Metabolic alterations in non-small cell lung cancer : role of cholesterol efflux and mitophagy

Le cancer bronchique non à petites cellules (CBNPC), représentant jusqu'à 85% des cas de cancer de poumon, est la principale cause de décès par cancer dans le monde. La majorité des patients sont diagnostiqués à un stade avancé de cancer et malgré les progrès thérapeutiques, le taux moyen de survie à 5 ans est d’environ 20%. De ce fait, une meilleure compréhension de la biologie des cellules cancéreuses et l'exploration des vulnérabilités des CBNPC devraient ouvrir de nouvelles voies pour le développement de stratégies thérapeutiques. Dans ce contexte, je me suis intéressée aux altérations métaboliques des CBNPC. Ma première étude s’est portée sur le rôle de l’efflux cellulaire du cholestérol durant le développement des CBNPC. Les lipoprotéines de haute densité (HDLs), principalement constituées de l’apolipoprotéine A-I (ApoA-I) sont impliquées dans le processus d’efflux cellulaire du cholestérol dans lequel les HDLs épurent le cholestérol en excès des cellules des tissus périphériques. Ce processus implique un transport actif du cholestérol médié par les transporteurs membranaires ABC de types A1 et G1 (ABCA1 et ABCG1). Grâce à l’utilisation d’un modèle murin de cancer du poumon (CCSPCRE-ERTM/+;KrasG12D/+), nous avons pu mettre en évidence que l’invalidation spécifique des transporteurs ABCA1 et ABCG1 dans les cellules cancéreuses augmente la taille des lésions tumorales pulmonaires, ainsi que l’infiltration immunitaire vers un profil permissif. A l’inverse, l’augmentation des taux des HDLs plasmatiques grâce à la surexpression de l’ApoA-I permet d’une part de limiter l’accumulation du cholestérol pulmonaire, mais également de diminuer le développement d’adénocarcinome induit par la mutation KRASG12D. En effet, l’efflux cellulaire du cholestérol réduit l’activation des voies de signalisation de survie des cellules cancéreuses in vivo, diminuant ainsi l’expansion cellulaire. De plus, nous avons montré que l’élimination du cholestérol membranaire à l'aide de la méthyl-β-cyclodextrine induit la régression des adénocarcinomes pulmonaires établis. Les perturbations locales et systémiques des voies d'efflux du cholestérol ont été confirmé chez les patients atteints de CBNPC. Nos résultats positionnent la thérapie d’élimination du cholestérol comme une cible métabolique potentielle afin de réduire le développement des CBNPC. Ma seconde étude consista à élucider le rôle de la mitophagie durant le développement des CBNPC. L'élimination sélective des mitochondries endommagées par la machinerie de l’autophagie est cruciale afin de réguler l’activité des mitochondries, un processus appelé mitophagie. La voie de mitophagie la mieux caractérisée implique la kinase PINK1 (PTEN-induced kinase 1) et l’E3 ubiquitine ligase PARKIN. Nous avons alors exploré le rôle de la mitophagie médiée par PINK1 dans la lignée cellulaire de cancer du poumon LLC-1 et la lignée cellulaire dérivée d’adénocarcinome de souris KrasG12D/+;p53-/- (KP) in vitro et in vivo. Dans un premier temps, nous avons démontré in vitro la capacité des cellules LLC-1 et KP à éliminer les mitochondries endommagées par la mitophagie, nécessitant la formation des autophagosomes par la protéine ATG7 (autophagy related 7). Nous avons également pu mettre en évidence que les dommages mitochondriaux des cellules LLC-1 et KP stabilisent et activent PINK1, mais pas PARKIN, qui n’est pas exprimée dans ces cellules. Nous avons finalement observé que la perte de PINK1 dans les tumeurs implantées chez des souris immunocompétentes, tout comme de la perte d'ATG7, augmente la croissance des tumeurs LLC-1. D’un point de vue mécanistique, la production de cytokines inflammatoires est diminuée dans les tumeurs déficientes pour PINK1, ce qui entraîne une réduction de l'infiltration des neutrophiles. Ces résultats suggèrent que la mitophagie dépendante de PINK1 contribue au contrôle de la croissance des tumeurs pulmonaires, notamment en modulant la réponse immune anti-tumorale.Lung cancer is the leading cause of cancer death worldwide, with non-small cell lung cancer (NSCLC) accounting for up to 85% of all cases. Most of patients are diagnosed with late-stage lung cancer and despite recent advances in effective therapies such as targeted therapies and immunotherapies, the average 5-year survival rate is around 20%. Therefore, a better biological insights of cancer cells to exploit their vulnerabilities are essential to improve potential therapeutic targets and patient outcome. In this context, I got interested in metabolic alterations in NSCLC.First, I focused on the role of cholesterol efflux pathways during NSCLC development. High density lipoproteins (HDLs), mainly consisting of apolipoprotein A-I (ApoA-I), are involved in the process of cellular cholesterol efflux. HDLs remove cholesterol excess from peripheral tissue cells by active cholesterol transport, mediated by ABC transporters ABCA1 and ABCG1. Using a mouse model of lung-tumor bearing KRASG12D mutation (CCSPCRE-ERTM/+;KrasG12D/+), we identified that disruption of cholesterol efflux pathways by specific inactivation of Abca1 and Abcg1 in cancer cells promoted a pro-tolerogenic tumor microenvironment and tumor growth. Overexpression of the apolipoprotein A-I, to raise HDL levels, limited the cholesterol lung retention and protected these mice from tumor development and dire pathologic consequences. Cholesterol removal therapy with methyl-β-cyclodextrin inhalation also reduced tumor burden in progressing tumor by suppressing the proliferation and expansion of epithelial progenitor cells of tumor-origin. Local and systemic perturbations of cholesterol efflux pathways was confirmed in human lung adenocarcinoma. Our results position cholesterol removal therapy as a putative metabolic target in lung cancer progenitor cells.Next, I studied the role of mitophagy during NSCLC development. The selective elimination of damaged mitochondria by the machinery of autophagy is crucial to regulate mitochondrial activity, a process called mitophagy. The most-characterized mitophagy pathway relies on the PTEN-induced kinase 1 (PINK1) and the ubiquitin E3 ligase PARKIN. Hence, we explored the role of PINK1-mediated mitophagy in two murine lung cancer cell lines, LLC-1 and tumor-derived cell line from KrasG12D/+;p53-/- mouse (KP), in vitro and in vivo. First, we demonstrated in vitro the ability of two murine lung cancer cell lines, LLC-1 and KP cells, to remove damaged mitochondria by mitophagy following mitochondrial damages. This process requires the formation of autophagosomes by the ATG7 (autophagy related 7) protein. We also demonstrated that mitochondrial damages in LLC-1 and KP cells stabilize and activate PINK1, but not PARKIN, which is not expressed in those cells. Finally, using immunocompetent mice, we identified that disruption of PINK1-dependent mitophagy, similar to ATG7 loss as a complete autophagy/mitophagy inhibition, significantly increased LLC-1 tumor growth in vivo. PINK1-deficient tumors accumulated aberrant mitochondria and reduced inflammatory cytokines production, correlating with reduction of neutrophil infiltration. Those preliminary data suggest that PINK1-dependent PARKIN-independent mitophagy in lung cancer cells contributes to the control of lung tumor growth. We hypothesize that it may be based, at least in part, on the induction of an effective anti-cancer immune surveillance