Mechanisms of transcriptional repression by pure antiestrogens in breast cancer cells

Abstract

70% des tumeurs mammaires expriment le récepteur des œstrogènes ERα, et leur croissance est régulée par les œstrogènes. Les anti-œstrogènes (AEs) tels que le tamoxifène sont prescrits pour traiter tous les cancers du sein ER-positifs, mais ces composés présentent une activité agoniste partielle gène- et tissu-spécifique. Les AEs purs comme le fulvestrant (ICI182,780) sont utilisés dans les cas de cancers du sein ER-positifs avancés chez des patientes résistantes au tamoxifène. Les AEs purs entrainent la dégradation de ERα par la voie ubiquitine – protéasome, mais ces molécules peuvent réprimer l’activité transcriptionnelle de ERα indépendemment de la dégradation du récepteur. Notre laboratoire a publié que les AEs purs induisent la SUMOylation de ERα, et que l’abrogation de cette modification post-traductionnelle augmentait l’activité transcriptionnelle de ERα sur un vecteur rapporteur dans des cellules transfectées. Nous émettons l’hypothèse que la SUMOylation de ERα contribue au profil antagoniste total du fulvestrant comparativement au tamoxifène dans les cellules de cancer du sein, en réprimant la transcription des gènes cibles de ERα via la modulation du recrutement de cofacteurs en présence d’AEs purs.

Nos travaux montrent que fulvestrant induit une liaison rapide de ERα à ses séquences cibles dans le génome. La perte de liaison aux temps plus longs de traitement n’est pas due à la dégradation du récepteur, ni à son export du noyau. Cette perte de liaison à l’ADN est accompagnée d’une compaction locale de la chromatine. Des marques de SUMOylation sont détectées au niveau des éléments de réponse des œstrogènes suite à un traitement avec des AEs purs de manière corrélant avec la présence de ERα à ces mêmes sites. La surexpression d’une deSUMOylase retarde la perte de liaison de ERα à l’ADN, atténue la fermeture de la chromatine et dé-réprime l’expression de gènes cibles de ERα en présence de fulvestrant. Enfin, des mutations de ERα empêchant sa SUMOylation mènent à une dé-repression de l’expression des gènes cibles de ERα en présence de fulvestrant.

Une approche protéomique nous a permis d’identifier le recrutement SUMO-dépendant du complexe de remodelage de la chromatine ACF en présence d’AEs purs au niveau de régions cibles de ERα dans le génome. Le knockdown de la sous-unité ACF1 de ce complexe abolit la compaction de la chromatine et dé-réprime l’expression de gènes cibles de ERα en présence de fulvestrant. Ces résultats lient le recrutement d’ACF au profil antagoniste total des AEs purs. Des mutants non-SUMOylables de ERα ne recrutent pas ACF et restent liés à l’ADN aux temps longs de traitement, permettant ainsi un faible niveau de transcription des gènes cibles de ER.

Nous proposons un modèle où les AEs purs induisent la SUMOylation de ERα, menant au recrutement rapide du complexe de remodelage de la chromatine ACF au niveau des séquences régulatrices des gènes cibles des œstrogènes. La compaction de la chromatine qui en résulte empêche le recrutement subséquent de ERα sur l’ADN et contribue ainsi à une inhibition complète de la transcription des gènes de la voie de signalisation des œstrogènes dans les cellules de cancer du sein.

70% of breast tumours express the estrogen receptor ERα, and their growth is regulated by estrogens. Antiestrogens (AEs) such as tamoxifen are used to treat all stages of ER-positive breast cancers, but can present partial agonist activity in a gene- and cell type-specific manner. Pure AEs like fulvestrant (ICI182,780) are prescribed to treat advanced ER-positive breast cancer in patients resistant to tamoxifen. Pure AEs lead to the degradation of ERα via the ubiquitin – proteasome pathway, but these compounds can repress ERα activity independently of receptor degradation. Our laboratory previously published that pure AEs induce SUMOylation of ERα, and abrogation of this post-translational modification increased transcriptional activity of ERα on a reporter vector in transfected cells. We hypothesize that SUMOylation of ERα contributes to the fuller antagonist profile of fulvestrant compared to tamoxifen in breast cancer cells, by repressing transcription of ERα target genes via modulated cofactor recruitment in the presence of pure AEs.

Our work shows that fulvestrant induces a rapid initial ERα binding to its target sequences in the genome. The loss of binding to DNA at longer time points of treatment is independent from ERα degradation and is not due to nuclear export of the receptor, but is accompanied by chromatin compaction. SUMO marks were detected on estrogen response elements after treatment with pure AEs in a manner correlating with the presence of the receptor. Overexpression of a deSUMOylase delays the kinetics of loss of binding to DNA, attenuates chromatin closure and de-represses ER target gene expression in the presence of fulvestrant. Finally, ERα mutations preventing its SUMOylation also lead to de-repression of ER target gene expression specifically in the presence of fulvestrant.

Using a proteomics approach, we further identified the pure AE-induced SUMO-dependent recruitment of the ACF chromatin remodelling complex to ER target regions in the genome. Knockdown of the ACF1 subunit abrogates chromatin compaction and de-represses ER target gene expression in the presence of fulvestrant, linking ACF recruitment with pure AE antagonsim. ERα mutants non-permissive for SUMOylation do not recruit ACF and remain bound to DNA following prolonged fulvestrant treatment, allowing weak transcription of ER target genes.

We propose a model whereby pure AEs induce SUMOylation of ERα, leading to the rapid recruitment of the ACF chromatin remodelling complex to the regulatory regions of estrogen target genes. The resulting chromatin compaction prohibits further ERα recruitment to DNA and contributes to a complete transcriptional shut-off of estrogen signalling in breast cancer cells.