dessous.

FIGURE 1

Figure 1. Fonction du récepteur transmembranaire CD44. Le CD44, un récepteur multifonctionnel peut contrôler les fonctions biologiques impliquées dans la dissémination des cellules cancéreuses et les métastases. Le CD44 peut être clivé séquentiellement par la métalloprotéase matricielle de type 1 de la membrane (MT1-MMP) puis par la préséniline-1/γ sécrétase induite par la liaison des ligands. Le clivage produit (1) un fragment du domaine extracellulaire (ECD). (2) un peptide similaire au CD44β ou domaine transmembranaire (TMD), et (3) un fragment de domaine intracellulaire CD44 (ICD). Le CD44-ICD se transloque dans le noyau pour activer la transcription de gènes importants pour les métastases et la survie cellulaire. Adapté de Thorne et al., 2004.

Isoformes de CD44

De multiples isoformes de CD44 peuvent être générées en raison de l’insertion d’exons alternatifs à des sites spécifiques du domaine extracellulaire (Cichy et Puré, 2003). Les isoformes variantes de CD44 (CD44v) comprennent l’exon 6-15 épissé à différents sites entre les exons 5 et 16 de l’isoforme standard (Goodison et al., 1999 ; Zeilstra et al., 2014). L’expression d’isoformes CD44 distinctes semble être nécessaire à la progression des tumeurs humaines (Günthert et al., 1995 ; Wang et al., 2009). Une ou plusieurs variantes d’épissage et la CD44 standard peuvent être exprimées dans les cellules cancéreuses. Il existe une probabilité accrue d’exprimer des isoformes plus importantes comme celle de CD44v8-10 dans les cancers du pancréas (Rall et Rustgi, 1995) et de CD44v6 dans le cancer colorectal (Yamane et al., 1999). L’expression de CD44v6 est bien connue comme un marqueur utile de la progression tumorale et du pronostic dans le cancer colorectal (Yamane et al., 1999). Dans les surnageants de culture de lignées cellulaires de cancer de la prostate dérivées de métastases osseuses (PC3), le CD44 soluble et l’isoforme variante 6 (v6) ont été identifiés, mais pas dans la lignée cellulaire de cancer de la prostate métastatique au niveau des ganglions lymphatiques (LNCaP, Stevens et al., 1996 ; Desai et al., 2009 ; Gupta et al., 2012). Le passage du CD44 standard au CD44v6 a amélioré la survie et l’adhésion des cellules de cancer de la prostate (PC3) (Gupta et al., 2013b). L’expression de CD44v6 dans le cancer colorectal est renforcée par l’expression des cellules souches cancéreuses (Todaro et al., 2014).

Expression de CD44 dans les cellules normales et tumorales

La molécule de surface cellulaire transmembranaire ubiquitaire CD44 est largement distribuée dans les tissus adultes et fœtaux normaux. L’isoforme standard de CD44 a été isolée à l’origine des cellules hématopoïétiques, mais on la trouve maintenant dans une variété de tissus, par exemple le système nerveux central, les poumons et l’épiderme. En comparaison, la distribution des isoformes variantes de CD44 est restreinte et exprimée sur une sélection de cellules épithéliales (Sneath et Mangham, 1998). Les isoformes à distribution restreinte et à séquence d’exon peuvent avoir des fonctions différentes par rapport à l’isoforme standard de CD44. Les kératinocytes, les macrophages et certaines cellules épithéliales expriment la variante de l’isoforme CD44 (CD44v) et sont présents dans les tissus à divers stades de développement (Sneath et Mangham, 1998). Dans les tissus normaux, l’importance de CD44 est vitale dans la régulation du métabolisme hyaluronique, l’activation des lymphocytes et la libération de cytokines. Cependant, le ciblage du CD44 entraînant sa perte conduit à la perturbation du métabolisme hyaluronique, de la cicatrisation et de la prolifération des kératinocytes (Yu et Stamenkovic, 1999). Parmi les nombreuses fonctions du CD44, l’une d’entre elles est de rendre des lignées cellulaires non métastatiques plus métastatiques (Heider et al., 1993). Les détails qui confèrent au CD44 un potentiel métastatique dans les malignités humaines font l’objet d’une élucidation plus poussée. Les cellules prostatiques bénignes expriment davantage les isoformes de la variante 5 de CD44 (CD44v5), tandis que les cellules prostatiques néoplasiques expriment des niveaux plus élevés de CD44s (Dhir et al., 1997 ; Desai et al., 2009 ; Gupta et al., 2013a). Diverses cellules cancéreuses du sein présentent une expression anormale de CD44, y compris des isoformes de CD44 exprimant de manière hétérogène (Basakran, 2015).

Interaction récepteur-ligand de CD44

Le CD44 est connu pour interagir avec divers ligands et cette interaction est cruciale pour ses nombreuses fonctions cellulaires (Goodison et al., 1999). Il existe plusieurs ligands bien connus de la CD44, notamment l’acide hyaluronique (HA), l’ostéopontine (OPN), les collagènes et les métalloprotéinases matricielles (MMP) (Goodison et al., 1999). Les effets du CD44 sur la migration et la croissance cellulaire dépendent de sa spécificité aux ligands (Weber et al., 1996).

Hyaluronan (HA)

L’HA est un glycosaminoglycane qui est un composant ubiquitaire de la membrane extracellulaire. Il est considéré comme le principal ligand du CD44 et peut lier les isoformes CD44v qui sont exprimées de manière ubiquitaire. En se liant au CD44, l’HA peut activer le cytosquelette et la signalisation des métalloprotéinases matricielles (MMP) impliquées dans la progression tumorale (Bourguignon et al., 2014). Plusieurs régions du domaine cytoplasmique de CD44 peuvent favoriser l’amélioration de la liaison de l’HA, cependant, le rôle du domaine cytoplasmique dans la médiation de la liaison ne nécessite pas une séquence d’acides aminés spécifique dans les cellules de lymphome T (Perschl et al., 1995). L’HA peut exister sous forme de poids moléculaire élevé ou de faible poids moléculaire en raison de son clivage en différentes tailles. Dans les lignées cellulaires du cancer du sein, l’HA de haut poids moléculaire est impliqué dans la tumorigenèse, les réponses antiangiogéniques et anti-inflammatoires. Cependant, il a été démontré que l’HA de faible poids moléculaire favorise la motilité cellulaire, le clivage du CD44 et l’angiogenèse. Par conséquent, la taille du ligand HA est importante pour la fonction biologique (Louderbough et Schroeder, 2011).

Osteopontin (OPN)

Plusieurs études ont démontré une expression élevée de l’OPN dans les cancers humains métastatiques hautement invasifs (Tuck et al., 2007). Les intégrines αvβ3 et CD44 sont des récepteurs de l’OPN et peuvent interagir avec l’αvβ3 par le biais de sa séquence de liaison cellulaire fonctionnelle arginine-glycine-acide aspartique (RGD) (Thalmann et al., 1999 ; Desai et al., 2007). La croissance et la progression du cancer de la prostate sont médiées par la signalisation paracrine et autocrine de l’OPN (Thalmann et al., 1999). L’interaction CD44-OPN induit la migration des cellules hors de la circulation sanguine vers les sites d’inflammation. La migration des cellules et l’invasion ultérieure de sites distants impliquent une séquence complexe d’événements (Weber et al., 1996). Les isoformes variants de CD44 se lient à l’OPN indépendamment des séquences RGD présentes dans le domaine N-terminal de CD44 (Katagiri et al., 1999). La liaison de l’OPN aux variantes de CD44/à l’intégrine contenant du bêta1 favorise la propagation, la motilité et le comportement chimiotactique des cellules dans le carcinome pancréatique de rat (Katagiri et al., 1999). L’OPN augmente l’expression de surface du CD44 standard (sCD44) dans les ostéoclastes et des isoformes sCD44 et variantes dans les mélanomes humains et les cellules PC3 (Chellaiah et al., 2003 ; Samanna et al., 2006 ; Desai et al., 2007). La régulation par l’ostéopontine de l’expression de surface de CD44v6 et de sCD44 a été observée dans des cellules de cancer du sein et de cancer hépatocellulaire (Gao et al., 2003 ; Khan et al., 2005).

Métalloprotéases matricielles (MMPs)

Les métalloprotéases matricielles (MMPs) sont des protéines importantes de la matrice extracellulaire qui sont impliquées dans la dégradation de la matrice extracellulaire. Elles sont également importantes pendant le développement, la cicatrisation des plaies, la résorption osseuse et l’angiogenèse (Paiva et Granjeiro, 2014). Il existe des preuves suggérant que MMP-9 et CD44 s’associent dans les cellules tumorales de souris et d’humains, ce qui entraîne la localisation de l’activité de MMP9 à la surface des cellules (Yu et Stamenkovic, 1999 ; Gupta et al., 2013a). L’interaction de CD44 et de la forme protéolytique de MMP-9 est particulièrement impliquée dans l’invasion des cellules cancéreuses de la prostate (PC3) dérivées de métastases osseuses (Desai et al., 2007). Par conséquent, la capacité du CD44 à localiser la MMP-9 protéolytiquement active à la surface des cellules tumorales est importante pour l’invasion tumorale (Yu et Stamenkovic, 1999).

Rôle du CD44 dans la migration/invasion, l’angiogenèse et les métastases osseuses

Migration et invasion

Le récepteur CD44 a le potentiel d’intégrer des activités adhésives et de signalisation pour moduler les processus de migration/invasion au cours de la progression du cancer (Lokeshwar et al, 1995). Les mécanismes par lesquels les récepteurs CD44 médient la migration, la prolifération et la survie des cellules tumorales par le biais de la signalisation médiée par l’HA ont été largement étudiés (Bourguignon et al., 1998, 2001, 2004 ; Kuniyasu et al., 2001 ; Wang et Bourguignon, 2006a,b ; Wang et al., 2009). Les changements de forme des cellules et la formation de structures adhésives sont régis par la régulation dynamique du cytosquelette d’actine. La régulation dynamique du cytosquelette d’actine et les structures spécialisées impliquées dans la migration sont régulées par la localisation temporelle et spatiale des protéines de liaison à l’actine (Chellaiah et al., 2000 ; Linder et Aepfelbacher, 2003 ; Desai et al., 2008). L’expression de surface de CD44 et son interaction avec la métalloprotéinase 9 (MMP9) à la surface de la cellule entraînent la sécrétion de MMP9 active, la migration et l’invasion des cellules PC3 (Desai et al., 2007, 2008 ; Gupta et al., 2013a). La perturbation de l’interaction CD44/MMP9 à la surface des cellules réduit la migration et l’invasion des cellules PC3. Lorsque MMP9 est éliminé, l’expression de CD44 passe à la variante 6 (v6) de l’isoforme. Il en résulte un phénotype moins invasif en raison du manque d’expression de sCD44 et de l’incapacité à former des invadopodes (Gupta et al., 2013a). L’expression de CD44v6 est inversement corrélée au stade pathologique et à la progression de la maladie et positivement corrélée à la survie sans PSA dans le cancer de la prostate (Ekici et al., 2002). Cependant, il a été démontré que l’expression de CD44v6 dans des cellules non métastatiques de carcinome de rat les transforme en cellules métastatiques et favorise la progression de la tumeur (Günthert et al., 1991 ; Seiter et al., 1993). En outre, il a été démontré que le CD44v3 régulait à la hausse la fonction du cytosquelette par l’intermédiaire de l’ankyrine pour activer le complexe contractile de l’actomyosine afin de médier la migration cellulaire dans la lignée cellulaire du carcinome squameux de la tête et du cou. La transfection de l’ADNc v3 dans des lignées cellulaires qui ne l’expriment pas a également entraîné une augmentation significative de la migration cellulaire mais pas de la prolifération (Franzmann et al., 2001 ; Wang et al., 2007). Il a également été démontré que les variants de CD44 fonctionnent comme un corécepteur pour l’activation de récepteurs tyrosine kinases tumoraux favorisant la croissance (Orian-Rousseau et al., 2002, 2007).

Angiogenèse

La formation de nouveaux vaisseaux sanguins (angiogenèse) est nécessaire pour que les cellules tumorales se disséminent et migrent vers des organes distants. Des études antérieures ont identifié l’expression du CD44 sur les cellules endothéliales (Liesveld et al., 1994 ; Xu et al., 1994) et celui-ci contrôle la formation des vaisseaux sanguins (Trochon et al., 1996 ; Savani et al., 2001). L’inhibition du CD44 entraîne donc une altération de la formation de réseaux vasculaires (Savani et al., 2001 ; Cao et al., 2006). Les cellules endothéliales ont été trouvées en nombre accru dans les tissus du cancer de la prostate par rapport aux tissus normaux (Wang et al., 2013). Lorsque des souris sans CD44 ont été utilisées pour étudier les réponses angiogéniques in vivo, la cicatrisation des plaies et la vascularisation étaient toutes deux altérées dans les implants de matrigel. Par conséquent, la formation de métastases est également liée à l’expression de CD44 dans les vaisseaux (Cao et al., 2006). L’adhésion des cellules cancéreuses au système vasculaire et l’expression accrue du CD44 (CD44s et/ou CD44v) par les facteurs angiogéniques (par exemple, le VEGF) produits par les cellules tumorales pourraient faciliter l’extravasation via l’angiogenèse. En outre, le rôle de CD44 dans l’angiogenèse tumorale est renforcé par sa liaison à l’HA immobilisée (Griffioen et al., 1997). Il a été démontré que les variantes de CD44 possèdent des domaines de liaison pour divers facteurs de croissance, notamment le facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGF), le facteur de croissance basique des fibroblastes se liant à l’héparine et le facteur de croissance épidermique se liant à l’héparine (Bourguignon et al., 1998, 1999 ; Kalish et al., 1999). L’analyse de microréseaux tissulaires et de lysats de cellules tumorales prostatiques a montré que l’expression de l’OPN et du VEGF était plus prononcée dans le cancer de la prostate que dans les tissus prostatiques bénins ou normaux. Il a été suggéré qu’une augmentation du nombre de micro-vaisseaux et de l’expression de CD44 pourrait être des marqueurs diagnostiques utiles des métastases du cancer du sein (Ozer et al., 1997).

Métastases osseuses

La capacité des cellules cancéreuses du sein et de la prostate à métastaser dans les os repose sur leur capacité à s’arrêter sur l’endothélium de la moelle osseuse, à y adhérer et à s’extravertir à travers celui-ci dans la matrice osseuse sous-jacente (Draffin et al., 2003). Dans les cellules cancéreuses de la prostate, l’adhésion sélective de ces cellules à l’épithélium de la moelle osseuse repose sur le rôle des propriétés adhésives des récepteurs des intégrines. Les cellules cancéreuses de la prostate ont été impliquées dans une forte interaction avec les cellules endothéliales de la moelle osseuse (Draffin et al., 2004). Il existe actuellement une dissension entre les données cliniques et expérimentales dans la littérature concernant l’importance de la sCD44 dans la progression de la maladie du cancer du sein. Une étude récente suggère que les modèles de cancer du sein montrent l’expression des isoformes CD44 standard et variante qui augmentent la progression de la maladie et le comportement métastatique (McFarlane et al., 2015). HA et CD44 se colocalisent dans l’épithélium sinusoïdal de la moelle osseuse, qui est un site de métastases du cancer du sein. Cela suggère la contribution de l’HA-CD44 à l’efficacité des métastases distantes vers les os dans les cellules de cancer du sein (McFarlane et al., 2015). Les cellules produisant de faibles niveaux de CD44 ont une plus faible capacité à former une sphère tumorale in vitro. En outre, CD44 est un marqueur des cellules souches cancéreuses (Jaggupilli et Elkord, 2012 ; Cho et al., 2015 ; Stivarou et Patsavoudi, 2015) et les cellules souches cancéreuses exprimant CD44 augmentent la probabilité de métastases osseuses par son interaction avec HA. Par conséquent, l’interaction CD44-HA pourrait être une cible potentielle pour réduire les métastases osseuses. Il a également été démontré que la signalisation CD44 dans les cellules cancéreuses de la prostate régulait des protéines clés (c’est-à-dire RANKL et MMP9) impliquées dans la différenciation des ostéoclastes et les métastases tumorales (Gupta et al., 2012). Runx2 est un facteur de transcription principal qui joue un rôle important dans la différenciation des ostéoblastes. La transcription de nombreux facteurs liés aux ostéoblastes et à la formation osseuse, tels que l’OPN, l’ostéocalcine et le collagène de type I, est régulée par Runx2 (Akech et al., 2010).

Rôle du CD44 en tant que facteur transcriptionnel

Le clivage protéolytique qui se produit au niveau du domaine extracellulaire libérant le CD44 soluble est reconnu depuis longtemps. Cependant, des études récentes ont montré que le CD44 peut subir un autre traitement protéolytique séquentiel par les métalloprotéases matricielles de type 1 de la membrane (MT1-MMP) et la préséniline-1/y-secrétase pour produire les fragments du domaine extracellulaire et du domaine intracellulaire (DIC). Le clivage par la préséniline-1/y-secrétase se produit au niveau du site intramembranaire, libérant deux produits de clivage de ~25 et ~16 kDa. Le CID de 12 kDa se transloque vers le noyau pour activer la transcription de plusieurs protéines, dont la CD44 elle-même (Okamoto et al., 2001 ; Nagano et Saya, 2004 ; Thorne et al., 2004). Par conséquent, si ce clivage peut être inhibé par des inhibiteurs de métalloprotéases, il peut servir de moyen thérapeutique pour prévenir la progression des tumeurs et les métastases (Nagano et Saya, 2004). La translocation du CD44-ICD vers le noyau initie le processus de régulation transcriptionnelle via sa liaison à un nouvel élément de réponse du promoteur, régulant ainsi la transcription de plusieurs gènes impliqués dans la survie cellulaire en cas de stress, d’inflammation, de glycolyse oxydative et d’invasion tumorale (Okamoto et al., 2001 ; Miletti-González et al., 2012). Cela suggère un mécanisme pour le rôle multifonctionnel de CD44 dans les métastases et le métabolisme des cellules cancéreuses (Miletti-González et al., 2012). La translocation nucléaire du domaine intracellulaire a également montré qu’elle interagissait avec les facteurs de la souche (Cho et al., 2015). CD44-ICD est lié à la régulation du gène MMP-9 dans les cellules cancéreuses de la prostate et du sein par son interaction avec le facteur de transcription RUNX2 (Miletti-González et al., 2012).

Conclusions

La glycoprotéine multifonctionnelle CD44 peut subir des événements d’épissage alternatif pour produire des isoformes variantes de CD44 qui sont plus restreintes dans leur distribution par rapport aux isoformes standard de CD44 (Rall et Rustgi, 1995). Cette protéine de surface cellulaire exprimée de façon ubiquitaire est principalement impliquée dans l’agrégation, la migration et l’activation des cellules, ces fonctions étant médiées par les propriétés adhésives du CD44 (Heider et al., 1993). Initialement décrite pour les cellules souches hématopoïétiques, elle a depuis été confirmée comme marqueur des cellules souches cancéreuses (Bourguignon et al., 1998). Le CD44 interagit avec une variété de ligands et peut subir un traitement protéolytique séquentiel aboutissant à la génération du CD44-ICD. On sait que le CD44-ICD se transloque dans le noyau pour activer la transcription des gènes (Okamoto et al., 1999). Bien que les informations fournies ici constituent une revue complète de la littérature jusqu’à présent, il existe un certain discours sur l’effet du DIC comme principal modulateur des événements métastatiques dans les cancers. Pour étayer davantage l’effet de CD44 dans les métastases, des recherches sur les spécificités devront être complétées pour répondre à cette question.

Contributions des auteurs

LS et MC ont rédigé le manuscrit et ont contribué de manière égale à l’édition et à la réécriture du contenu final.

Financement

Ce travail a été soutenu par une subvention de recherche à MC de l’Institut national de la santé – Institut national de l’arthrite et des maladies musculo-squelettiques et cutanées (5R01AR066044).

Déclaration de conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de toute relation commerciale ou financière qui pourrait être interprétée comme un conflit d’intérêts potentiel.

Akech, J.., Wixted, J. J., Bedard, K., van der Deen, M., Hussain, S., Guise, T. A., et al. (2010). Association de Runx2 avec la progression du cancer de la prostate chez les patients : mécanismes médiateurs de l’ostéolyse osseuse et des lésions métastatiques ostéoblastiques. Oncogene 29, 811-821. doi : 10.1038/onc.2009.389