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L’ATPase vacuolaire (V-ATPase) est une pompe à protons multi-sous-unités pilotée par l’ATP qui acidifie les vésicules intracellulaires et le milieu extracellulaire et est ainsi impliquée dans un grand nombre de fonctions biologiques . Des revues précédentes ont décrit de manière élégante la structure et la fonction de la V-ATPase. Nous passons ici en revue la littérature récente relative à la fonction de la V-ATPase et à sa contribution à divers processus cellulaires dans la physiologie normale, en mettant l’accent sur le cancer. Nous présentons également en détail la régulation de Notch et d’autres voies de signalisation par la V-ATPase révélant une fonction jusqu’ici moins connue de la V-ATPase dans la signalisation cellulaire.

Sous-formes des sous-unités

Structurellement, la V-ATPase est un nanomoteur rotatif composé de plusieurs sous-unités, chacune avec plusieurs isoformes . Les sous-unités sont disposées en deux domaines : un domaine périphérique V1, responsable de l’hydrolyse de l’ATP et un domaine membranaire intégral VO, qui fonctionne dans la translocation des protons. La structure de la V-ATPase a été hautement conservée parmi toutes les cellules eucaryotes et est impliquée dans diverses fonctions à travers les espèces. Chez les mammifères, le domaine V1 comporte huit sous-unités différentes (A, B, C, D, E, F, G et H) tandis que le domaine VO est composé de six sous-unités différentes (a, c, c’, c », d, e) . L’exigence différentielle d’acidification des vésicules intracellulaires et du milieu extracellulaire détermine la fonction et la régulation de la V-ATPase. Pour diminuer ou augmenter l’efficacité de la pompe, la V-ATPase contrôle le couplage entre l’hydrolyse de l’ATP et le pompage des protons. Ce processus est assuré par la sous-unité « a » de la V-ATPase. De même, le ciblage de la V-ATPase en fonction de la cellule et du compartiment dépend également des isoformes de la sous-unité « a ». VOa est une protéine membranaire intégrale de 100 kDa avec une queue cytosolique N-terminale et 9 domaines transmembranaires. Quatre isoformes de la sous-unité ‘a’ (a1, a2, a3 et a4) ont été identifiées avec une distribution vésiculaire et cellulaire distincte. VOa1 est exprimé sur les vésicules synaptiques et VOa2 est exprimé sur les vésicules intracellulaires comme le golgi et les endosomes précoces. VOa3 est exprimé sur la membrane plasmique des ostéoclastes, tandis que VOa4 est exprimé sur la membrane plasmique des cellules intercalaires rénales. En outre, l’extrémité N-terminale de la sous-unité ‘a’ est un motif important qui attache le domaine V1 à la membrane et a également été signalé comme un capteur de pH unique dans les lysosomes. L’expression et la localisation isoforme de la sous-unité ‘a’ sont critiques pour le fonctionnement de la V-ATPase .

Fonction physiologique de la V-ATPase

La V-ATPase est exprimée de manière ubiquitaire et remplit diverses fonctions biologiques au sein des cellules de la plupart des tissus par l’acidification vésiculaire, luminale et extracellulaire . Pour réaliser de nombreuses fonctions cellulaires, la V-ATPase facilite la concentration localisée de protons dans les vésicules acides des voies endocytiques et exocytiques .

Acidification vésiculaire

Endosomes et lysosomes

La V-ATPase est surtout connue pour son rôle dans l’acidification des vésicules intracellulaires comme les endosomes et les lysosomes. À la surface des endosomes, la V-ATPase s’acidifie et module ainsi d’importants processus cellulaires comme l’endocytose des récepteurs et le trafic vésiculaire. L’acidification des endosomes par la V-ATPase est cruciale pour l’internalisation endocytique des complexes ligands-récepteurs. Après le déclenchement de la signalisation, la baisse du pH dans les endosomes libère le ligand en le recyclant vers la membrane plasmique. Dans les lysosomes, les V-ATPases aident à maintenir le faible pH de 4,5 et sont également importantes pour le transport des hydrolases acides nouvellement synthétisées du Golgi aux lysosomes. De plus, les phagosomes et les autophagosomes dans les macrophages et les cellules tumorales respectivement, dépendent également du pH acide maintenu par la V-ATPase pour l’activité des enzymes de dégradation dans ces compartiments .

Golgi

Le tri des machines exocytaires et endocytaires commence au niveau du complexe de Golgi. Fait important, la plupart des protéines subissent une glycosylation, une modification post-traductionnelle cruciale au sein de l’appareil de Golgi . Les mutations de la sous-unité a2 de la V-ATPase entraînent la cutis laxa, un syndrome autosomique récessif de la peau ridée, qui se caractérise par une glycosylation déficiente des protéines de la matrice extracellulaire. Bien que la V-ATPase ait été génétiquement corrélée à un défaut de glycosylation, la relation exacte entre l’acidification du Golgi et la maturation des protéines n’a pas été explorée.

Vésicules spécialisées

La V-ATPase est une protéine majeure exprimée dans des compartiments spécialisés de types cellulaires spécifiques. Pendant la neurotransmission, la V-ATPase fournit la force motrice protonique cruciale nécessaire à la formation des vésicules synaptiques et à l’accumulation ultérieure de neurotransmetteurs . Dans les cellules pancréatiques, l’acidification dépendante de la V-ATPase est importante pour l’exocytose de l’insuline. La V-ATPase régit également l’équilibre fission-fusion du système vésiculaire en interagissant avec le récepteur de la protéine d’attachement NSF soluble (SNARE) et la GTPase .

Acidification luminale

Les V-ATPases ont été initialement identifiées sur les vésicules intracellulaires, mais l’importance des V-ATPases de la membrane plasmique a énormément augmenté . Dans les cellules épithéliales du tubule proximal du rein, l’isoforme a4 de la V-ATPase maintient l’équilibre acido-basique et l’acidification de l’urine (acidose systémique) . De même, dans les cellules claires de l’épididyme, la V-ATPase de la membrane plasmique acidifie le compartiment luminal et contribue à la maturation et au stockage des spermatozoïdes. Dans les ostéoclastes des os, la V-ATPase lysosomale se transloque vers la membrane plasmique pendant la résorption osseuse pour acidifier les lacunes . La V-ATPase plasmalemale est essentielle au fonctionnement des cellules interdentaires de l’oreille, des cellules épithéliales du nez et de la vision . Le dysfonctionnement de la V-ATPase est associé à des conditions pathologiques comme l’acidose tubulaire rénale, la surdité, l’altération du sens olfactif et l’ostéoporose Un schéma décrivant le rôle de la V-ATPase dans l’acidification vésiculaire et luminale est présenté dans la Fig. 1.

Rôle dans les cancers

Récemment, les V-ATPases de la membrane plasmique ont été largement étudiées dans le cancer, où elles aident à maintenir un environnement intracellulaire alcalin favorable à la croissance et un environnement extracellulaire acide favorable à l’invasion . Dans les tumeurs, l’expression de la V-ATPase s’est avérée plus élevée vers le bord avant des cellules cancéreuses en prolifération dans les cancers du sein, de la prostate, du poumon, de l’ovaire, du foie, du pancréas, du mélanome et de l’œsophage. Plus précisément, les cellules du cancer du sein expriment la V-ATPase sur la membrane plasmique pour acidifier l’espace extracellulaire et l’expression quantitative de la V-ATPase est en corrélation avec le caractère invasif et le potentiel métastatique de la lignée cellulaire. La contribution exacte de la V-ATPase à la croissance de la tumeur est obtenue par son influence sur les mécanismes/voies moléculaires discutés ci-dessous.

Immunomodulation

L’isoforme a2 de l’ATPase Vacuolaire (VOa2 ou a2V) a un rôle immunomodulateur dans la grossesse et le cancer. Des études impliquant l’a2V dans la biologie de la reproduction ont mis au jour un rôle jusqu’alors inconnu pour cette molécule dans la maturation et la production normales des spermatozoïdes, en plus de l’implantation de l’embryon . Dans le microenvironnement tumoral, le domaine N-terminal de l’a2V polarise les macrophages vers les macrophages associés à la tumeur (type M2) et stimule différents sous-ensembles de monocytes par la voie de l’endocytose. Suite à ces résultats, il a été démontré que la déficience en a2V dans les cellules tumorales modifie la population de macrophages résidents dans le microenvironnement tumoral et affecte la croissance tumorale in vivo. a2V est exprimé sur les granules primaires des neutrophiles et aide à maintenir le pH dans la voie exocytaire pendant l’activation des neutrophiles. Le traitement de neutrophiles humains avec le peptide N-terminal recombinant de l’a2V (a2NTD) favorise la migration et la polarisation des neutrophiles. Ensemble, ces études soulignent le rôle immunomodulateur de la V-ATPase dans l’élicitation de puissantes réponses immunitaires.

Effet Warburg

Une caractéristique du cancer est l’effet Warburg où les cellules passent de la phosphorylation oxydative à la glycolyse aérobie . Plusieurs études indiquent que les cellules cancéreuses dépendent de la V-ATPase plus que de tout autre régulateur de pH comme les échangeurs Na+H+, les transporteurs de bicarbonate et les symporteurs de proton-lactate pour obtenir un pH intracellulaire alcalin favorable et un pH extracellulaire acide. L’alcalinisation du cytosol active la glycolyse tout en supprimant la phosphorylation oxydative. En outre, certains oncogènes liés à la glycolyse, comme le facteur induit par l’hypoxie (HIF-1), sont régulés par la modification du pH induite par la V-ATPase .

Protéases acides

L’acidification extracellulaire dans les tumeurs a pour conséquence l’activation des protéases acides, qui sont des enzymes qui clivent la matrice extracellulaire pendant l’invasion tumorale. Ces enzymes appartiennent à la classe des protéinases acides comme les cathepsines , les Matrix Metallo Proteinases (MMP) et les gélatinases et sont actives à pH acide . En outre, l’activité d’enzymes intracellulaires comme la γ-sécrétase, qui sont actives à un pH acide, est également renforcée par l’augmentation de l’activité de la V-ATPase dans les vésicules. Par la suite, cela conduit à une dérégulation des voies oncogènes comme Notch.

Résistance aux médicaments et inhibiteurs de la V-ATPase

La modification du pH du microenvironnement tumoral peut influencer la sensibilité aux médicaments chimiothérapeutiques . Les anthracyclines et les alcaloïdes ont un pKa de 7 à 8 et sont internalisés dans le compartiment endosomal . Des données récentes suggèrent que l’utilisation d’inhibiteurs de la V-ATPase provoque non seulement des modifications du pH cytosolique conduisant à la mort cellulaire, mais améliore également l’absorption des médicaments, ce qui en fait un élément efficace du traitement combinatoire du cancer. Dans le cancer de l’ovaire, l’a2V est exprimé sur le bord antérieur des cellules cancéreuses et module l’activité de MMP9. En outre, l’a2V contribue à la résistance aux médicaments induite par le cisplatine dans le cancer de l’ovaire et l’inhibition sélective de l’a2V pourrait constituer une stratégie efficace pour traiter le cancer de l’ovaire chimiorésistant. Les inhibiteurs de la V-ATPase, la bafilomycine et la concanamycine, appartiennent à une classe de pléomacrolides qui ciblent le secteur VO et inhibent efficacement l’activité de la V-ATPase. Récemment, l’Apicularen et les archazolides ont été signalés comme étant des inhibiteurs puissants et spécifiques de la V-ATPase . Cependant, tous les inhibiteurs à petite molécule disponibles présentent une toxicité significative compte tenu de l’implication de la V-ATPase dans la physiologie cellulaire normale. Par conséquent, le développement d’anticorps neutralisants spécifiques contre l’isoforme de la sous-unité ‘a’ qui a une expression spécifique aux cellules pourrait être une alternative efficace pour provoquer une inhibition directe de la V-ATPase tout en s’attaquant indirectement à la multirésistance aux médicaments avec une utilisation combinatoire .

Autophagie

L’autophagie est le processus de dégradation ou de recyclage sélectif des cargaisons délivrées par les autophagosomes aux lysosomes . Les cellules tumorales montrent une dépendance variée à l’autophagie lorsqu’elles passent de la tumeur primaire à la tumeur solide hautement métastatique . Les cargaisons cellulaires marquées pour la dégradation sont livrées aux lysosomes par les processus autophagiques. L’activité de pompage des protons de la V-ATPase est responsable de l’activation des hydrolases acides lysosomales qui dégradent la cargaison absorbée par les autophagosomes. Bien que des études indiquent que l’autophagie nécessite une V-ATPase fonctionnelle et que la Bafilomycine, un inhibiteur de la V-ATPase, est utilisée comme inhibiteur classique de l’autophagie, le rôle exact de la V-ATPase dans la dynamique membranaire du flux autophagique n’est pas compris. Une étude récente a rapporté que le traitement avec la Bafilomycine, qui inhibe l’activité de la V-ATPase et de la pompe Ca2+ SERCA, a conduit à un blocage du flux autophagique alors que les lysosomes déficients en V-ATPase étaient encore capables de fusionner avec les autophagosomes. Ces résultats suggèrent l’implication de la V_ATPase dans la dégradation de la cargaison autophagique dans les lysosomes que dans le flux autophagique et soulignent la nécessité de développer des inhibiteurs spécifiques et des techniques de manipulation génétique pour étudier le rôle exact de la V-ATPase dans divers processus cellulaires importants.

Signalisation

La voie endolysosomale est importante pour la régulation positive et négative des voies de signalisation . Le premier rapport connu de l’implication de la V-ATPase dans la signalisation provient d’une étude montrant que l’inhibition de la V-ATPase par la Bafilomycine affectait l’internalisation de l’EGFR . Depuis lors, la V-ATPase a été associée à la transduction du signal associée à la régulation de la signalisation m-TOR (mammalian Target Of Rapamycin), Wnt, TGF-β et Notch.

Signalisation Notch

Peut-être que la voie de signalisation la plus étudiée régulée par la V-ATPase est Notch. Cela peut être attribué au fait que la signalisation Notch dépend de la voie endolysosomale pour son activation, son maintien et la dégradation des médiateurs clés de la voie . La V-ATPase maintient l’équilibre du pH cellulaire et joue un rôle important dans l’endocytose, l’activation des protéases et la dégradation des protéines. Plus précisément, l’a2V (sous-unité de la V-ATPase – VOa2) a été précédemment localisée dans les endosomes précoces – le site d’endocytose des récepteurs. Après la liaison du ligand, le récepteur Notch emprunte la voie endocytique et est clivé par des protéases pour être activé. Plus tard, les récepteurs sont dégradés dans le lysosome . Chez la drosophile, les mutations de Vps25, un composant de la machinerie ESCRT qui régule le tri endosomal des récepteurs de signalisation, entraînent l’accumulation du récepteur Notch dans les endosomes et renforcent la signalisation Notch. Dans une étude analysant les mutations chez la drosophile de Hrs, un autre composant de l’ESCRT, Notch s’accumule dans les endosomes mais ne provoque pas d’activation ectopique de la signalisation Notch . La perte de l’autophagie entraîne l’activation de la signalisation Notch dans les cellules folliculaires ovariennes de la drosophile en raison de la perturbation de la dégradation de Notch. Contrairement à ces rapports, une étude indépendante a révélé que les mutations de Rabconnection-3 perturbent l’activité de pompage des protons de la V-ATPase et accumulent Notch dans les endosomes tardifs après le clivage de S2, réduisant ainsi la signalisation Notch dans les cellules de drosophile et de mammifère. Ces résultats ont été suivis par des rapports chez la drosophile indiquant que, par l’acidification de la voie endolysosomale, la V-ATPase est nécessaire pour l’activation de Notch dans les endosomes ainsi que pour la dégradation de Notch dans les lysosomes. Au cours du développement des mammifères, l’expression d’une sous-unité négative dominante de la V-ATPase dans les précurseurs neuronaux réduit la signalisation Notch et épuise les cellules souches neurales, ce qui entraîne une différenciation neuronale. Récemment, des études sur les astrocytes de la rétine de rats mutés par Nuc1 ont montré qu’ils déréglaient la signalisation Notch. La réduction de la signalisation Notch était due à la mutation de la βA3/A1-cristalline, qui régule l’activité de la V-ATPase, entraînant une acidification endosomale et une activité de la γ-sécrétase altérées, ce qui affecte le taux de traitement des récepteurs Notch. Il s’agit d’une découverte intéressante si l’on considère que le rôle de la V-ATPase dans la vision est en train d’émerger. L’ensemble de ces résultats indique que la régulation de la signalisation Notch par la V-ATPase peut avoir des résultats positifs ou négatifs selon la localisation cellulaire de l’activité V-ATPase affectée (endosomes ou lysosomes) et la dépendance du traitement des récepteurs Notch sur la voie endosomale. Bien que la diaphonie entre la V-ATPase et Notch ait été étudiée dans le contexte de l’acidification endolysosomale dépendante de la V-ATPase affectant la signalisation Notch, un rapport récent suggère que la régulation pourrait également être vice-versa. Plus précisément, les auteurs suggèrent que la Presinilin1 (PS1), un composant du complexe enzymatique γ-secrétase responsable du clivage du récepteur Notch et du peptide β-amyloïde, interagit physiquement avec l’isoforme VOa1 de la V-ATPase et la cible du réticulum endoplasmique vers les lysosomes. Nos études ont identifié que la V-ATPase régule la signalisation Notch dans le cancer du sein et le développement de la glande mammaire. a2V est exprimé à la surface des cellules épithéliales mammaires en prolifération et des cellules du cancer du sein triple négatif (TNBC), indiquant son rôle dans la prolifération cellulaire au cours du développement normal et de la maladie. Dans le cancer du sein triple négatif, l’inhibition de l’a2V améliore la signalisation Notch en bloquant la dégradation lysosomale et autophagique du récepteur Notch. La perte de l’a2V dans la glande mammaire de la souris entraîne une activation anormale de Notch et nuit à la morphogenèse des canaux, provoquant des défauts de lactation. La signalisation Notch est activée pendant le travail prématuré induit par l’infection par le PGN + poly (I:C), ce qui entraîne une augmentation des réponses pro-inflammatoires, et son inhibition améliore la survie in-utero des fœtus vivants. En outre, dans le travail prématuré induit par une réponse inflammatoire à l’injection de LPS, on a observé une régulation positive de l’inflammation liée à Notch et une régulation négative des facteurs d’angiogenèse. Dans les deux modèles d’infection et de travail prématuré inflammatoire, nous avons pu sauver le phénotype en traitant avec des inhibiteurs de la γ-sécrétase (GSI). Cela ouvre la voie à d’importantes orientations futures, d’autant plus que le GSI est un inhibiteur efficace de la signalisation Notch et qu’il fait actuellement l’objet d’essais cliniques pour plusieurs cancers. Avec cela, le crosstalk V-ATPase et Notch émerge pour être important au cours du développement normal et dans les maladies comme Alzheimers et divers cancers .

Signalisation Wnt

La voie de signalisation Wnt joue un rôle majeur dans le maintien, la polarité et la différenciation des cellules et des tissus. Chez l’homme, la dysrégulation de la signalisation Wnt a été impliquée dans le cancer . Un exemple classique de dérégulation de la signalisation Wnt est le cancer colorectal, dans lequel la perte de l’Adenomatous Polyposis Coli (APC), un régulateur négatif de la signalisation Wnt, déclenche la tumorigenèse. Au cours de la signalisation, les ligands de Wnt agissent sur les cellules cibles en se liant à Frizzed, Fz et LRP (lipoprotéine de faible densité), un complexe de récepteurs de surface cellulaire qui entraîne le désassemblage des Glycogen Synthase Kinas (GSK-3) et la libération subséquente de la β-caténine. La β-caténine est le principal médiateur en aval de la voie Wnt, qui active les gènes oncogènes cibles de Wnt tels que c myc et cyclinD1. Le (P) RR, Pro Renin Receptor également appelé ATP6ap2 agit comme une molécule adaptatrice entre la V-ATPase et le complexe récepteur Wnt LRP 5/6 . Chez le Xénope et la Drosophile, il a été démontré que la V-ATPase interagit avec le complexe de récepteurs LRP 5/6 et que le knockdown génétique et l’inhibition pharmacologique de la V-ATPase interfèrent avec la transduction du signal et réduisent significativement la réponse cellulaire à la signalisation Wnt. En outre, la V-ATPase régule indirectement le médiateur de signalisation Wnt β-caténine et le médiateur Notch NICD a été démontré par l’autophagie .

Signalisation TGF-β

Les mutations dans le gène a2V causent le syndrome Autosomal récessif Cutis Laxa (ACL) où les patients présentent une quantité réduite de protéines de la matrice extra cellulaire comme le collagène résultant en un phénotype de peau ridée . À l’appui de ces conclusions, une étude mécaniste des mutations responsables de la cutis laxa chez l’homme a identifié la mutation a2P405L comme étant instable et défectueuse dans le trafic de golgi par rapport au type sauvage. En outre, des rapports font état d’un défaut de glycosylation dans l’ACL, qui entraîne une augmentation de la signalisation du facteur de croissance transformant bêta (TGF-β) chez les patients présentant des mutations a2V. La V-ATPase favorise la transition épithéliale-mésenchymateuse induite par le TGF-β dans les cellules épithéliales des tubules proximaux de rat. En plus de son effet sur la signalisation Notch, l’inhibition de l’a2V a activé la voie Wnt dans le TNBC et la voie TGF-β dans les cellules épithéliales mammaires . Cela suggère que le rôle de l’a2V dans la modulation des médiateurs de signalisation n’est pas exclusif à Notch. En outre, ces souris ont également présenté une réduction du collagène total en raison d’une altération de la glycosylation .

signalisation mTOR

Dans la signalisation mTOR, la sérine-thréonine kinase mTOR et d’autres composants du complexe mTOR 1 (mTORC1) détectent la disponibilité des acides aminés le stress cellulaire, et modulent la croissance .Lors de la stimulation par les acides aminés, la V-ATPase active l’activité du facteur d’échange de la guanine (GEF) de Ragulator vers RagA, ce qui favorise l’hydrolyse du GTP de RagC. Le RagA lié au GTP et le RagC chargé en GDP recrutent ensemble mTORC1 à la surface du lysosome. L’activation de mTORC1 répond à la signalisation des facteurs de croissance et contrôle le passage réglementaire de la mort cellulaire à la prolifération. Un rapport récent a suggéré l’implication du régulateur de la pompe à protons des ostéoclastes Atp6v1c1 dans l’amélioration de la croissance du cancer du sein en activant la voie mTORC1 et des métastases osseuses en augmentant l’activité de la V-ATPase .

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