Functional and translational studies of focal adhesion turnover in invasive breast cancer

The progression of primary cancer to metastasis is the main cause of cancer-related death and represents a great clinical challenge since no effective therapies are currently available. Moreover, cellular and molecular mechanisms of metastasis formation remain only partially understood. The acquisition of cancer cell autonomous motile and invasive properties is a fundamental turning point in the progression of a solid tumor from benign to invasive state. This process is driven in part by dynamic assembly and disassembly of multiple focal adhesion (FA) proteins, which mediate cell-matrix attachments and serve as traction sites for cell locomotion. In this thesis work, we demonstrate that overexpression of ErbB2 tyrosine kinase receptor enhanced breast cancer cell migratory and invasive capacity via regulation of FA turnover. Inhibition of the Src-FAK signaling in ErbB2-positive cells by the anti-ErbB2 antibody Herceptin or following expression of RNA interference stabilize FA structures, leading to enhanced number and size of peripherally localized adhesions. Herceptin failed to regulate FA and cell invasion in cells lacking FAK or Src but gains this activity after restoration of these proteins. These results demonstrate a regulation of FA turnover by ErbB2 signaling via the Src-FAK pathway. FA proteins including FAK are coupled to cell cytoskeleton. Unlike the pro-invasive FAK, we identified the actin-binding protein, filamin A, which also regulates FA dynamics, acts as an anti-invasive protein in breast cancer cells. The expression of filamin A in human breast cancer tissues inversely correlates with breast cancer progression. In breast cancer cell lines and orthotopic breast cancer mice models, down regulation of filamin A stimulated cancer cell migration, invasion, and metastasis formation. Time-lapse microscopy and biochemical assays following filamin A silencing and rescue with wild type, or mutant filamin A protein resistant to calpain cleavage, revealed that filamin A regulates FA disassembly at the leading edge of motile cells. Moreover, filamin A downregulation enhanced calpain activity and stimulated the cleavage of FA proteins, including FAK; this mechanism can be rescued by restoration of wild type filamin A, expression of filamin 14-16 repeats containing a calpain targeting sequence, or by inhibition of ERK activation. These results document complex regulatory mechanisms of FA dynamics in invasive breast cancer cells, and open-up future directions for discovery of therapeutic approaches aimed at interfering with FA signaling to tackle invasive breast cancer.La progression de cancer primaire du sein vers des formes métastatiques demeure la principale cause de décès parmi les patients atteint de cette maladie. Ceci représente un défi clinique majeur, étant donné l'absence actuelle de traitements efficaces. De plus, les mécanismes responsables de la formation de métastases ne sont que partiellement compris. L'acquisition de la motilité autonome des cellules cancéreuses et de leurs propriétés invasives représente un point tournant fondamental de la progression d'une tumeur solide du stade bénin au stade invasif. Ce processus est régi en partie par l'assemblage et le désassemblage dynamique de protéines d'adhésion focale (AF); ces dernières assurent les communications entre cellules cancéreuses et la matrice extracellulaire en plus de servir de sites de traction pour la locomotion cellulaire. Dans ce travail de thèse, nous avons démontrés que la surexpression du récepteur de tyrosine kinase ErbB2 augmente la capacité migratoire et le potentiel invasif des cellules cancéreuses du sein en partie due a la régulation de la dynamique de l'assemblage/désassemblage de protéines FA. L'inhibition de la voie de signalisation Src-FAK dans les cellules ErbB2-positives par un anticorps anti-ErbB2 (Herceptin), ou l'expression de l'ARN d'interférence stabilise les structures AF, ce qui conduit à une augmentation du nombre et de la taille des adhésions localisées en périphérie des cellules cancéreuses. L'Herceptin s'est avérée inefficace pour réguler l'AF et l'invasion cellulaire dans les cellules dépourvues de protéines FAK ou Src, mais acquière cette capacité suite à la restauration de ces protéines. Ces résultats démontrent une régulation de la dynamique des AF par le récepteur ErbB2 via la voie Src-FAK. Les protéines AF, incluant FAK, sont étroitement liées au cytosquelette cellulaire. Dans ce contexte, nous avons démontrés que contrairement à la FAK qui est pro-invasive, la protéine filamine A qui lie l'actine et régule aussi la dynamique AF, agit comme une protéine anti-invasive dans les cellules cancéreuses du sein. L'expression de la filamine A dans les tissus cancéreux humains du sein suit une corrélation inverse avec la progression du cancer du sein. Dans les lignes des cellulles cancéreuses et les modèles de cancer chez les souris, l'inhibition de la filamine A stimule la migration des cellules cancéreuses, leur invasion, ainsi que la formation de métastases. L'imagerie microscopique de cellules vivantes combiné avec des études biochimiques à la suite de l'inhibition de la filamine A ou la restauration du type sauvage, ainsi que l'expression de forme mutante de filamine A résistante au coupures la calpaïne, a révélé que la filamine A régule le désassemblage d'AF. De plus, l'inhibition de la filamine A potentialise l'activité calpaïne et stimule les coupures des protéines AF, incluant FAK ; ce mécanisme peut être restaure par l'expression de la filamine A de type sauvage, la filamine mutée contenant une séquence cible (aa 14-16) de calpaïne, ou par inhibition de l'activation ERK. Ces résultats documentent les mécanismes complexes de régulation de la dynamique de protéines d'AF dans les cellules cancéreuses invasives, et ouvrent des horizons pour la découverte future d'approches thérapeutiques visant à interférer avec le signalement de l'AF dans le cancer invasif du sein