Role of MITF and sphingolipid metabolism in cutaneous melanoma

Description

Melanoma derives from melanocytes that are responsible for skin pigmentation. It's the deadliest form of skin cancer, as it accounts for more than 80% of total deaths by cutaneous cancer despite representing only 5% of them. The prognosis of metastatic melanoma remains poor. Indeed, targeted therapies and immunotherapies were developed over the last few years, allowing an increase of patient's survival for the first time. However, more than 50% of patients are unresponsive or become resistant to these treatments. The transcription factor MITF (MIcrophthalmia-associated Transcription Factor) is a key actor of the phenotypic plasticity of melanoma cells that is involved in resistance mechanisms. Therefore, it is necessary to better understand the molecular mechanisms involved in the development and progression of melanoma, and especially which role MITF is playing in those mechanisms. Cancer cells present metabolic alterations, but in melanoma the role of lipid metabolism remains poorly investigated. Sphingolipids represent a group of bioactive lipids that exert a structural role but also allow signal transduction and regulation of important biological processes such as apoptosis, senescence, survival, inflammation and migration. Therefore, understanding the molecular mechanisms involved in sphingolipids regulation and targeting enzymes playing a role in this control might offer new therapeutic targets for melanoma. A study showed that acid ceramidase ASAH1 (N-Acylsphingosine Amidohydrolase 1), an enzyme localized in lysosomes and playing a key role in sphingolipid metabolism, is highly expressed in melanoma compared to other types of cancers. During my PhD, I focused my work on the role of ASAH1 in melanoma. Interestingly, I identified two types of melanoma cells, expressing high or low levels of ASAH1. Moreover, analysis of public databases showed that ASAH1 expression is correlated to MITF expression. I demonstrated that ASAH1 acts as a rheostat of the phenotypic switch in melanoma cells. Low expression of ASAH1 induces activation of integrin V-5-FAK signaling cascade and triggers an invasive phenotype. Furthermore, I identified ASAH1 as a new target of MITF, involving for the first time MITF in regulation of sphingolipid metabolism. On the other hand, in order to determine if SK1/S1P/S1PR axis could play a role in resistance, we studied S1PRs expression in several PLX4032-sensitive or resistant melanoma cell lines, then we modulated expression of two key enzymes (SK1 and SPL) of this metabolic axis. Our results showed that PLX4032 treatment induces a strong decrease of S1PR1/3 expression in sensitive cells only. Increasing ceramide/S1P ratio by genetic or pharmacological approach triggers the decrease of S1PR expression and inhibition of tumor growth. This effect is associated with a decrease of both MITF and BCL2 expressions. Moreover, ABT-737 potentiates the anti-tumoral activity seen when S1P-producing enzymes are blocked in resistant melanoma cells. Our results indicate that targeting the S1P/S1PR axis brings new therapeutics options to patient with a recurrent metastatic melanoma after BRAF-inhibitor treatment. To conclude, my results offer new clues regarding the involvement of the sphingolipid metabolism in the phenotypic switch and resistance of melanoma cells to targeted therapies.

Abstract (French)

Le mélanome dérive des mélanocytes qui sont responsables de la couleur de la peau. C'est la forme la plus mortelle de cancer de la peau, représentant seulement 5% de ces cancers mais entraînant plus de 80% des décès par cancers cutanés. Le pronostic du mélanome métastatique reste sombre. En effet, ces dernières années les thérapies ciblées et immunothérapies ont émergées et ont permis d'augmenter pour la première fois la survie. Malgré tout, plus de 50% des patients ne répondent pas à ces traitements ou y deviennent résistants. Le facteur de transcription MITF (MIcrophthalmia-associated Transcription Factor) est un acteur clé de la plasticité phénotypique des cellules de mélanome qui est impliquée dans les mécanismes de résistance. C'est pourquoi, il est nécessaire de continuer à comprendre les mécanismes moléculaires du développement et de la progression du mélanome et notamment le fonctionnement de MITF. Les cellules cancéreuses présentent des dérégulations métaboliques, mais dans le mélanome, le métabolisme des lipides reste méconnu. Les sphingolipides représentent un groupe de lipides bioactifs qui exercent un rôle structurel, mais aussi de transduction du signal et de régulation de processus biologiques importants tels que l'apoptose, la sénescence, la survie, l'inflammation et la migration. Par conséquent, comprendre les mécanismes moléculaires impliqués dans la régulation des sphingolipides et cibler les enzymes impliquées dans ce contrôle pourraient offrir de nouvelles cibles thérapeutiques. Une étude a montré que la céramidase acide ASAH1 (N-Acylsphingosine Amidohydrolase 1), une enzyme localisée aux lysosomes et jouant un rôle clé dans le métabolisme des sphingolipides, présente la plus forte expression dans le mélanome comparée à d'autres types de cancers. Au cours de ma thèse, je me suis intéressée à l'étude du rôle d'ASAH1 dans le mélanome. De façon intéressante, mes travaux ont identifié l'existence de deux groupes de cellules de mélanome, exprimant un fort ou un faible niveau d'ASAH1. De plus, l'analyse de bases de données publiques a montré que l'expression d'ASAH1 était corrélée avec celle de MITF. J'ai montré qu'ASAH1 agit comme un rhéostat du changement phénotypique des cellules de mélanome. La faible expression d'ASAH1 induit l'activation de la cascade de signalisation intégrines V-5-FAK et un comportement invasif. De plus, j'ai identifié ASAH1 comme une nouvelle cible de MITF, impliquant ainsi pour la première fois MITF dans la régulation du métabolisme des sphingolipides. D'autre part, afin de déterminer si l'axe SK1/S1P/S1PR pouvait jouer un rôle dans la résistance, nous avons étudié l'expression des S1PRs dans plusieurs lignées de mélanome sensibles ou résistantes au PLX4032, et modulé l'expression de deux enzymes (SK1 et SPL) de l'axe du métabolisme des sphingolipides. Nos résultats ont révélé que le traitement au PLX4032 induisait une forte diminution d'expression des S1PR1/3 dans les cellules sensibles uniquement. L'augmentation du ratio céramide/S1P par approche génétique ou pharmacologique permet la diminution d'expression des S1PR ainsi que l'inhibition de la croissance tumorale. Cet effet est associé à une diminution d'expression de MITF et BCL2. De plus, l'ABT-737 potentialise l'activité anti-tumorale observée lorsqu'on bloque les enzymes produisant la S1P dans les cellules de mélanome résistantes. Nos résultats indiquent que le ciblage de l'axe S1P/S1PR apporte de nouvelles options thérapeutiques pour les patients atteints de mélanome métastatique en récidive après un traitement par l'inhibiteur de BRAF. En conclusion, mes résultats offrent de nouveaux indices concernant l'implication du métabolisme des sphingolipides dans la transition phénotypique et la résistance des cellules de mélanome à des thérapies ciblées.

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