The regulation of a given cancer cell behaviour by its PAI-1 microenvironment could then be considered as a cause leading to consequences at the organ or the organism level. And its critical transition point is that one single molecule of PAI-1 could do the job! In avalanches, it is known that at the critical state, the output is not proportional to the input, that is, the system is highly nonlinear and gives rise to ‘non-obvious’ effects. Could the PAI-1 swing (i.e. effect of one more or one less molecule of PAI-1) control the ‘biological avalanche’ of cancer? This hypothesis is illustrated in Fig. 1.

Le caractère métastatique des cancers dépend de la capacité des cellules cancéreuses à quitter le tissu d'origine (la tumeur primaire) et ensuite à s'implanter et proliférer ailleurs. La migration cellulaire accompagne l'invasion tumorale et constitue le point de départ du processus métastatique. Les cellules cancéreuses acquièrent de nouvelles propriétés biochimiques et caractéristiques morphologiques leur permettant de s'échapper de la tumeur principale. Une partie de ces transformations est communément appelé EMT (transition épithélio-mésenchymateuse) ; elle se traduit par la disparition des phénotypes épithéliaux au profit de marqueurs mésenchymateux [6]. Les cellules n'expriment plus alors le gène de la E-cadhérine, perdent l'expression de la cytokératine 8 et ré-expriment la vimentine [7].

Les cellules cancéreuses ayant subi l'EMT utilisent spontanément une migration de type mésenchymateux. Ce type de migration est caractérisé par une protéolyse péricellulaire active, l'établissement de points d'ancrages très résistants et un cytosquelette d'actine structuré. Les points focaux d'adhérence à la matrice extracellulaire, par l'intermédiaire des intégrines, participent à l'organisation des filaments d'actine et la formation de protrusions membranaires de types lamellipodes [8].

Mais dans certaines conditions environnementales, les cellules cancéreuses (cellules ayant donc déjà « passé » ou « subi » la transition epithélio-mésenchymateuse) peuvent subir une seconde transition, appelée transition mésenchymateuse-amiboïde (MAT). Dans ce cas, le cytosquelette d'actine se réorganise, abandonnant la formation de fibres de stress, au profit d'une architecture plus légère, avec redistribution diffuse et corticale de l'actine. Cette réorganisation, conduit à la formation d'anneaux d'actine (actin rings) et se trouve sous le contrôle de l'activation de la protéine ROCK-1, un effecteur de la petite GTPase RhoA [9]. La morphologie générale s'arrondit : les cellules présentent de nombreux bourgeonnements ou blebs ; on parle d'une morphologie amiboïde.

Le type de migration de ces cellules cancéreuses devient alors très différent d'une migration mésenchymateuse. Il s'agit d'une migration de type amiboïde dans laquelle les cellules se déforment, leur membrane est animée de mouvements dynamiques liés à la formation/déformation des blebs (on parle de blebbing). Les cellules se faufilent au travers des mailles de la matrice extracellulaire en n'ayant recours, ni à une activité protéasique, ni aux intégrines [10,11] ; en revanche, elles utilisent de nombreux points d'ancrage de faible intensité et des séquences d'adhésion/dé-adhésion très rapides [12,13].

Nous avançons l'hypothèse que PAI-1 joue un rôle clé dans l'ensemble de ces processus. Pour comprendre ce rôle, il faut se placer à l'échelle cellulaire et considérer PAI-1 en modulateur des fonctions cellulaires.

PAI-1 est le principal inhibiteur de l'uPA ou activateur du plasminogène de type urokinase, une sérine protéase qui convertit le plasminogène en plasmine. PAI-1 existe, soit à l'état soluble, soit associé à la matrice.

Sous sa forme soluble, PAI-1 se lie à l'uPA, elle-même fixée à son récepteur membranaire, l'uPAR. Cette interaction aboutit à l'arrêt de la protéolyse péricellulaire dépendante de l'uPA. La fixation de PAI-1 conduit à l'endocytose du complexe uPAR–uPA–PAI-1 par le biais d'un récepteur spécifique de l'internalisation, le α2MLRP. Le complexe uPA-PAI-1 est dégradé tandis que le récepteur uPAR est recyclé à la membrane [14,15].

Sous sa forme associée à la matrice, on parle alors de PAI-1 matriciel (ou PAI-1m), PAI-1 est lié principalement à la vitronectine [16]. Lorsque le complexe uPAR–uPA–PAI-1 se forme avec le PAI-1matriciel, il constitue alors, un pont moléculaire liant la cellule à la matrice extracellulaire. In vitro, le PAI-1 matriciel module les interactions entre la cellule et la matrice [2,17–19] et plus particulièrement lors des processus d'adhésion et de mobilité [3,20].

Dans certaines conditions, l'assemblage moléculaire (uPAR–uPA–PAI-1) relie la cellule à la matrice extracellulaire et est à l'origine de contraintes mécaniques générées par la matrice ou par la cellule. Ces contraintes ont pu être mesurées en terme de forces par magnétocytométrie [21], elles sont directement transmises au cytosquelette et induisent sa réorganisation. Ainsi, la formation du complexe tripartite uPAR–uPA–PAI-1 serait capable de transduire des signaux biomécaniques à la cellule en augmentant la rigidité du cytosquelette [21].

L'assemblage moléculaire (uPAR–uPA–PAI-1) est également capable de transduire des signaux biochimiques et morphologiques à la cellule. En effet, nous avons montré que des cellules placées dans un environnement enrichi en PAI-1 présentent une forte activation de la petite GTPase RhoA ainsi qu'une morphologie arrondie avec de nombreux bourgeonnements membranaires ou blebs, témoins de l'activation de ROCK-1, un effecteur de RhoA. De plus les matrices enrichies en PAI-1 pourraient déclencher des signaux intracellulaires activant la cascade des Rho GTPases [22]. Cette famille regroupant entre autres les kinases Cdc42, Rac1 et RhoA contribue au remodelage du cytosquelette d'actine. En effet Rac1 est impliquée dans la formation des lamellipodes tandis que RhoA stimule l'organisation des filaments d'actine soit en anneaux contractiles soit en fibres de stress [9].

Les différentes morphologies induites par la réorganisation du cytosquelette d'actine sont utilisées lors de la migration cellulaire [23].

In vitro, selon le type cellulaire utilisé (cellules mésenchymateuses, épithéliales, normales ou cancéreuses, invasives ou non invasives) et selon les conditions de culture (en deux ou trois dimensions, avec ou sans sérum, en présence de l'une ou l'autre protéine matricielle) PAI-1 agit soit en favorisant la migration soit en la défavorisant... [3,24–27]. Dans nos expériences, où nous utilisons de très fortes concentrations de PAI-1 (molécule recombinante dont l'activité se maintient 500 h), avec des cellules myogéniques [2], des cellules issues de lignées de cancer du sein [3] ou de cancer colorectal [22], PAI-1 réunit les prérequis pour être considéré comme une molécule « pro-migratoire ». Nous avons pu montrer que son action est d'autant plus efficace qu'on s'adresse à des cellules plus invasives [3], tous les types cellulaires étudiés ayant déjà « passé » ou « subi » la transition épithélio-mesenchymateuse (EMT).

Nous avons observé in vitro qu'un environnement très enrichi en PAI-1 entraîne une modification du comportement des cellules cancéreuses. On observe une activation des GTPases de la famille Rho dans des cellules qui adoptent le mode de migration amiboïde et présentent toutes les caractéristiques morphologiques de l'état post-MAT.

Jusque là, seules des conditions de culture en trois dimensions ont permis d'observer à la fois la morphologie et la migration amiboïdes [11]. En proposant à des cellules cancéreuses colorectales, un environnement très enrichi en PAI-1, nous avons obtenu les mêmes résultats.

PAI-1 à haute concentration apparaît donc comme une protéine capable d'entraîner une transition mésenchymateuse-amiboïde et ses conséquences.

Pour ses capacités, in vitro, d'induire l'adhésion cellulaire, la réorganisation du cytosquelette d'actine, des changements morphologiques importants et sa participation au processus de migration cellulaire, PAI-1, sous sa forme matricielle, pourrait être considéré comme une protéine matricellulaire [28]. La famille des protéines dites matricellullaires englobe plusieurs membres, tels que la thrombospondine 1 et 2, l'ostéonectine et l'ostéopontine, par exemple. Ces protéines sont des constituants de la matrice extra cellulaire, mais elles ne participent pas à l'établissement des propriétés structurales de la matrice comme le font les collagènes, les laminines ou la fibronectine. Les protéines matricellulaires permettent de moduler des fonctions cellulaires comme l'adhésion ou la migration [29,30].

L'assemblage moléculaire, formé entre PAI-1 lié à la matrice extracellulaire, d'une part, et l'uPA lié à son récepteur membranaire, d'autre part, semble être capable de transmettre des signaux biochimiques et biomécaniques à la cellule.

Une boucle de régulation négative transforme un environnement très riche en PAI-1 en environnement moins riche en PAI-1. La formation et la déformation du pont moléculaire uPAR–uPA–PAI-1 induit une réponse cellulaire moléculaire et fonctionnelle. La cellule augmente ou diminue sa migration [3] ; elle pourrait également moduler l'expression de certains messagers du système PAs [22,31]. Ainsi le processus migratoire utilisé par les cellules dépendrait à la fois de la biodisponibilité de PAI-1 et de la régulation des éléments du système PAs.

Nous avons observé également, in vitro, que cet environnement très enrichi en PAI-1 entraîne, dans les cellules cancéreuses, une régulation négative des ARNm de PAI-1 [31]. Si l'on suppose que le taux protéique de PAI-1 suit l'évolution des ARNm, la présence de PAI-1, entretenue in vivo par les cellules elles-mêmes, devrait diminuer rapidement. Les cellules se retrouveraient alors dans l'équivalent d'un microenvironnement pauvre en PAI-1.

À l'échelle d'une cellule, une boucle d'interactions implique, d'une part la cellule et son microenvironnement, avec les changements morphologiques observés et d'autre part, la membrane et le noyau, avec les régulations des messagers et, sans doute, des protéines.

Ici le réseau de régulation qui régit le comportement cellulaire pourrait être dépendant de la concentration relative de PAI-1 avec deux points critiques : la concentration de PAI-1 qui engage la cellule dans la transition MAT et celle qui permettrait la transition inverse.

Une faible variation de cette concentration microenvironnementale de PAI-1 pourrait entraîner des conséquences catastrophiques. Les conséquences envisageables d'une seule transition MAT sont disproportionnées par rapport à la cause. En effet, la transition MAT offre à la cellule qui s'y engage la possibilité de s'échapper de la tumeur initiale, d'entreprendre une migration métastasique et, grâce à la dynamique du microenvironnement, à la faveur d'une transition inverse, de s'arrêter. Ceci implique, pour la cellule cancéreuse, un retour possible au « comportement » prolifératif initial et éventuellement l'établissement d'une tumeur secondaire. La régulation négative du taux d'ARN messagers de PAI-1 pourrait y contribuer.

Si tel est le cas, la cellule cancéreuse qui a repris sa condition de cellule cancéreuse initiale, non migrante, va proliférer, produire du PAI-1 (une caractéristique de la plupart des cellules cancéreuses invasives) et à nouveau se trouver dans les conditions de la transition MAT. Les points critiques de cette situation seraient des seuils de concentration en PAI-1 matriciel. Ils pourraient être franchis, symétriquement, par la variation (c'est-à-dire l'augmentation ou la diminution relative) de la concentration de PAI-1 dans le microenvironnement de la cellule en question.

Cette dynamique des liens cellule/microenvironnement induit un changement qualitatif du comportement cellulaire pouvant influencer la migration ou la prolifération. À chaque changement des conditions environnementales, la cellule peut se retrouver entraînée dans une nouvelle dynamique.

L'émergence d'un comportement migratoire, le retour vers un comportement non migratoire – possiblement prolifératif – ou la transition vers un autre type de migration est un changement qualitatif, à l'échelle cellulaire. Il peut conduire à des conséquences d'une toute autre échelle : la création d'une métastase. Celle-ci est en effet le résultat d'une séquence de phases de prolifération, d'une phase de migration suivie au moins d'une nouvelle phase de prolifération. Comprendre le processus métastatique implique donc de comprendre comment une même cellule issue d'une même tumeur initiale peut se comporter, soit en cellule proliférative, soit en cellule migrante – que cette migration soit de type adhésion–extension–dé-adhésion, soit de type amiboïde.

PAI-1 est capable d'induire la migration amiboïde, et initie une boucle de rétroaction négative conduisant à une diminution de sa biodisponibilité : il pourrait donc représenter un carrefour de transition. D'ailleurs, des souris dont le gène de PAI-1 a été annulé (KO pour PAI-1), réagissent à l'injection de cellules tumorales en développant des tumeurs moins volumineuses avec un nombre de métastases très diminué, en comparaison avec les souris non mutantes [32].

La Fig. 1 tente de résumer l'hypothèse de la dynamique pour une cellule, des liens cellule/microenvironnement relatif à PAI-1.

En utilisant cet environnement particulier (c'est-à-dire très enrichi en PAI-1) nous cherchions en fait, à mimer les conditions dans lesquelles les cellules tumorales se trouvent in vivo. En effet on décrit la présence d'un « bouclier » de PAI-1 à la périphérie des tumeurs très invasives [33]. Cet environnement de PAI-1 est créé, d'une part, par les cellules tumorales elle mêmes [3] ; il est en effet connu que, plus les cellules sont « invasives », plus elles sécrètent de PAI-1. D'autre part, les cellules stromales produisent également du PAI-1 [34]. Nous abordons ainsi une échelle supérieure, celle de l'environnement de la tumeur, ou échelle tissulaire.

On admet généralement que la probabilité d'échappement métastatique concerne moins d'une cellule tumorale sur 10 000, et que c'est une moindre proportion qui sera à l'origine d'une tumeur secondaire. Il s'agit d'un événement rare, et pourtant essentiel. Dans les avalanches, il est connu que la résultante n'est pas proportionnelle à la cause, c'est-à-dire que le système est non linéaire. C'est d'ailleurs cette non-linéarité des effets par rapport aux causes qui rend nécessaire une modélisation adéquate pour mieux comprendre le processus en cause.

Dans notre exemple, une seule molécule de PAI-1 pourrait-elle jouer le rôle d'amorce de cette avalanche biologique – catastrophique – conduisant à la métastase ? Et inversement ?