1) Développement embryonnaire
Les premières expériences ayant permis de déterminer l’impact que le TGFE a au cours du développement embryonnaire correspondent à la délétion génétique des ligands du TGFE (TGFE1, 2, 3) [Goumans et al. 2000358]. L’effet d’une délétion de SMAD2 et SMAD4 sur le développement embryonnaire a également été étudié, mais nous n’y ferons pas référence ici car ce sont aussi les effecteurs de la voie Activine, membre de la superfamille des TGFE omniprésent au cours du développement embryonnaire.
Les souris déficientes pour TGFE2 meurent juste après la naissance et sont caractérisées par de multiples défauts. En effet, des malformations du cœur, des poumons, de l’anatomie cranio-faciale, des membres, de la colonne vertébrale, des yeux, des oreilles internes, ainsi que de l’apparail uro-génital sont observables [Sanford et al. 1997359]. Les souris déficientes pour TGFE3 présentent des problèmes développementaux au niveau des poumons et du palais (fente pallatine) [Kaartinen et al. 1995360 ; Proetzel et al. 1995361]. De manière intéressante, les souris déficientes pour TGFE2 et TGFE3 présentent un défaut de développement du système nerveux central [Vogel et al. 2010362], ce qui suggère que TGFE2 et TGFE peuvent avoir des fonctions redondantes et complémentaires au cours du développement. De manière surprenante, les souris déficientes pour TGFE1 ne présentent pas de problèmes développementaux évidents, mais décèdent environ 20 jours après la naissance à cause d’une forte réaction auto-immune multifocale [Shull et al . 1992363]. Le TGFE a donc un rôle dans la régulation de l’auto-immunité (voir paragraphe E3 de cette même partie).
106 Le phénotype des souris déficientes en TGFE1, 2 ou 3 peut être associé au rôle que le TGFE peut jouer sur le statut de différenciation des cellules. En effet, il a été montré que le TGFE est primordial pour le bon déroulement de la différenciation des cellules immunitaires [Li et Flavell 2008364] des cellules sanguines [Blank et Karlsson 2015365] et des cellules neurales [Yi et al. 2010332 ; Krieglstein et al. 2011362]. TGFE1 oriente la différenciation des cellules souches mésenchymateuses (MSC) en chondrocytes et inhibe de ce fait la différenciation en ostéoblastes. TGFE1 inhibe également la différenciation des MSCs en adipocytes [Ignotz et al. 1985367] et myoblastes [Massagué et al. 1986368]. Il est aussi intéressant de noter que, plus tôt au cours du développement, le TGFE1 permet de maintenir l’état indifférencié de ces MSCs et de stimuler leur expansion avant différenciation [Morikawa et al. 2016369].
Parmi les processus de dédifférenciation, le TGFE régule également la transition épithélio-mésenchymateuse (TEM) au cours du développement. La TEM correspond à une reprogrammation transcriptionnelle via la réexpression de facteurs de transcription embryonnaires (SNAIL, ZEB1, ZEB2) qui permettent la baisse d’expression de gènes épithéliaux comme l’ECadherin, et le gain d’expression de gènes mésenchymateux (Vimentine, N-Cadherine, D-SMA). Ceci s’accompagne d’un changement de morphologie des cellules qui acquièrent un phénotype mésenchymateux la plupart du temps, ce qui leur confère un potentiel migratoire fort. Au cours de l’embryogénèse, cette migration va permettre la réorganisation des tissus ainsi que la migration de cellules épithéliales précurseurs au niveau du site de différenciation. La TEM est détournée par les cellules tumorales au cours de la tumorigénèse et permet leur migration et leur passage dans la circulation sanguine, ce qui favorise la dissémination métastatique [Zavadil et Bottinger 2005370].
Le TGFE a également un rôle dans le développement du pancréas, même si celui-ci n’est pas bien compris. Crisera et al. [2000371] ont mis en évidence une dynamique de l’expression du TGFE dans les différents compartiments acineux au cours de l’organogénèse du pancréas, et suggèrent que le TGFE puisse réguler la différenciation terminale des acini, et plus généralement le compartiment exocrine. Alors que la délétion de Smad4 n’a aucun effet sur le développement du pancréas [Bardeesy et al. 2006166], le traitement au TGFE d’explants pancréatiques embryonnaires (E12.5) cultivés dans des substrats en 3D montre une inhibition de la différenciation de la lignée acineuse et une augmentation de la proportion de cellules endocrines, suggérant une orientation des progéniteurs pancréatiques vers une destinée endocrine [Sanvito et al. 1994372]. De plus, les souris transgéniques exprimant un mutant
107 dominant négatif du récepteur de type II au TGFE présentent un important problème de différenciation du compartiment acineux [Bottinger, 1997373]. Le TGFE semble donc réguler la différenciation des progéniteurs indépendamment de SMAD4.
2) Cicatrisation
Le processus de cicatrisation est un processus qui requiert différents types cellulaires : des plaquettes, des cellules immunitaires inflammatoires, des fibroblastes producteurs de matrice extracellulaire, et des cellules épithéliales qui migrent au niveau du front cicatriciel afin de refermer la blessure. Le TGFE joue un rôle majeur au cours de la cicatrisation, comme l’ont démontré initialement plusieurs études, puisque cette cytokine accélère la cicatrisation sur des modèles d’études in vitro et in vivo [Mustoe et al. 1987374]. Il a été montré par la suite que le TGFE agissait sur chacun des types cellulaires nécessaires à la cicatrisation [Morikawa et al. 2016369].
Tout de suite après la rupture de la barrière épithéliale correspondant à une blessure, Kane et al. [1991375] démontrent que le TGFE est très rapidement exprimé et activé sur le site de la blessure. Les plaquettes qui vont assurer la formation du bouchon hémostatique produisent une forte quantité de TGFE [Assoian et al. 1983273], ce qui va permettre le recrutement de monocytes [Wahl et al. 1987376] et de fibroblastes [Postlethwaite et al. 1987377]. Les fibroblastes sont activés par le TGFE en myofibroblastes [Shirakihara et al. 2011378] qui produisent des protéines de la matrice extra-cellulaire (MEC) en grande quantité [Ignotz et al. 1986379 ; Roberts et al. 1986380]. Cette matrice abondante va jouer un rôle de tissu de soutien et de remplacement transitoire, le temps que le tissu épithélial se régénère. Cette régénération a lieu non seulement via la prolifération des cellules souches épithéliales, mais également grâce à la TEM et à la migration des cellules constituant le front de cicatrisation. Cette TEM est directement induite par la signalisation TGFE au niveau des cellules épithéliales [Kalluri et Weinberg 2009381]. Le rôle des TGFE1, 2, 3 et des SMADs reste un domaine en cours d’investigation.
3) Régulation de l’immunité dans un contexte physiologique
Nous avons vu dans le paragraphe sur le rôle du TGFE au cours du développement, que les souris déficientes pour TGFE1 décédaient d’une forte réaction auto-immune, alors que les souris déficientes pour TGFE2 ou 3 présentaient de problèmes développementaux, sans que le compartiment immunitaire ne soit affecté. Ainsi, il semble que seul le TGFb1 soit primordial pour l’homéostasie du système immunitaire, alors que TGFE2 et 3 interviennent d’avantage au
108 cours du développement. C’est la raison pour laquelle nous continuons de nous intéresser au TGFE1 dans ce paragraphe.
Le TGFE régule l’homéostasie du compartiment immunitaire majoritairement via la régulation des lymphocytes T. Au niveau du thymus, lieu de maturation, de différenciation, et de sélection des lymphocytes T, il a été montré que le TGFE inhibait la prolifération des thymocytes [Ristow et al. 1986382], cellules progénitrices à l’origine des lymphocytes T matures. En parallèle, le TGFE promeut également la différenciation des thymocytes en lymphocytes T matures, c’est-à-dire les lymphocytes CD4+, CD8+, Treg (T régulateurs), et NKT (Natural Killer T cells) [Li et Flavell 2008364] (Fig. 28A). Au niveau du thymus a lieu une première étape de sélection des lymphocytes T afin d’éliminer les cellules avec une forte affinité pour les antigènes du soi qui entraînerait une réaction auto-immune si elles étaient libérées dans la circulation. Cependant, certains lymphocytes T à forte affinité pour les antigènes du soi échappent à cette sélection et des mécanismes de régulations sont en place au niveau de la circulation périphérique pour empêcher l’auto-immunité. Le TGFE contrôle ces mécanismes puisqu’il empêche la différenciation des lymphocytes CD4+ et CD8+ à haute affinité en lymphocytes effecteurs Th1 (T helper 1), Th2 (T helper 2) et lymphocytes cytotoxiques (CTL for Cytotoxiques T lymphocytes). En revanche, il favorise la survie des lymphocytes T à faible affinité [Li et Flavell 2008364] (Fig. 28A). Le TGFE régule également la tolérance des lymphocytes via la régulation de la différenciation des Treg (CD4+ FoxP3+), cellules capables d’inactiver les cellules T à haute affinité. Bien qu’il inhibe prolifération des nTreg (natural Treg) dans la circulation périphérique, il permet leur survie au niveau des organes lymphoïdes secondaires (Fig. 28A). La combinaison du signal TGFE à d’autres cytokines peut être à l’origine de cette différence. D’ailleurs, la combinaison du signal TGFE avec l’interleukine-2 (IL-2) permet l’expression de FoxP3 dans les cellules CD4+, et donc leur différenciation en iTreg (induced Treg), participant ainsi à l’immunosuppression [Chen et al. 2003383 ; Marie et al. 2005384 ; Liu et al. 2008385]. En revanche, IL-6 et IL-21 coopèrent avec TGFE pour induire la différenciation des lymphocytes T helper 17 (TH17), qui ont comme principal caractéristique de sécréter l’IL-17, une cytokine pro-inflammatoire [Veldhoen et al. 2006386 ; Korn et al. 2007387]. Ainsi, selon le contexte et la combinaison de cytokine présente, le TGFE peut avoir une fonction pro-inflammatoire ou immunosuppressive [Li et Flavell 2008364] (Fig. 28A et B).
109 Figure 28 : Les différentes fonctions du TGFEE sur l’homéostasie du système immunitaire. (D’après Li et Flavell 2008)
4) Régulation de la prolifération et de l’apoptose des cellules
Le TGFE exerce un effet cytostatique sur les cellules épithéliales via deux types de mécanismes : l’induction d’inhibiteurs des kinases dépendantes des cyclines (CDKs pour Cyclin-Dependent Kinases) et l’élimination des promoteurs de la prolifération cellulaire [Morikawa et al. 2016369]. En effet, TGFE induit via les SMADs l’expression de p15Ink4b, p21Cip1/Waf1 (indépendamment de p53), et p27Kip1 [Hannon and Beach 1994388; Datto et al. 1995389; Polyak et al. 1994390], et inhibe l’expression des médiateurs majeurs de la prolifération, comme c-Myc [Pietenpol et al. 1990391], Cdc25A [Iavarone et Massagué 1997392], et les protéines Id [Kang et al. 2003393].
Par ailleurs, le TGFE peut aussi induire l’apoptose dans certains types cellulaires. Bien que de nombreux mécanismes moléculaires aient été associés à cette fonction, aucun consensus n’est établi. Le TGFE peut activer l’apoptose via l’activation des SMADs. Par exemple, il peut provoquer l’apoptose d’hépatocytes et de lymphocytes B via l’activation transcriptionnelle de MKP2 qui potentialise l’effet pro-apoptotique de Bim [Ramesh et al. 2008394]. Les SMADs activent également la transcription de SHIP (SH2-domain containing Inositol 5 phosphatase)
110 dans des cellules hématopoïétiques, entraînant leur apoptose [Siegel et al. 2003395]. Indépendamment des SMADs, le TGFE est capable d’induire la phosphorylation de p53 et de coopérer avec p38, p53 et ATM pour induire l’apoptose de cellules HEK 293 [Zhang et al. 2006396]. La protéine DAXX, capable d’interagir avec TERII, est nécessaire à l’induction de l’apoptose par le TGFE dans des hépatocytes, via l’activation de la voie JNK [Perlman et al. 2001397]. Enfin, il a été montré le TGFE induisait l’apoptose de cellules acineuses d’explant de pancréas embryonnaires cultivées in vitro [Sanvito et al. 1994372], mais les mécanismes sous-jacents dans ces cellules reste inconnu.
A l’inverse, le TGFE peut aussi encourager la prolifération de certains types cellulaires et dans certaines conditions. L’effet cytostatique ou prolifératif du TGFE sur un même type cellulaire dépend du contexte cellulaire et moléculaire [Roberts et al. 1985398]. Notamment, TGFE promeut la prolifération des chondrocytes, des ostéoblastes dans certaines conditions, des cellules souches mésenchymateuses (MSCs), des fibroblastes, et des cellules endothéliales [Roberts et al. 1981271 ; Goumans et al. 2002399 ; Jian et al. 2006400]. Les mécanismes moléculaires associées à l’induction de la prolifération par le TGFE sont bien moins caractérisés que les effets cytostatiques. Cependant il a été démontré que la croissance des fibroblastes induite par le TGFE pouvait être secondaire à l’induction de cytokines comme le PDGF [Leof et al. 1986401].
5) Régulation des cellules souches tissulaires
Le TGFE ayant un rôle inhibant la prolifération cellulaire, il a été fait l’hypothèse que cette cytokine pouvait avoir un rôle dans la quiescence des cellules souches. De fait, le TGFE inhibe la prolifération des cellules souches hématopoïétiques (HSC pour Hematopoietic Stem Cells) [Oshimori et al. 2012402]. Il empêche également l’entrée des HSC quiescentes dans le cycle cellulaire [Yamazaki et al. 2006403]. A l’inverse, le TGFE1 peut promouvoir la croissance de cellules souches embryonnaires humaines (hESC pour human Embryonic Stem Cells) et de cellules souches pluripotentes induites (hiPSC pour human induced Pluripotent Stem Cells). Il a notamment été montré que SMAD4 et OCT4 coopéraient au niveau transcriptionnel pour induire l’expression de gènes de pluripotence dans des hESCs [Oshimori et al. 2012402]. Cette différence d’effet du TGFE en fonction des cellues souches considérées peut être due au contexte moléculaire de chacune des cellules souches, mais il est aussi possible que le niveau d’expression de TGFE ait un rôle important. Il a été montré dans plusieurs études qu’un faible
111 niveau d’expression de TGFE encourage la prolifération des cellules souches, alors que des niveaux élevés de TGFE arrête la croissance cellulaire de ces cellules souches [Oshimori et al. 2012402].
6) Stimulation de l’angiogénèse
Le rôle crucial dans l’angiogénèse, en dehors du contexte tumoral, a été révélé par des études génétiques chez l’homme et la souris. En effet, des mutations des principaux acteurs de la voie de signalisation TGFE, tels que l’ENDOGLINE, ALK1 et SMAD4, sont à l’origine de la plupart des cas cliniques de telangectasia hémorragique héréditaire. Chez la souris, la délétion de TGF-E1, TGFERII, TGFERI, endogline, ou SMAD4 est létal embryonnaire à cause de défauts majeurs de vascularisation. In vitro, le TGFE module la migration et la prolifération des cellules endothéliales par des voies de signalisation TERI dépendantes distinctes [Wang et al. 2013404]. Dans un contexte tumoral, le TGFE stimule l’expression de VEGF par les cellules tumorales, favorisant ainsi l’angiogénèse. Mais le TGFE peut également agir directement sur les cellules endothéliales, bien que son action soit dépendante du récepteur concerné. En effet, au niveau des cellules endothéliales, l’action du TGFE dépend de la balance entre les récepteurs ALK1 et ALK5 (TERI). L’interaction entre TGFE et ALK1 mène à l’augmentation de la prolifération et de la migration des cellules endothéliales, ainsi que de la production de MMPs, favorisant ainsi l’angiogénèse. A l’inverse l’interaction du TGFE avec ALK5 inhibe l’angiogénèse via l’activation de l’expression de PAI-1 et de la fibronectine. Cependant le niveau d’expression du TGFE est globalement associé à une augmentation de la vascularisation des tumeurs [Principe et al. 2014405].
F) Conclusion
Le TGFE est donc une cytokine aux multiples facettes capable d’activer une multitude de voies de signalisation différentes qui sont régulées à tous les niveaux. Son action est non seulement dépendante du type cellulaire considéré, mais aussi du contexte cellulaire et moléculaire de la cellule ciblée. Les fonctions apparemment paradoxales du TGFE dans un contexte physiologique se retrouvent au niveau de la tumorigénèse du pancréas, et nous allons voir en quoi cela rend le ciblage thérapeutique difficile dans le cadre du cancer du pancréas.
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