Modifications de l'ARN mitochondrial : Un acteur crucial dans la plasticité métabolique lors de la métastase des cellules cancéreuses

La capacité des cellules tumorales à se propager et à métastaser vers des tissus normaux représente un défi redoutable dans la quête pour guérir le cancer. Le reprogrammation métabolique, souvent illustrée par l'effet Warburg, est au cœur de ce processus. Alors que les cellules normales s'engagent principalement dans la phosphorylation oxydative lorsque l'oxygène est disponible et dans la glycolyse en son absence, les cellules tumorales optent pour la glycolyse même en présence d'oxygène. Cependant, cette préférence métabolique n'exclut pas l'existence de la phosphorylation oxydative dans les cellules tumorales. Au contraire, les cellules tumorales présentent une plasticité métabolique remarquable, leur permettant de s'adapter à des environnements hostiles, de maintenir une stabilité métabolique et, finalement, de prospérer, de métastaser et de persister.

Les mitochondries servent de centres névralgiques pour la production d'énergie, la synthèse de substances et la transduction de signaux au sein des cellules. Les recherches indiquent que le génome mitochondrial code 22 tARN essentiels pour les 13 sous-unités du complexe de la chaîne respiratoire. Ces tARN subissent plus de 90 modifications, et toute suppression ou mutation des enzymes responsables de la modification des tARN peut perturber l'efficacité de la synthèse protéique et divers processus cellulaires, conduisant au développement de nombreuses maladies.

Une étude révolutionnaire menée par des chercheurs du Centre allemand de recherche sur le cancer, publiée dans Nature, a mis en lumière le rôle crucial des modifications de l'ARN mitochondrial dans la formation de la plasticité métabolique durant la métastase. Cette étude souligne que les modifications spécifiques de l'ARN jouent un rôle central dans le processus métastatique et offrent une voie prometteuse pour limiter le potentiel métastatique des tumeurs. Notamment, les modifications m5c et f5c au site 34 du tARN mitochondrial, codant la méthionine, émergent comme des régulateurs clés du métabolisme mitochondrial, fournissant l'énergie nécessaire pour entraîner la reprogrammation métabolique.

Modification de la cytosine dans le tARN-Met mitochondrial

Dans leur enquête, les auteurs ont initié leur exploration de la méthylation et de la formylation du tARN mitochondrial en utilisant les techniques BS-Seq et fCAB-seq. Leurs résultats ont révélé que parmi tous les tARN mitochondriaux, le tARN-Met portait exclusivement la modification f5C. Pour déterminer les niveaux de f5C, les données fCAB-seq ont été soustraites des résultats BS-seq, et les auteurs ont calculé ces niveaux en soustrayant les cytosines protégées par bisulfite des sites protégés par l'éthylhydroxylamine.

Pour approfondir, les auteurs ont utilisé deux ARN courts en épingle (shARN) distincts dans quatre échantillons de carcinome épidermoïde oral (OSCC). Par conséquent, ils ont observé une augmentation remarquable d'environ 8 fois de la cytosine non modifiée à la position C34 lorsque la méthyltransférase NSUN3 était épuisée dans ces lignées cellulaires OSCC. Notamment, une modification minimale de f5C a été détectée dans le tARN-Met mitochondrial après l'épuisement de NSUN3.

Détection de m5C et f5C dans les tARN mitochondriaux. (Delaunay et al., 2022)

m5C régule la fonction mitochondriale

Les résultats de l'étude ont montré une diminution substantielle de la synthèse protéique de novo dans les mitochondries dépourvues de NSUN3, comme en témoignent les expériences de quantification de la synthèse protéique. Par conséquent, l'hypométhylation du tRNAMet mitochondrial a conduit à une régulation à la baisse des niveaux de protéines des gènes codés par les mitochondries. Pour évaluer comment le métabolisme mitochondrial s'adapte à cette réduction de la synthèse protéique, les auteurs ont réalisé une analyse par spectrométrie de masse pour quantifier les métabolites du cycle de l'acide tricarboxylique (TCA). Après avoir réduit l'expression de NSUN3, l'étude a observé des réductions modestes dans la plupart des métabolites du TCA, reflétant les effets de l'épuisement de NSUN3. De plus, les niveaux de métabolites du TCA étaient plus bas dans les cellules dépourvues de méthylation. Par conséquent, la respiration maximale a diminué lorsque le tRNAMet était peu modifié, et les cellules cancéreuses déficientes en NSUN3 présentaient un taux d'acidification extracellulaire basal (ECAR) globalement plus élevé.

Le m5C mitochondrial contrôle le métabolisme énergétique dans les cellules tumorales. (Delaunay et al., 2022)

La modification m5C dans les mitochondries favorise l'invasion tumorale

La coloration immunologique pour les marqueurs mitochondriaux, spécifiquement MtCO1 et MtCO2, a révélé leur forte expression au sein de la population cellulaire basale CD44+. Ces cellules CD44+ se caractérisent notamment par une faible différenciation et un potentiel prolifératif accru, étant donc considérées comme des cellules précurseurs métastatiques.

Dans un effort pour élucider l'impact de l'inhibition de la formation de m5C mitochondrial sur la prolifération et l'invasion cellulaire, l'équipe de recherche a généré des cultures 3D de cellules de carcinome épidermoïde oral (OSCC). Notamment, après avoir silencié NSUN3 et par conséquent inhibé la modification de m5C, les dimensions des clusters cellulaires ressemblant à des tumeurs sont restées pratiquement inchangées, signifiant que la prolifération cellulaire est restée inchangée.

Un intérêt particulier se porte sur CD44 et CD36, qui servent de marqueurs pour les cellules initiatrices métastatiques dans le cancer oral humain. Notamment, CD36 est localisé à la membrane mitochondriale externe. L'enquête subséquente a exploré la co-expression de CD44 et CD36, éclairant l'association entre les cellules initiatrices et la fonction mitochondriale. De plus, la recherche a approfondi la métastase des ganglions lymphatiques au sein d'une sous-population de cellules CD44^HCD36^H. Notamment, le silençage de NSUN3 a conduit à une réduction de l'abondance des cellules CD44^HCD36^H.

Résumé

Les auteurs ont réalisé une évaluation complète des niveaux de m5C pour prédire la métastase chez des patients cliniques. Ils ont utilisé une coloration histochimique sur 78 échantillons de tumeurs humaines pour examiner la corrélation entre l'expression de la protéine NSUN3 et le stade pathologique de la tumeur primaire.

En utilisant des données de patients TCGA HNSCC, les auteurs ont étudié l'expression différentielle des gènes associés aux niveaux de NSUN3. Notamment, le regroupement non supervisé des patients a abouti à la catégorisation de quatre groupes distincts, révélant une augmentation progressive à la fois du stade du cancer et de la présence de métastases ganglionnaires au moment du diagnostic avec des niveaux de NSUN3 plus élevés.

En résumé, la caractérisation des gènes régulés par NSUN3 s'avère être un prédicteur précieux de la métastase ganglionnaire et des stades pathologiques avancés chez les patients HNSCC.

De plus, lorsque la traduction mitochondriale est inhibée, cela reproduit les effets observés lorsque la fonction de la protéine NSUN3 est silenciée. Cette inhibition entrave non seulement l'invasion cellulaire mais réduit également le nombre de cellules tumorales initiatrices de métastases dépendantes de CD36 dans des contextes in vitro et in vivo. Par conséquent, cibler la formation de m5C dans les mitochondries émerge comme une voie thérapeutique prometteuse pour arrêter la dissémination des cellules tumorales depuis le site tumoral primaire.

Référence :

1. Delaunay, Sylvain, et al. "Les modifications de l'ARN mitochondrial façonnent la plasticité métabolique dans la métastase." Nature 607.7919 (2022) : 593-603.