Exploration des fonctions de la lysine méthyltransférase SMYD2 dans la dissémination métastatique du cancer du sein

SMYD2 lysine methylation signaling in breast cancer metastasis

• Auteur / Autrice : Alexandre Casanova
• Direction : Pierre Hainaut, Nicolas Reynoird
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie du développement oncogenèse
• Date : Soutenance le 25/11/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe de recherche Pathologie moléculaire des cancers et biomarqueurs (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut pour l'avancée des biosciences (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Ghezzi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Hainaut, Thierry Dubois, Laurent Blanchoin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jonathan Weitzman, Céline Vallot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cytosquelette

Lysine

Méthylation

Mots clés libres

Signalisation cellulaire

Méthylation

Cancer

Smyd2

Metastase

Cytosquelette d'actine

Cancer

Signaling

Methylation

Smyd2

Metastasis

Actin cytoskeleton

Résumé

La méthylation des lysines est une modification post-traductionnelle participant à une régulation dynamique et précise des voies de signalisation cellulaire. Initialement caractérisée au sein des histones et associée à différents mécanismes épigénétiques, la méthylation des lysines est aujourd’hui connue pour affecter l’ensemble du protéome. Au cours des vingt dernières années, les exemples démontrant le rôle essentiel de cette signalisation au cours de processus biologiques fondamentaux se sont multipliés. Par conséquent, la dérégulation des différents acteurs de cette signalisation a été causalement impliquée dans de nombreuses pathologies humaines, telles que les maladies neurodégénératives et les cancers.Au sein de cette signalisation, nous retrouvons les acteurs pouvant influer sur l’abondance de cette marque, c’est-à-dire les lysine-méthyltransférases, apposant le groupe méthyl sur la lysine, et les lysine-déméthylases, assurant son éviction. Le signal porté par le groupe méthyl est généralement transduit en réponse biologique par différentes classes de protéines, pouvant spécifiquement interagir avec cette modification, que l’on appelle les lecteurs.Au cours de ma thèse, je me suis intéressé à la lysine méthyltransférase SMYD2. Cette enzyme, du fait de sa nature promiscuiste, c’est-à-dire pouvant accommoder un grand nombre de substrats, représentait un défi particulièrement intéressant. Par ailleurs, les différents rapports faisant état de sa dérégulation au cours de la tumorigénèse, en particulier mammaire, laissaient transparaître son fort potentiel thérapeutique. Le leitmotiv qui a rythmé les différentes étapes de ma thèse s’est donc orchestré autour de l’étude du rôle de SMYD2 au cours de la progression du cancer du sein.J’ai pu observer in vivo que SMYD2 n'influençait pas la croissance tumorale primaire, mais était en revanche un facteur essentiel durant la dissémination métastatique du cancer du sein. L’exploration des différents substrats de SMYD2 par protéomique a permis de mettre en évidence la protéine BCAR3, comme acteur principal dans cette fonction pro-métastatique. Mécanistiquement, j’ai montré que la méthylation de BCAR3 servait de point d’ancrage à une famille de remodeleurs du cytosquelette d’actine, les FMNLs. Via des analyses structurales, l’existence d’un nouveau domaine de lecture des lysines méthylées, situé sur le domaine régulateur des FMNLs, a été mis en évidence. Et en effet, cet ancrage à BCAR3 méthylé participait à réguler la localisation des FMNLs, en les concentrant au niveau du lamellipode, une structure essentielle à la migration mésenchymateuse. J’ai pu montrer par la suite que cette signalisation contribuait à promouvoir les capacités invasives des cellules tumorales mammaires et accélérer leur dissémination métastatique in vivo. Enfin, le potentiel thérapeutique de l’inhibition pharmacologique de SMYD2 a été démontré dans le cadre de la prévention des métastases. L’inhibition de SMYD2 dans différents modèles, notamment de xénogreffes dérivées de patientes, permettait en effet de prévenir la colonisation métastatique des cellules tumorales.Au cours de ma thèse, j’ai donc caractérisé une signalisation par méthylation des lysines complète, un axe impliquant les protéines SMYD2-BCAR3-FMNLs, et son rôle central dans la dissémination métastatique mammaire. Le nouveau domaine de lecture de la méthylation sur les formines FMNLs fera l’objet d’analyses structurales plus poussées afin de mettre au point des molécules pouvant bloquer cette fonction, telles que des peptidomimétiques. L’utilisation de la méthylation de BCAR3 comme biomarqueur dans les cancers agressifs sera également à l’étude. Enfin, le potentiel thérapeutique et préventif de l’inhibition de SMYD2 dans la lutte contre les métastases sera poursuivi dans des analyses précliniques et translationnelles.

Lysine methylation is a post-translational modification participating to finely regulate cell signaling pathways. While initially restricted as a histone modification and associated to epigenetic phenomena, lysine methylation has been recently recognized as a modification broadly affecting the proteome. In the last years, there were a growing amount of evidence highlighting the essential role of this modification in many fundamental processes. Thus, the deregulation of actors regulating lysine methylation is a frequent event in human pathologies, as neurodegenerative diseases, and cancers.Actors of lysine methylation signaling include lysine methyltransferases, the writers, that can transfer the methyl moiety on lysine residues, and lysine demethylases, the erasers, that have the capacity to remove the methyl. The biological meaning of lysine methylation generally relies on the ability of some proteins, called readers, to specifically dock to the methylated lysine and to transduce a proper response.During my thesis, I focused my interest in the lysine methyltransferase SMYD2. Structural studies told us that SMYD2 is a promiscuous enzyme able to potentially accommodate a wide range of substrates. Moreover, several reports have suggested that SMYD2 expression is deregulated during tumorigenesis and particularly during breast cancer. Therefore the outline of my work was to decipher the role of SMYD2 during breast cancer progression.First, I observed that SMYD2 did not affect primary tumor growth in a mouse model of breast cancer. Rather, SMYD2 was essential to efficiently drive breast cancer metastatic dissemination. I explored the lysine methylome of SMYD2 using SILAC-proteomics and I found the protein BCAR3 as a genuine substrate of SMYD2 and a decisive mediator of this pro-metastatic function. Mechanistically, I showed that BCAR3 methylation acts as a docking site of a family of actin remodellers, the formins FMNLs. Structural studies highlighted the presence of a potential new lysine methyl binding (reader) domain of lysine methylation, located on regulatory domains of FMNLs. Indeed, the anchoring to methylated BCAR3 regulated FMNLs’ ability to accumulate in lamellipodia, a cellular structure essential for mesenchymal cell migration. Then, I found that this signalization promoted cell migration and invasiveness of breast cancer cells, ultimately accelerating metastatic dissemination. Finally, I demonstrated the therapeutic interest to inhibit SMYD2 with as small molecule as SMYD2 inhibition in different in vivo models, including patient-derived xenograft, efficiently prevented metastatic dissemination.Overall, I characterized a new lysine methylation signaling – SMYD2 / BCAR3 / FMNLs axis – involved in breast cancer metastasis. The novel lysine methyl binding domain will be analyzed more thoroughly with additional structural studies in order to design small molecules that could block it, like peptidomimetics. Moreover, we will challenge the idea that BCAR3 methylation might be used as a prognostic or predictive biomarker of cancer aggressiveness. Finally, the therapeutic potential of SMYD2 inhibition to fight metastasis will be followed-up in preclinical and translational studies.