Piezo ion channels in cancer cell mechanotransduction

Abstract

The mechanical dependence of transformation and metastasis is an emerging field, but the role of mechanosensitive channels has been largely omitted. This thesis focuses on the roles played by the mechanosensitive ion channels Piezo1 and Piezo2 in the transduction of mechanical stimuli (confinement, adhesion, substrate rigidity, adhesive ligand concentration) by cancer cells. In a first chapter, we show that confinement triggers Piezo1-mediated calcium entry. This activates phosphodiesterase 1, reducing cAMP levels and, consequently, PKARac1 activity, relieving Myosin II from its inhibition. We also find a parallel, direct activation of Myosin II by confinement. As a combined result, cells stiffen and optimize their adhesion-free migration mode, usually responsible for in vivo migration during metastatic invasion. Piezo1 knockdown supresses confinement-induced calcium entry and impairs the underlying circuitry in ovarian epithelial (CHO) or melanoma (A375) cells. As a result, siPiezo1 cells show reduced migratory capacity under confinement. In the second chapter, we discover an essential role for Piezo2 as a transducer of environmental mechanical cues into RhoA activation to modulate the mechanobiological responses of MDA-MB-231-BrM2 brain metastatic breast cancer cells. Piezo2 knockdown disturbs stress fibre formation, adhesion orientation, force transmission and nuclear accumulation of the malignant co-transcriptional activator YAP, and this is phenocopied by extracellular calcium suppression. Promoting Actin polymerization with jasplakinolide or by over-expressing constitutively active forms of Rho or mDia1 restores stress fibres and nuclear YAP accumulation. In addition, Piezo2 knockdown disrupts several pro-metastatic functions: cell proliferation, migration, invadopodia formation, extracellular matrix degradation, and secretion of SERPINB2, a protein needed for protecting invasive cells from brain parenchymal defence mechanisms. The works presented in this thesis unveil important roles for Piezo channels as a first line of mechanical input detectors in distinct cells. These discoveries are relevant for several fields, e.g. cancer research, and highlight the importance of ion channels as transducers of environmental stimuli.

La dependència mecànica de la transformació i la metàstasi és un camp d’estudi / de recerca emergent, però el paper que hi juguen els canals iònics mecanosensibles s’ha omès fins ara. Aquesta tesi se centra en els rols dels canals Piezo1 i Piezo2 en la transducció d’estímuls mecànics per cèl·lules canceroses, com ara confinament, adhesió, rigidesa del substrat, concentració de lligands adhesius. En un primer capítol, mostrem que el confinament dispara l’entrada de calci per mitjà de Piezo1. Això activa la fosfodiesterasa 1, que redueix els nivells d’AMPc i, en conseqüència, l’activitat PKARac1, que deixen d’inhibir Miosina II. També trobem una activació paral·lela de Miosina II directament per confinament. Com a resultat final, les cèl·lules guanyen rigidesa i optimitzen el seu mode migratori independent d’adhesions, que és el preponderant in vivo durant la invasió metastàtica. Reduir els nivells de Piezo1 suprimeix l’entrada de calci induïda per confinament i desactiva el circuit subjacent en cèl·lules ovàriques epitelials (CHO) i de melanoma (A375). Això minva la capacitat migratòria de les cèl·lules siPiezo1. En un segon capítol, descobrim un rol essencial per a Piezo2 com a activador de RhoA en resposta a estímuls mecànics. Això modula les respostes mecanobiològiques de les cèl·lules MDA-MB-231-BrM2, de càncer de mama metastàtic a cervell. La reducció dels nivells de Piezo2 destorba la formació de fibres d’estrès, l’orientació de les adhesions, la transmissió de forces i l’acumulació nuclear del regulador transcripcional prometastàtic YAP. Suprimir el calci extracel·lular fenocòpia aquests resultats. Promoure la polimerització d’Actina amb jasplaquinolida o mer mitjà de la sobreexpressió de formes constitutivament actives de RhoA o mDia1 restableix les fibres d’estrès i l’acumulació nuclear de YAP. A més, la reducció de Piezo2 suspèn diverses funcions prometastàtiques: proliferació cel·lular, migració, formació d’invadopodis, degradació de la matriu extracel·lular i secreció de SERPINB2, una proteïna necessària per protegir les cèl·lules invasores dels mecanismes de defensa del parènquima cerebral. Els treballs presentats en aquesta tesi desvelen rols importants pels canals Piezo com a una primera línia de detectors d’estímuls mecànics en diferents tipus cel·lulars. Aquests descobriments són rellevants per a diversos àmbits, com ara la recerca en càncer, i remarquen la importància dels canals iònics com a transductors d’estímuls ambientals.