Metastasis, integrins and RGD cadherins

Article published in November 2016

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2016.11.1

Ignacio Casal

Grupo de Proteómica Funcional. Centro de Investigaciones Biológicas (CSIC).
This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

Download article (pdf)

The colonization of the distant organ constitutes one of the most unknown processes in cancer metastasis. Recently, we have identified a group of cadherins that contains RGD motifs within their sequence. These cadherins play a relevant role in integrin activation, enhancing the adhesion, proliferation and survival of the cancer cell in the hostile microenvironment of the target organ.

 

El proceso de metástasis es responsable de más del 90% de las muertes asociadas a cáncer. No es por tanto el tumor primario nuestro mayor enemigo sino la diseminación incontrolada de sus células por diferentes órganos internos. La metástasis tumoral es un proceso complejo que implica varios pasos autolimitantes que abarcan desde el momento en que la célula cancerígena se desprende del tumor hasta que coloniza un órgano distante. Estos pasos incluyen intravasación para acceder al torrente circulatorio, supervivencia en el flujo sanguíneo, extravasación y, finalmente, capacidad de la célula para adaptarse a crecer en un medio hostil como puede ser el microambiente del órgano receptor (por ejemplo, el hígado o los pulmones). Todos estos pasos implican un proceso de "fitness" continuado de la célula tumoral, acompañada de un proceso de selección darwiniana que hace que, afortunadamente, muy pocas células consigan la colonización final. En muchos casos, como en el cáncer colorrectal, este proceso de adaptación abre una ventana de tiempo lo suficientemente amplia (años) para permitirnos detectar el tumor y tratarlo de forma eficaz antes de que adquiera sus propiedades más invasivas y metastáticas. Conviene recordar que en la gran mayoría de los casos no existen diferencias genéticas significativas entre la célula del tumor primario y la célula metastática. Por tanto, y con vistas a posibles terapias, lo lógico sería buscar diferencias a nivel de proteínas que puedan ser usadas como dianas terapéuticas.
La mayoría de los tumores sólidos presentan predilección por ciertos órganos específicos para la metástasis. Así, el cáncer de mama forma metástasis preferentemente en pulmones, cerebro o hueso, el melanoma en hígado o pulmones y el cáncer colorrectal preferentemente en hígado. Los factores que controlan esta predilección son tanto fisiológicos (p.e. la circulación portal entre el intestino y el hígado), como moleculares que favorecen la implantación o colonización del órgano receptor. En los últimos años, nuestro grupo ha utilizado modelos de líneas celulares isogénicas para identificar y estudiar aquellas proteínas expresadas diferencialmente en células metastáticas de cáncer colorrectal. Se trata de células que a pesar de tener la misma carga genética poseen muy diferente capacidad metastática. Utilizando técnicas proteómicas avanzadas hemos identificado proteínas más abundantes y relevantes en metástasis. Entre las proteínas identificadas como más abundantes destacaba la
presencia de la cadherina 17 (CDH17), también conocida como LI-cadherina ("liver-intestine"). Esta cadherina pertenece a la familia de las cadherinas 7D, una familia relativamente poco conocida de cadherinas conteniendo 7 dominios extracelulares. Esta proteína se expresa en tejidos fetales y en mucosa de colon normal. En los tumores primarios disminuye su expresión y vuelve a aumentar durante la metástasis hepática.
Utilizando experimentos de silenciamiento génico observamos que células "knockout" para CDH17 de cáncer colorrectal presentaban una menor capacidad de adhesión y proliferación, propiedades críticas para la implantación celular en el órgano distante. Por otro lado, detectamos la capacidad de CDH17 para unirse y activar la integrina α2β1. Las integrinas son moléculas clave en señalización celular y, particularmente, en la comunicación de la célula con las proteínas de la matriz extracelular. Aunque existen 24 subunidades diferentes entre α y β, en realidad cada tipo celular expresa preferentemente unos pocos heterodímeros. Así las células de cáncer de colon metastáticas expresan preferentemente las integrinas α2β1 y α6β4. Para nuestra sorpresa, descubrimos que la activación de la integrina α2β1 por la CDH17 se debía a la presencia de un motivo RGD en su secuencia. Los motivos RGD fueron descubiertos por el grupo de Erkki Ruoshlati hace más de 30 años como motivo de reconocimiento principal entre proteínas de la matriz extracelular (fibronectina, vitronectina,...), que contienen esta secuencia RGD, y las integrinas celulares. El motivo RGD supuso un hallazgo esencial para comprender los mecanismos de transmisión bidireccional de señales entre las células y la matriz extracelular.
Dado que existen más de 500 proteínas que contienen motivos RGD y que en muchos casos se desconoce su función, el papel de ciertas cadherinas como ligandos potenciales de integrinas ha sido ampliamente ignorado. Nosotros hemos observado y caracterizado la presencia de motivos RGD en varias cadherinas, fundamentalmente CDH17 y CDH5, también llamada VE-cadherina o cadherina vascular-endotelial, que juega un papel fundamental en los procesos de angiogénesis. Hemos demostrado que estos motivos RGD son fundamentales para el proceso de activación de la integrina α2β1 en células metastáticas de diferentes tumores (colon, mama y melanoma hasta la fecha), lo cual conduce a un aumento de la adhesión, invasión y proliferación de dichas células. El dato más prometedor reside en la capacidad de utilizar anticuerpos monoclonales específicos de los motivos RGD de cadherinas para frenar el desarrollo y la capacidad de colonización de dichas células metastáticas y conseguir así un aumento en la supervivencia de los pacientes de cáncer. Actualmente estamos ensayando el valor terapéutico de dichos anticuerpos monoclonales. En cualquier caso, resulta interesante comprobar cómo viejos conceptos que se creían absolutamente establecidos, como por ejemplo la activación de integrinas por motivos RGD, pueden sufrir una completa reevaluación, con importantes consecuencias clínicas, debido a la participación de nuevos actores moleculares, como las cadherinas, previamente desconocidos.

 

 figura Ignacio Casal

 Figura. Esquema de la interacción CDH17- integrina α2β1. La unión de CDH17 a la integrina provoca su activación y un reforzamiento de la unión a colágeno tipo IV, mayoritario en la matriz hepática, para un mejor anclaje de las células metastáticas. Adaptado de Bartolomé et al (2014) J BiolChem289: 34801-34814.

 

REFERENCES

1. Ruoslahti E. The RGD story: a personal account. Matrix Biol 2003; 22: 459-465
2. Bartolomé RA, Peláez-García A, Gómez I, Torres S, Fernández-Aceñero MJ, Escudero-Paniagua B,Imbaud, J.I. and JI Casal. An RGD motif present in cadherin 17 induces integrin activation and tumor growth. J Biol Chem 2014; 289: 34801-34814.
3. Bartolomé RA, Barderas R, Torres S, Fernández- Aceñero MJ, Mendes M, García-Foncillas J, López-Lucendo M and J. I. Casal. Cadherin-17 interacts with alpha2beta1 integrin to regulate cell proliferation and adhesion in colorectal cancer cells causing liver metastasis. Oncogene 2014; 33: 1658-1669.
4. Hynes RO. Integrins: bidirectional, allosteric signaling machines. Cell 2002; 110: 673-687.

 

 

Read previous articles

 

Interview

Ignacio Casal
Grupo de Proteómica Funcional. Centro de Investigaciones Biológicas (CSIC).

This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Mi vocación científica creo que surgió de forma innata. Desde la infancia sentí gran curiosidad por todo lo que tenía que ver con ciencia y descubrimientos. Severo Ochoa, el último premio Nobel español y asturiano como yo, ejerció posiblemente una gran influencia en mi opción de decantarme por la bioquímica. La elección de una carrera de ciencias como químicas abría la posibilidad de estudiar bioquímica, por entonces una especialidad de químicas que solo se impartía en Madrid y Barcelona. Esa fue la razón por la que me trasladé de Oviedo a la Universidad Complutense de Madrid donde conocí a D. Ángel Martín Municio, extraordinario profesor y pionero de la bioquímica en España, que me introdujo en el mundo de la Bioquímica y de la investigación.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Al terminar la carrera, realicé mi Tesis Doctoral en el grupo del Prof. Eladio Viñuela bajo la supervisión del Prof. Luis Enjuanes sobre la inmunología del virus de la peste porcina africana en el Centro de Biología Molecular, un centro mixto CSIC-UAM. Disfruté de una de las primeras becas del FIS que se comenzaban a dar en España. Posteriormente realicé una estancia postdoctoral en el Massachusetts Institute of Technology en el laboratorio del Prof. Klibanov, donde me familiaricé con técnicas de biología molecular y química de proteínas. Recuerdo el MIT como un sitio absolutamente fascinante. Lo que más me llamó la atención fue la tremenda multidisciplinariedad y la gran interconexión y comunicación que había entre todos los departamentos. De vuelta a España, y teniendo en cuenta que siempre me he sentido atraído por la aplicación de los resultados, me incorpore a la recién creada empresa de Biotecnología, INGENASA, una de las primeras que hubo en España y allí trabaje muchos años en el campo de la sanidad animal en temas de diagnósticoy desarrollo de nuevas vacunas frente a virus veterinarios, llegando a ser Director del Departamento de Investigación. Sin embargo, la reiteración en el tipo de experimentos me llevó a buscar nuevos objetivos profesionales y retos científicos. En 2001, me incorporé al CNIO como director del Departamento de Biotecnología y allí empecé a trabajar en cáncer colorrectal y proteómica, compaginándolo con todas las labores de gestión que implicaba el puesto y participar en el lanzamiento de un centro del tamaño del CNIO. Finalmente, desde 2008 tengo la plaza de Investigador Científico del CSIC en el Centro de Investigaciones Biológicas donde he disfrutado de un magnífico ambiente científico para llevar a cabo mis investigaciones actuales.

P.- ¿La repetiría en su totalidad?

R.- Es difícil contestar a esta pregunta. Como científico, creo que aunque mi trayectoria ha sido buena siempre hay cosas mejorables. Probablemente hubiera sido muy positivo alargar mi periodo postdoctoral en el extranjero, o incluso realizar un segundo periodo, dado que esos años suelen ser extraordinariamente productivos y formativos. Por otro lado, yo soy un caso bastante atípico en el sentido que he hecho un viaje de ida y vuelta desde la academia a la empresa y vuelta a la academia y además cambiando de línea de trabajo. Estas situaciones en España están extraordinariamente penalizadas. Probablemente si llego a saber todos los problemas con los que me he enfrentado me lo hubiera pensado más. Luego volveré sobre ello.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador? ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Creo que lo primero es la curiosidad por conocer y solucionar problemas. Después, la suficiente imaginación e ingenuidad para plantear las preguntas adecuadas y las posibles estrategias y formas de resolver el problema. A continuación, ser un trabajador impenitente e inasequible al desaliento, al maltrato de los editores, los referees o los evaluadores de proyectos. Una gran exigencia consigo mismo para ser competitivo en un entorno cada vez más duro. En este sentido, un permanente cuestionamiento tanto de los resultados propios como de los ajenos resulta de gran ayuda. Creo que en ciencia es tan difícil contribuir con un nuevo descubrimiento como rebatir una teoría bien establecida que sin embargo no es cierta, es incompleta o está mal interpretada. En ese sentido resultan particularmente preocupantes publicaciones recientes donde se describe la gran falta de reproducibilidad en muchos artículos científicos incluidos en revistas como Nature, Science o Cell. En definitiva, perseverancia y paciencia son absolutamente esenciales.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- Desde hace años estoy interesado en el estudio de los mecanismos de metástasis en cáncer y, particularmente, en cáncer colorrectal. La metástasis es responsable de más del 90% de las muertes asociadas a cáncer y a pesar de ello existen numerosas lagunas en el conocimiento de su biología. Utilizo una perspectiva transversal, holística, que incluye el uso de varias tecnologías –omicas, principalmente proteómicas. Este tipo de aproximación supone un gran reto intelectual en cuanto te enfrenta a múltiples proteínas, generalmente desconocidas, y que presentan funciones muy alejadas entre sí. Todo ello complica tanto un avance rápido por la falta de buenos reactivos, como la publicación de los resultados dado que nunca serás un especialista en esa proteína concreta o familia de proteínas que además no suelen estar "de moda". Desafortunadamente, conviene recordar que la abrumadora mayoría de las publicaciones en cáncer y otras disciplinas se concentra en muy pocas proteínas, apenas el 5-10% del proteoma, ignorando miles de proteínas que pueden ser esenciales para descubrir una nueva diana o un nuevo método diagnóstico.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España? ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- Mi opinión es bastante negativa. Por citar solo dos ejemplos. Como comenté anteriormente, uno de los principales problemas que veo en el desarrollo de una carrera científica en España es la tremenda estanqueidad que existe entre la academia y la industria. Si decides comenzar o continuar temporalmente tu carrera científica en la industria, es prácticamente imposible que puedas regresar a una ciencia académica que está excesivamente "funcionarizada". Vas a recibir penalizaciones por todas partes, tanto científicas, a la hora de conseguir una plaza,solicitar y obtener proyectos, como económicas. Si tienes la suerte, como es mi caso, de conseguir una plaza y que encima te den proyectos, serás penalizado en tu productividad, se te negarán los quinquenios y los trienios independientemente de tu productividad anterior, no se te reconocerá la antigüedad y así sucesivamente. Otro tema tabú en España es el cambio de línea de trabajo. Yo durante muchos años realicé mi investigación en el campo de la virología, de hecho he descubierto recientemente que sigo teniendo uno de los índices h más altos de España en ese campo, para pasarme hace 15 años al campo de la oncología. Obvia decir que te las verás y desearás para conseguir proyectos y reconocimiento independientemente de tu trayectoria anterior.
Respecto al camino por recorrer en I+D, más allá de la endémica baja financiación de la ciencia en España, tanto a nivel público como privado, creo que últimamente estamos asistiendo a un fenómeno particularmente perverso que algunos llaman el "efecto Mateo" y que básicamente consiste en que cada vez hay más dinero para los que más tienen y menos para los que menos tienen. Todo ello supuestamente en base a una pretendida política de "excelencia científica" (léase índice de impacto de las revistas) y que han abrazado fervorosamente tanto las instituciones públicas como privadas. Cuando hay poco que repartir y encima se reparte mal, el efecto a medio/largo plazo puede ser devastador, de hecho creo que la clase "media" científica en España está sufriendo un tremendo castigo. Si a ello unimos la gran disminución en el número de plazas ofertadas en las OPIs, sobre todo el CSIC, en los últimos años y las nulas posibilidades de promoción interna, por razones aún más difíciles de comprender, el panorama es francamente desalentador (o demoledor) para el científico medio español. Por último, la financiación a nivel autonómico está generando enormes desigualdades entre científicos, basadas exclusivamente en tu lugar de residencia y la sensibilidad del político local hacia la I+D. Son temas que exigen algún tipo de reequilibrio por parte del gobierno central para evitar que buenos grupos, pero mal localizados geográficamente, resulten permanentemente agraviados e infra-financiados.

 

Biography

Ignacio Casal
Grupo de Proteómica Funcional. Centro de Investigaciones Biológicas (CSIC).
This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

Ignacio Casal es licenciado en ciencias químicas por la Universidad Complutense de Madrid y Doctor en Ciencias por la Universidad Autónoma de Madrid (1984). Realizó su trabajo de doctorado con el Prof. Luis Enjuanes en el Centro de Biología Molecular (CSIC-UAM). Durante su etapa post-doctoral trabajó en química de proteínas y mutagénesis dirigida en el MIT (Cambridge. MA. EE.UU.) bajo la dirección del Prof. Alex Klibanov. De vuelta en España, fue contratado por INGENASA como Jefe de Proyecto y posteriormente Director de Investigación para el desarrollo de nuevos métodos de diagnóstico y vacunas en virus animales. En 2001, se incorporó al CNIO como Director del Programa de Biotecnología, donde estableció los laboratorios de proteómica y tecnología de proteínas aplicados a la investigación del cáncer, comenzando las líneas de investigación actual sobre el cáncer colorrectal. En octubre de 2007 obtuvo la plaza de Investigador Científico del CSIC y en 2008 se trasladó al Centro de Investigaciones Biológicas (CSIC) donde dirige desde entonces el grupo de Proteómica Funcional. Es autor de más de 150 publicaciones científicas y 11 patentes. Su interés científico actual se centra en el estudio del microambiente tumoral, la transición epitelio-mesénquima y la biología de la metástasis en el cáncer colorrectal.

Protector Members