Rôle de la mécanique des cavéoles dans la dynamique des vésicules extracellulaires impliquées dans la progression tumorale

Abstract

Extracellular vesicles (EVs) are lipid-enclosed vesicles that are released by all cells studied to date and present in all human bodily fluids. EVs contain genetic material and proteins that are able to be transferred to and generate an effect in other cells. Caveolin-1 (Cav1) is a key component of the small invagination of the plasma membrane called caveolae, where it functions as mechano-sensors and membrane tension buffering device. Cav1 facilitates the migration and invasion of tumor cells and its expression is often increased in the late stages of cancer. Interestingly, high levels of Cav1 have been found in EVs of patients with advanced cancer. Given the importance of mechanical forces in the microenvironment of cancer cells, we hypothesized that caveolae and/or Cav1 may represent key players in the regulation of EV biology and cancer progression under mechanical strain. To test this hypothesis, we subjected different cancer cell lines, having (WT) or deleted for Cav1 expression (KO) to 2D or 3D systems of mechanical stress. EVs were purified from these cells and analyzed by nanoparticle tracking analysis. We found a striking increase in the release of EVs after mechanical stress both in 2D and 3D models. This increase was strictly dependent on the presence of Cav1 and correlated with enhanced fusion of multivesicular bodies to the plasma membrane, indicating that the population of EVs increased upon mechanical stress correspond to exosomes. We observed that Cav1 was enriched in EVs after mechanical strain. The increase of EVs observed after mechanical stress was drastically reduced upon downregulation of the endosomal sorting complex ESCRT-0, further confirming their exosomal nature. Lipidomic analysis revealed differences in the lipid composition of EVs in Cav1KO cells and after mechanical stress, suggesting a difference in the properties of these EVs. Finally, EVs from mechanically stressed cells were shown to promote a Cav1-dependent enhanced migration and invasion phenotype in triple negative breast cancer cells. These data allows us to conclude that mechanical stress is associated with increased release of EVs and the acquisition of metastatic traits in receiving cells in vitro, with Cav1 being a key player of this process. In parallel, we also studied the involvement of Cav1 in the uptake of EVs, a key process in the EV mediated cellular communication context. We used different protein markers to follow and visualize the uptake of EVs. EV uptake was strongly decreased in Cav1 KO cells as compared to WT receiving cells. We also made the observation that Cav1 but not caveolae was required for this uptake of EVs by cells and that the uptake efficiency was correlated with the level of Cav1 expression in receiving cells.. Overall, our work has revealed a new role for Cav1 in cell-to-cell communication and the propagation of metastatic phenotypes through the mechanical control of EV production and dynamics.Les vésicules extracellulaires (VE) sont des vésicules lipidiques qui sont libérées par toutes les cellules étudiées à ce jour et présentes dans tous les fluides corporels humains. Les VE contiennent du matériel génétique et des protéines qui peuvent être transférés à d'autres cellules et produire un effet sur celles-ci. La cavéoline-1 (Cav1) est un composant clé des petites invagination de la membrane plasmique appelées cavéoles, où elles fonctionnent comme mécano-capteurs et régulateur de la tension membranaire. La Cav1 facilite la migration et l'invasion des cellules tumorales et son expression est souvent augmentée dans les stades avancés du cancer. Des niveaux élevés de Cav1 ont ainsi été rapportés dans les VE de patients atteints d'un cancer avancé. Étant donné l'importance des forces mécaniques dans le micro-environnement des cellules cancéreuses, nous avons émis l'hypothèse que les cavéoles et/ou Cav1 pourraient être des acteurs clés dans la régulation de la biologie des VE et la progression du cancer sous contraintes mécaniques. Pour tester cette hypothèse, nous avons soumis différentes lignées cancéreuses exprimant (WT) ou délétées pour l’expression de Cav1 (KO) à des systèmes de stress mécanique en 2D et 3D. Les VE ont été purifiées et analysées par suivi des nanoparticules (NTA). Nous avons trouvé une augmentation conséquente de la libération des VE après un stress mécanique à la fois dans les modèles 2D et 3D. Cette augmentation était strictement dépendante de la présence de Cav1 et corrélée à une fusion accrue des corps multivésiculaires avec la membrane plasmique, indiquant que la population de VE augmentée lors d’un stress mécanique est constituée d'exosomes. Nous avons observé que Cav1 était enrichie dans les VE après une contrainte mécanique. L’augmentation des VE suite à un stress mécanique est considérablement réduite suite à la régulation négative du complexe de tri endosomal ESCRT-0, confirmant la nature exosomale de ces VE. L'analyse lipidomique a révélé des différences dans la composition lipidique des VE provenant de cellules Cav1KO et après un stress mécanique, suggèrant une différence dans les propriétés de ces VE. Enfin, il a été démontré que les EVs provenant de cellules soumises à un stress mécanique favorisent un phénotype de migration et d'invasion accru, dépendant de Cav1, dans les cellules cancéreuses. Ces résultats nous permettent de conclure que le stress mécanique est associé à la libération accrue de VE et à l'acquisition de traits métastatiques dans les cellules réceptrices in vitro, Cav1 étant un acteur clé de ce processus. En parallèle, nous avons également étudié l'implication de Cav1 dans l’endocytose des EVs, un processus clé dans le contexte de la communication cellulaire médiée par les EVs. Nous avons utilisé différents marqueurs protéiques pour suivre et visualiser la capture des VE dans les cellules réceptrices. La capture des VE était fortement diminuée dans les cellules réceptrices Cav1 KO par rapport aux cellules WT. Nous avons également fait l’observation que Cav1, et non les cavéoles, était nécessaire à la capture des VE par les cellules, et que l’efficacité de capture était corrélée au niveau d’expression de Cav1 dans les cellules réceptrices. Dans l'ensemble, nos travaux ont révélé un rôle nouveau de Cav1 dans la communication intercellulaire médiée par les VE et la propagation des phénotypes métastatiques par le contrôle mécanique de la sécrétion et la dynamique des VE