PTEN: a tumor suppressor with original properties

ARTICLE

Historique

La découverte du gène suppresseur de tumeurs PTEN a suscité une effervescence particulière dans le monde de la recherche sur le cancer. Ainsi en témoigne la rapidité avec laquelle ont été déterminées la nature de ses cibles, ses fonctions cellulaires et l'incidence de son invalidation dans des souris nude, dans un délai d'à peine trois ans depuis sa mise en évidence en 1997.
Tout commence par l'identification conjointe par deux groupes différents d'un gène situé sur la région chromosomique humaine 10q23, région connue pour être fréquemment altérée dans un grand nombre de tumeurs malignes dont les cancers de la prostate et les glioblastomes [1, 2]. Baptisé alors PTEN (phosphatase and tensin homolog deleted on chromosome ten), MMAC1 (mutated in multiple advanced cancers) ou TEP1 (TGF-ß regulated and epithelial cell-enriched phosphatase), il est aujourd'hui considéré comme un gène majeur suppresseur de tumeurs sous le nom devenu quasiment consensuel de PTEN. Sa mise en évidence a d'ailleurs déjà été signalée dans le Bulletin du Cancer [3]. Son originalité fonctionnelle est d'être une phosphatase. De nombreuses kinases sont jugées oncogènes lorsqu'elles se trouvent dérégulées, accélérant anarchiquement la croissance cellulaire. La course aux antioncogènes s'est ainsi orientée vers la recherche de protéines phosphatases capables d'abolir les effets des kinases. PTEN représente donc l'archétype de l'antioncogène, dont la fonction serait de retirer les résidus phosphates indûment placés par les kinases oncogènes.
Depuis sa découverte, de nombreuses mutations somatiques affectant PTEN ont été identifiées dans des tumeurs malignes humaines, notamment des glioblastomes, des mélanomes, des carcinomes de la prostate, du poumon, de l'endomètre, de la tête et du cou. Des mutations germinales du gène PTEN ont également été mises en évidence dans le développement d'une maladie prédisposant à des cancers, la maladie de Cowden (CD), ainsi que dans le syndrome de Bannayan-Zonana (BZS) qui lui est associé. La maladie de Cowden se caractérise par l'apparition de multiples hamartomes (tumeurs bénignes) sur la peau, dans le tractus gastro-intestinal, dans le sein, la thyroïde et le système nerveux central, ainsi que par une incidence accrue des cancers du sein et de la thyroïde. Le syndrome de Bannayan-Zonana se caractérise par la présence conjointe d'hamartomes intestinaux et de dysfonctionnements neurologiques, tels que des retards mentaux et moteurs, ainsi que par des malformations vasculaires [4].

PTEN : une protéine phosphatase à double spécificité

La détermination de la séquence en acides aminés a initialement défini PTEN comme une tyrosine phosphatase. Cette observation était très importante dans le domaine de la signalisation intracellulaire ; en effet, les tyrosines kinases étant impliquées dans le développement tumoral, il était proposé l'existence de suppresseurs de tumeurs ayant une activité tyrosine phosphatase. L'homologie de séquence de PTEN avec une telle activité permettait enfin de confirmer cette hypothèse émise depuis de nombreuses années. Des analyses fonctionnelles ultérieures ont attribué à PTEN la capacité de déphosphoryler non seulement les résidus tyrosine, mais également les résidus sérine et thréonine des protéines, lui conférant ainsi une activité phosphatase à double spécificité [5]. PTEN présente des homologies de séquence avec l'auxiline, une protéine qui permet aux vésicules enrobées de clathrine de se débarrasser de leur manteau avant leur fusion aux vésicules endosomiales. PTEN présente également des homologies avec la tensine, une protéine se liant à l'actine et localisée dans les complexes focaux d'adhésion. Cette ressemblance indique un rôle putatif de PTEN dans les phénomènes d'adhérence et de motilité cellulaires. Ainsi le groupe de Yamada a pu mettre en évidence en 1998 que PTEN interagit directement avec FAK (la kinase d'adhésion focale) et réduit sa phosphorylation en tyrosine aussi bien in vivo qu'in vitro. Cependant, les importantes quantités de PTEN nécessaires au phénomène suggèrent que PTEN pourrait avoir en fait d'autres substrats que FAK. L'ensemble de ces observations supposait que l'activité de suppresseur de tumeurs de PTEN pouvait se traduire par une fonction sur la motilité cellulaire ainsi qu'au niveau des interactions cellulaires avec la matrice extracellulaire. Effectivement, le même groupe a mis en évidence un rôle inhibiteur de PTEN dans les phénomènes d'invasion et de migration cellulaires, ainsi que dans le mécanisme d'étalement cellulaire dépendant des intégrines, l'inactivation de son domaine phosphatase abolissant ces effets. Plus encore, l'inhibition de son activité par des oligonucléotides antisens augmente le potentiel migratoire des cellules traitées [6].
L'intervention de PTEN dans les voies signalétiques intracellulaires va encore dans le sens d'une inhibition de la transmission des signaux mitogènes ; en effet, l'expression de PTEN permet d'inhiber de façon sélective l'activation de la MAP kinase ERK (extracellular signal-regulated kinase) par les intégrines, l'EGF (epidermal growth factor) et le PDGF (platelet-derived growth factor). PTEN est également capable d'inhiber l'activité de la petite GTPase Ras, ainsi que la phosphorylation de Shc. En revanche, son activité protéine phosphatase ne semble pas impliquée dans les réponses cellulaires au stress, puisqu'elle n'affecte pas l'activation de la JNK (c-Jun NH2-terminal kinase,) une kinase activée en cas de stress cellulaire, ni même celle d'Akt, une kinase impliquée dans les voies de survie intracellulaire, suggérant que sa fonction générale se restreint à la formation des contacts focaux et de l'étalement cellulaire via la régulation de l'activité des MAP kinases, de Ras, de la FAK et de Shc [7]. Si effectivement, PTEN, par son activité protéine phosphatase, ne peut pas réguler le proto-oncogène Akt, nous verrons plus loin qu'une autre de ses fonctions en est capable.

PTEN : une lipide phosphatase

Au fur et à mesure de leur mise en évidence, les fonctions de PTEN n'ont pas cessé de surprendre. Outre son activité de protéine phosphatase, Myers et Tonks [5] relèvent sa capacité à déphosphoryler des peptides fortement chargés négativement. PTEN fut alors soupçonnée d'agir sur des substrats non protéiques, tels que des phospholipides. Cette hypothèse fut confirmée par l'équipe de Dixon [8], qui la première attribua à PTEN une activité de lipide phosphatase ; PTEN est en effet capable d'agir sur le cycle des phosphatidylinositols en déphosphorylant sa cible, le phosphatidylinositol-3,4,5-triphosphate (PIP3) en phosphatidylinositol-4,5-diphosphate (PIP2). Il retire spécifiquement des phospholipides les phosphates situés en position 3 : PI(1,3,4,5)P4, un autre de ses substrats identifiés, est privé de son phosphate en position 3 sous son action pour produire finalement du PI(1,4,5)P3. Son rôle est donc antagoniste de celui de la PI3K (phosphatidylinositol-3-kinase) dont la fonction est d'ajouter un groupement phosphate en position 3 des phosphatidylinositols. PI3K est aujourd'hui considéré comme un oncogène puisqu'il existe une corrélation entre l'apparition de ses substrats et la capacité transformante de certains oncogènes. PTEN appartient ainsi à la famille des PIP3 lipides phosphatases qui règlent négativement la voie des PI3K.
Le résultat de l'activité lipide phosphatase de PTEN est essentiel pour la croissance cellulaire : PIP3 est en effet un relais de l'activité de certains facteurs de croissance. Il apparaît suite à la stimulation de cellules quiescentes par des facteurs de croissance comme l'EGF et l'insuline, qui peuvent également avoir une fonction de facteurs de survie comme le PDGF, le NGF (nerve growth factor) ou l'IGF-1 (insulin-like growth factor 1). Le rôle de PIP3 est d'activer spécifiquement une cascade signalétique passant par la kinase Akt et aboutissant à la protection de la cellule vis-à-vis de la mort cellulaire programmée ou apoptose. Ainsi l'inactivation de PIP3 en PIP2 par PTEN condamne l'utilisation de ces voies, favorisant l'arrêt de la croissance cellulaire et la sensibilité à l'apoptose.

PTEN : un suppresseur de tumeurs

Les premiers travaux faisant état d'une fonction de suppresseur de tumeurs de PTEN ont été réalisés sur des tests de transformation cellulaire. Ainsi la surexpression de PTEN permet de supprimer la formation de foyers de transformation de certaines cellules, permettant d'attribuer à PTEN un rôle de régulateur de l'inhibition de contact intercellulaire, inhibition que les cellules transformées outrepassent. PTEN empêche la croissance de cellules transformées privées de la possibilité d'adhérer au substrat dans un test de formation de colonies en agar mou. Cela confirme son rôle dans les phénomènes d'adhésion cellulaire. De plus, il supprime la formation de tumeurs chez des souris immunodéprimées, dites souris nude [9, 10]. Enfin, l'obtention de souris mutantes dépourvues de l'activité de PTEN a permis de mettre en évidence sa fonction essentielle pour le développement embryonnaire à partir du jour 7,5. Chez la souris, la perte d'un allèle de PTEN conduit à la formation d'hyperplasie et de dysplasie de la peau, du tractus gastro-intestinal et de la prostate, ainsi qu'à des tumeurs [11].
Mais la question qui restait en suspens concernait l'activité suppresseur de tumeurs de PTEN : est-elle due à l'activité protéine phosphatase ou lipide phosphatase de la molécule ? Pour cela, il a fallu tirer parti d'un mutant naturel de PTEN, appelé PTEN-G129E, présent chez certains patients atteints de la maladie de Cowden : l'originalité fonctionnelle de cette mutation consiste en la perte de l'activité lipide phosphatase tout en conservant l'activité protéine phosphatase. Cette façon de découpler les deux activités a permis de mettre en évidence que l'activité lipide phosphatase est indispensable à la fonction suppresseur de tumeurs de PTEN [12], comme nous allons le voir.

PTEN, apoptose et cycle cellulaire

Par quels mécanismes intracellulaires PTEN est-il capable d'exercer son rôle de suppresseur de tumeurs ? Là encore, PTEN réserve des surprises. La réintroduction de sa forme sauvage dans des cellules issues de souris nullizygotes privées de son expression déclenche un arrêt du cycle cellulaire en phase G1. Cette propriété nécessite son activité lipide phosphatase mais pas son activité protéine phosphatase, puisque le mutant PTEN-G129E, qui conserve la seconde mais pas la première, a perdu sa capacité à bloquer le cycle dans ces mêmes cellules. PTEN est donc un régulateur du cycle, empêchant les cellules transformées de proliférer anarchiquement [13].
Quelles sont les voies de signalisation intracellulaire qui relaient la capacité de PTEN à contrôler le cycle cellulaire ? Sachant que pour cela seule son activité lipide phosphatase est requise, il est tentant de penser que cet effet est dû à son action sur son principal substrat phospholipidique, le PIP3, ainsi que sur Akt, la kinase qui en découle. Tel est le cas puisque le déroulement normal du cycle de cellules bloquées en G1 par la surexpression de PTEN peut être rétabli par une forme d'Akt activée par myristoylation [13]. Le rôle d'Akt dans la régulation du cycle cellulaire n'est pourtant pas totalement élucidé ; une hypothèse serait qu'Akt agit sur le cycle en inhibant par phosphorylation une autre kinase, la GSK3 (glycogen synthase kinase 3). L'inactivation de GSK3 serait responsable de l'accumulation de la cycline D, une protéine essentielle pour le bon déroulement du cycle cellulaire.
Les fonctions de ces deux suppresseurs de tumeurs, PTEN et Akt, semblent également intimement liées par au moins un autre processus ; Akt est en effet un important composant des voies de survie intracellulaire puisqu'il est capable d'inactiver par phosphorylation BAD, un membre de la famille Bcl2, le rendant ainsi incapable de bloquer les activités de Bcl2 et de BclX. Or la régulation d'Akt est anormale dans des fibroblastes déficients en PTEN. De plus, des cellules dépourvues de l'activité PTEN deviennent résistantes aux stimuli apoptotiques, ce qui classe PTEN parmi les régulateurs positifs de l'apoptose [14]. Pourtant, une autre étude a mis en évidence que l'expression du gène normal de PTEN dans des cellules issues de gliomes, bien que bloquant le cycle, n'augmente pas leur capacité à entrer en apoptose [15].

CONCLUSION

REFERENCES

1. Li J, et al. PTEN, a putative protein tyrosine phosphatase gene mutated in human brain, breast, and prostate cancer. Science 1997 ; 275 : 1943-7.

2. Steck PA, et al. Identification of a candidate tumour suppressor gene, MMAC1, at chromosome 10q23.3 that is mutated in multiple advanced cancers. Nature Genet 1997 ; 15 : 356-62.

3. Jeanteur P. pRb, p53, p16 et maintenant PTEN (MMAC1). Bull Cancer 1997 ; 84 : 922-4.

4. Marsh DJ, et al. Allelic imbalance, including deletion of PTEN/MMAC1, at the Cowden disease locus on 10q22-23, in hamartomas from patients with Cowden syndrome and germline PTEN mutation. Genes Chromosomes Cancer 1998 ; 21 : 61-9.

5. Myers MP, Tonks NK. PTEN : sometimes taking it off can be better than putting it on. Am J Hum Genet 1997 ; 61 : 1234-8.

6. Tamura M, et al. Inhibition of cell migration, spreading, and focal adhesions by tumor suppressor PTEN. Science 1998 ; 280 : 1614-7.

7. Gu JTM, Yamada KM. Tumor suppressor PTEN inhibits integrin- and growth factor-mediated mitogen-activated protein (MAP) kinase signaling pathways ? J Cell Biol 1999 ; 143 : 1375-83.

8. Li L, Ernsting BR, Wishart MJ, Lohse DL, Dixon JE. A family of putative tumor suppressors is structurally and functionally conserved in humans and yeast. J Biol Chem 1997 ; 272 : 29403-6.

9. Furnari FB, Lin H, Huang HS, Cavenee WK. Growth suppression of glioma cells by PTEN requires a functional phosphatase catalytic domain. Proc Natl Acad Sci USA 1997 ; 94 : 12479-84.

10. Cheney IW, et al. Suppression of tumorigenicity of glioblastoma cells by adenovirus-mediated MMAC1/PTEN gene transfer. Cancer Res 1998 ; 58 : 2331-4.

11. Di Cristofano A, Pesce B, Cordon-Cardo C, Pandolfi PP. PTEN is essential for embryonic development and tumour suppression. Nature Genet 1998 ; 19 : 348-55.

12. Myers MP, et al. The lipid phosphatase activity of PTEN is critical for its tumor suppressor function. Proc Natl Acad Sci USA 1998 ; 95 : 13513-8.

13. Ramaswany SNN, Vazquez F, Batt D, Perera S, Roberts T, Sellers W. Regulation of G1 progression by the PTEN tumor suppressor protein is linked to inhibition of the phosphatidylinositol 3-kinase/Akt pathway. Proc Natl Acad Sci 1999 ; 96 : 2110-5.

14. Stambolic V, et al. Negative regulation of PKB/Akt-dependent cell survival by the tumor suppressor PTEN. Cell 1998 ; 95 : 29-39.

15. Furnari FB, Huang HJ, Cavenee WK. The phosphoinositol phosphatase activity of PTEN mediates a serum-sensitive G1 growth arrest in glioma cells. Cancer Res 1998 ; 58 : 5002-8.