Inflammation and cancer : the role of extracellular enolase-1

Abstract

Extracellular matrix degradation is one of the crucial steps in cancer cell invasion and spreading. A number of proteases, including plasmin, mediate disruption of stromal barriers and basement membrane and thus facilitate tumor cell movement. Formation of plasmin is a result of the plasminogen (PLG) activation cascade, which involves PLG activators and receptors. Enolase-1 (ENO-1) is one of the plasminogen receptors (PLG-R). It belongs to the so called moonlighting protein group , which exhibits various functions at distinct cellular and extracellular sites of the cell. This primary glycolytic enzyme was found to be overexpressed in more than 20 types of human cancer and accounts for enhanced cancer progression and poor clinical outcome. Although numerous studies provide evidence for pro-tumorigenic properties of cytoplasmic ENO-1, the contribution of cell surface bound ENO-1 to cancer progression has not yet been described. Here, we demonstrate increased expression of ENO-1 in different types of human cancer, in particular, in breast ductal carcinoma. Cell fractionation of the breast cancer cells (MDA-MB-231) revealed elevated ENO-1 cell surface levels, which correlated with enhanced migratory and invasive properties of these cells. Overexpression of wild-type ENO-1 increased invasion of MDA-MB-231 cells. This effect was not observed when ENO-1 mutant bearing the mutation in a PLG binding site was overexpressed. Exposure of MDA-MB-231 cells to LPS further potentiated ENO-1 cell surface expression and simultaneously increased release of ENO-1 to the extracellular space in the form of exosomes. These effects were independent of de novo protein synthesis and did not require the classical endoplasmic reticulum/Golgi pathway. LPS-triggered ENO-1 exteriorization was diminished upon pretreatment of MDA-MB-231 cells with the Ca2+ chelator BAPTA or an inhibitor of endoplasmic reticulum Ca2+-ATPase pump, cyclopiazonic acid. In line with this observation, STIM1 and ORAI1 were found to regulate LPS-induced ENO-1 cell surface expression and release. Accordingly, pharmacological blockage or knockdown of STIM1 or ORAI1 reduced ENO-1-dependent migration of breast cancer cells. Collectively, these data reveal the functional consequence of extracellulary localized ENO-1 in cancer cell behaviour and the mechanism which drives ENO-1 exteriorization. Thus, targeting cell surface bound ENO-1 may offer a novel therapeutic strategy in patients suffering from cancer. Der Abbau der extrazellulären Matrix ist einer der entscheidenden Schritte bei der Krebszellinvasion und ausbreitung. Mehrere Proteasen einschließlich Plasmin vermitteln die Auflösung der stromalen Barrieren und der Basalmembran und erleichtern so die Bewegung der Tumorzellen. Die Plasminbildung ist das Ergebnis der Plasminogen (PLG)- Aktivierungskaskade, die PLG-Aktivatoren und Rezeptoren umfasst. Enolase-1 (ENO-1) ist einer dieser Plasminogenrezeptoren (PLG-R). Sie gehört zur Gruppe der sogenannten moonlighting -Proteine, die mehrere Funktionen in unterschiedlichen zellulären und extrazellulären Bereichen der Zelle aufweisen. Dieses primär glykolytische Enzym, das in mehr als 20 humanen Krebsarten überexprimiert ist, ist verantwortlich für ein schnelleres Fortschreiten der Krebserkrankungen und für eine schlechte klinische Prognose. Obwohl zahlreiche Studien die tumorerzeugenden Eigenschaften von zytoplasmatischer ENO-1 beweisen, wurde der Einfluss der oberflächengebundenen ENO-1 noch nicht beschrieben.In dieser Arbeit zeigen wir nun die erhöhte Expression von ENO-1 in verschiedenen humanen Tumortypen, insbesondere im duktalen Brustkarzinom. Die Zellfraktionierung der Brustkrebszellen MDA-MB-231, ergab ein erhöhtes Niveau der ENO-1 an der Zelloberfläche, welches mit den verbesserten Invasions- und Migrationseigenschaften dieser Zellen korreliert. Die Überexpression der Wildtyp- ENO-1 erhöht die Einwanderung der MDA-MB-231. Dieser Effekt konnte nicht beobachtet werden, wenn eine ENO-1-Mutante überexprimiert wurde, die eine Mutation in der PLG-Bindungsstelle aufwies. Wurden die MDA-MB-231 mit LPS behandelt, so wurde die Expression der ENO-1 an der Zelloberfläche weiter verstärkt, was gleichzeitig zu einer erhöhten Freisetzung der ENO-1 in den extrazellulären Raum in Form von Exosomen führte. Diese Effekte waren unabhängig von der de novo Proteinsynthese und benötigten nicht den klassischen Pfad über das endoplasmatische Retikulum und den Golgi-Apparat. Die LPS-gesteuerte Exteriorisation wurde durch eine Vorbehandlung der MDA-MB-231 mit BAPTA einem Ca2+-Chelator oder Cyclopiazonsäure dem Inhibitor der Ca2+-ATPase-Pumpe des endoplasmatischen Retikulums verringert. Dies entsprach der Beobachtung, dass STIM1 und ORAI1 die LPS-induzierte Expression von ENO-1 an der Zelloberfläche und die Freisetzung der ENO-1 regulieren. Dementsprechend reduzierte eine pharmakologische Blockierung oder ein Knockdown von STIM1 oder ORAI1 die faktorabhängige Migration der Brustkrebszellen. Zusammengefasst zeigen diese Daten den Mechanismus auf, der die Exteriorization von ENO-1 steuert und die funktionellen Auswirkungen dieser extrazellulär lokalisierten ENO-1 auf das Verhalten der Krebszellen. Folglich stellt die zelloberflächengebundene ENO-1 das Ziel einer neuen therapeutischen Strategie bei der Behandlung von Krebspatienten dar.