Differentiatietherapie en de mechanismen die kankercelproliferatie beëindigen zonder normale cellen te schaden

, Author

MYC amplificatie verlaagt de overleving bij meerdere menselijke maligniteiten

Een van de belangrijkste TFs die de celproliferatie bij zoogdieren regelt is de myelocytomatose virale oncoproteïne (MYC), waarvan de functie over evolutionaire hiërarchieën heen geconserveerd is27,28,29,30,31. Fysiologisch, MYC gereguleerde proliferatie wordt opgevolgd door lineage-differentiatie programma’s die MYC antagoniseren om de proliferatie te beëindigen20. We analyseerden MYC wijzigingen door twee benaderingen. Ten eerste analyseerden wij kopie getal (CN) veranderingen op de MYC locus met behulp van TCGA en ICGC gegevens beschikbaar via cBioPortal platform en vonden frequente amplificaties en winsten van MYC (Fig. 1a). Vervolgens gingen we naar TCGA pan-kanker (PANCAN) data met 11.000 patiënten in 33 van de meest voorkomende tumoren en analyseerden deze via Xena Browser. MYC was sterk geamplificeerd in deze maligniteiten8,10. In beide data sets MYC CN veranderingen werden bepaald met behulp van GISTIC score methode, waar waarden van -2,-1,0,1,2, vertegenwoordigd homozygote deletie, heterozygote deletie, diploïde, laag niveau amplificatie, of hoog niveau amplificatie32. Vervolgens voerden wij een overlevingsanalyse uit met behulp van GISTIC-scores die een laag niveau van deletie/wild-type MYC voorspelden, versus versterking/amplificatie met behulp van de PANCAN-dataset. MYC-amplificatie correleerde met verminderde algehele overleving (p < 9,784 × 10-11, n = 2628) in vergelijking met gevallen met MYC CN WT/laag niveau deleties (n = 1352) (Fig. 1b). Vervolgens analyseerden wij de correlatie tussen GISTIC scores op de MYC locus versus MYC mRNA expressie en de overleving van patiënten. Er was een sterke correlatie (spearman r = 0,3339, p < 0,0001, n = 9697) tussen MYC GISTIC score en MYC mRNA expressie (Fig. 1c). Hoge (n = 1762) vs. lage (n = 1776) MYC mRNA niveaus waren geassocieerd met verminderde (p < 5,609 × 10-8) overall survival (Fig. 1d). Dus, MYC is een vitaal oncogen in veel menselijke maligniteiten en identificatie van mechanismen om MYC te antagoneren in kanker zou therapeutische toepassingen kunnen hebben. MYC functie is geconserveerd over evolutionaire hiërarchieën27,28,29,30,31. De eenvoudige levenscyclus van protozoa vereist MYC om dochtercellen te genereren die bij elke celdeling lijken op hun oudercellen27,29. Evolutie van eencellige organismen tot meercellige organismen leidde tot intensief gebruik van energie om het chromatine te openen en naakt DNA bloot te leggen waardoor lineage TF’s zich kunnen binden en honderden terminale differentiatiegenen kunnen activeren die het cel lot en de specialisatie in verschillende lagen van cellen begeleiden. Voor dit proces zijn geen actief prolifererende cellen nodig. Vandaar dat MYC gemedieerde proliferatie krachtig wordt tegengegaan in dit stadium33,34 (Fig. 1e). Deze vorm van krachtig MYC-antagonisme is ook noodzakelijk voor het bestaan van multicellulariteit29,35. Overtuigend is dat infectie van meercellige organismen met protozoa-parasieten de transformatie van geïnfecteerde cellen in proliferatieve cellen bevordert door complexe mechanismen die MYC-eiwit activeren en differentiatie-TF’s onderdrukken27,29,36.

Fig. 1: MYC-veranderingen in meerdere menselijke maligniteiten.

a TCGA- en IGCG-gegevens werden geanalyseerd via cBioPortal om afwijkingen op de MYC-locus te bepalen aan de hand van vooraf toegewezen GISTIC-scores in meerdere kankers van verschillende weefseltypen. b We analyseerden TCGA PANCAN-datasets die beschikbaar zijn via de TCGA-hub in Xena Browser. Overlevingsanalyse van gevallen met kopieëngetal (CN) winst en amplificatie op de MYC loci versus die met CN WT/minor deletie van MYC toonde een significante overall survival (p-waarde < 9.784E-11, LogRank test, n = 1352 WT/minor del, 2628 CN winst en amplificatie). Overlevingsgegevens geanalyseerd in Xena Browser (https://xenabrowser.net/) c Anlyse van MYC GISTIC Score vs. MYC mRNA expressie met behulp van PANCAN RNA-seq gegevens beschikbaar in TCGA hub in Xena Browser. Er was een sterke correlatie met spearman r = 0,3339, p < 0,0001, n = 9697. d Overlevingsanalyse van patiënten met verhoogde MYC mRNA vergeleken met die met verlaagde MYC mRNA expressie. Expressieniveaus zijn genormaliseerd ten opzichte van expressieniveaus in normale weefsels. Verhoogde MYC mRNA werd geassocieerd met slechte overleving (n = 1762) in vergelijking met verminderde MYC mRNA (n = 1776, p = 5,06 × 10-18 e Schematische weergave van metazoan differentiatie en hoe differentiatie wordt gestagneerd in kwaadaardige cellen. Differentiatie continuüm wordt geïnitieerd door stamcellen lineage commitment, gevolgd door exponentiële proliferatie van weefsel precursoren / progenitors gemedieerd door twee exemplaren van het MYC-gen. Om homeostase te handhaven, wordt MYC-gemedieerde proliferatie dominant geantagoneerd door terminale differentiatiewegen. f Menselijke maligniteiten hebben een gestoorde differentiatie die er niet in slaagt het MYC-gen te antagoneren, waardoor exponentiële proliferatie van weefselprecursors

In tegenstelling tot normale cellen, ondergaan maligne cellen proliferatie zonder terminale differentiatie (Fig. 1e, f). Dit afwijkende proces is sterk afhankelijk van stabilisatie van MYC en zijn co-proteïnen die de celgroei en -deling moduleren17,20,37,38,39. Genetische en epigenetische veranderingen zorgen ervoor dat persistente proliferatie van lineage committed progenitors optreedt zonder uiteindelijke differentiatie in kankercellen (Fig. 1e)7. Ten eerste, persistente proliferatie wordt bereikt door consistente upregulatie en chromosoom winst van de genetische locus coderend voor het MYC-gen in menselijke maligniteiten (Fig. 1a). MYC-amplificatie voorspelt een slechte algemene overleving (LogRank p-waarde = 9,784 × 10-11, n = 3980) (Fig. 1a, b). In studies met behulp van genetisch gemanipuleerde muismodellen (GEMM) of xenograft modellen van kanker, antagoniseren MYC ondersteunt tumor regressie over meerdere tumoren39,40,41. Bijvoorbeeld, Shachaf et al. ontwikkelden een transgeen muismodel dat MYC conditioneel tot expressie brengt in hepatocyten met behulp van tetracycline-gecontroleerde expressie39. Inactivering van Myc induceerde regressie van murine HCC waardoor de differentiatie van hepatocyten en hepatobiliaire cellen toenam, verlies van de HCC-marker α-fetoproteïne, en onderdrukte proliferatie39. In een xenograft PDAC-model richtten Zhang et al. zich op MYC-MAX-dimerisatie met een kleine molecule (10058-F4) die de MYC-transcriptionele activiteit verstoort40. Toevoeging van 10058-F4 aan gemcitabine leidde tot drastische verzwakking van de tumorigenese in vergelijking met een behandeling met één middel40. Met behulp van een door Kras aangedreven muismodel van longkanker hebben Soucek et al. zich gericht op MYC met behulp van een dominant negatieve mutant van het MYC-dimerisatiedomein, waardoor de binding van MYC aan het canonieke Myc E-box response-element ‘CACGTG’ wordt verstoord, zodat de transactivatieactiviteit van MYC wordt geremd41. Remming van MYC-transactivatie verhoogde de overleving van muizen door de groei van longkanker te beëindigen41.

Vanuit een translationeel perspectief bestaan er verschillende uitdagingen bij de poging om MYC rechtstreeks farmacologisch te benaderen42. De belangrijkste uitdaging is dat proliferatie een kenmerk is van normale progenitors en dat een dergelijke therapie een slechte therapeutische index zou kunnen hebben20. Bovendien hebben tumoren heterogene genetische achtergronden die bijdragen tot aanhoudende MYC activiteit. Daarom, om mechanismen te begrijpen die excessieve MYC acties tegengaan, is het noodzakelijk om de evolutionair geconserveerde fysiologische methoden te definiëren waarmee normale progenitors MYC tegengaan om intense proliferatie uit te schakelen en hoe deze kunnen worden hersteld in kanker.

Het stoppen van proliferatie door het inschakelen van apoptose is giftig voor normaal delende cellen

Om de samenhang en integriteit tussen verschillende celtypen te behouden, hebben meercellige organismen een systeem van checks and balances geëvolueerd dat collectief bekend staat als apoptose43,44. De belangrijkste TF’s van apoptose p53 (TP53) en zijn cofactor p16 of p14ARF (CDKN2A) spelen een cruciale rol door prolifererende cellen tot stilstand te brengen om herstel van schade mogelijk te maken, of door een ordelijke zelfmoord te initiëren als die schade niet kan worden hersteld45,46. Tijdens de embryogenese wordt de expressie van p53 gedownreguleerd, misschien omdat embryonale stamcellen zichzelf vernieuwen zonder exponentieel te prolifereren47,48,49. Functionele studies van differentiële expressie van p53 met behulp van reporter assays toonden een hogere expressie aan in latere ontwikkelingsstadia, en een verminderde expressie in terminaal gedifferentieerde cellen48. Tijdens de celdeling antagoneren p53 pathways krachtig MYC pathways om de proliferatie te stoppen zodat beschadigde cellen kunnen herstellen; onherstelbare cellen ondergaan zelfvernietiging door onomkeerbare apoptose om de integriteit van het hele organisme te beschermen43. Aangezien p53-knockout (KO) muizen een normale ontwikkeling hebben en niet vergroot zijn50, illustreert dit dat apoptosewegen niet de dominante mechanismen zijn die gebruikt worden door lineage-progenitors om de exponentiële proliferatie te beëindigen. Zo ontwikkelen muizen met dubbele KO van Trp53 en Fosfatase en tensine homoloog (Pten) glioomtumoren doordat zij er niet in slagen MYC te antagoneren, maar dit fenotype wordt alleen waargenomen bij de dubbele knock-outs van Trp53 en Pten45,46. In PDAC is de meest frequente genmutatie KRAS (~92%). GEMM’s waarin mutant KRAS (KC-muizen) tot expressie komt in pancreascellen ontwikkelen in 30 tot 40% van de gevallen PDAC op de leeftijd van ~8-12 maanden51. Toevoeging van mutant Trp53 aan bovengenoemde GEMM (KPC muizen) verhoogt de penetrantie van PDAC en vermindert de overleving tot ~5 maanden, terwijl KC muizen met Ink4a deletie ~2-3 maanden overleven52,53. Muizen met mutant Trp53 alleen zonder mutant Kras ontwikkelen geen PDAC53. Daarentegen is in muizenmodellen voor eierstokkanker aangetoond dat inactivering van Trp53 tot invasieve tumoren leidt, maar dat de ontwikkeling van tumoren versneld wordt in muizen met gelijktijdige inactivering van Brca1 en Trp5354.

TP53 en CDKN2A zijn vaak bi-allel geïnactiveerd in alle menselijke maligniteiten (Fig. 2a). Dergelijke inactivering heeft grote gevolgen voor de behandeling7. Om de proliferatie van kwaadaardige cellen te stoppen, proberen conventionele chemotherapeutica p53/p16 te upreguleren door cytotoxische stress te induceren die fysiologische activatoren van deze pathway nabootst55. Aangezien kwaadaardige en normale cellen in hetzelfde milieu naast elkaar bestaan, heeft een dergelijke behandeling een ongunstige therapeutische index, aangezien deze genen gemuteerd/fysiek niet beschikbaar zijn in kwaadaardige cellen, maar intact zijn in normale cellen. Er zijn verschillende methoden onderzocht om apoptose opnieuw in te schakelen bij kankertherapie, maar het is moeilijk gebleken om dit fundamentele probleem van de therapeutische index aan te pakken56. Vooruitgang in genomische technieken geeft aan dat wanneer TP53/CDKN2A genen wild-type zijn, zoals bij zaadbalkanker, behandeling met cytotoxische chemotherapie (b.v. cisplatine) complete responsen oplevert die de totale en ziektevrije overleving verhogen57 (Fig. 2a, b). Maligniteiten met hoge TP53/CDKN2A inactivatie vertonen deze responsen niet wat leidt tot resistentie tegen meerdere op apoptose gebaseerde behandelingen (brede chemo-resistentie en radio-resistentie) (Fig. 2a, b, e, f)7. Zelfs verschillende tumortypes afkomstig van hetzelfde orgaan vertonen een betere respons op therapie indien de apoptosegenen intact zijn. TP53- en CDKN2A-mutaties komen bijvoorbeeld voor in ~70 en 90% van de PDAC, respectievelijk58 (fig. 2a). De totale 5-jaarsoverleving bij PDAC is ~9%, zelfs wanneer de met chemotherapie of combinatietherapieën en/of chirurgie behandelde patiënten worden meegerekend59,60. Daarentegen bevatten pancreatische neuro-endocriene tumoren (PNETs) over het algemeen geen TP53 mutaties, vertonen zij slechts minimale deleties van CDKN2A61 en hebben zij een 5-jaars overlevingskans van >50% wanneer zij met een apoptose-inducerende therapie worden behandeld62. Evenzo vertoont glioblastoma multiforme (GBM) een verscheidenheid aan klinische, histopathologische en moleculaire kenmerken, en herbergen TP53 mutaties in ~30% van de primaire gevallen en ~65% van de secundaire GBM63,64. Glioma cellen met WT TP53 zijn responsief voor cytotoxische stress geïnduceerd door klinisch beschikbare chemotherapeutische middelen in vergelijking met die met transcriptioneel silenced mutant TP5365,66,67. Bovendien maakt genetische inactivering van één allel van Myc in het Trp53-geïnduceerde muismodel van PDAC (KPC) de therapeutische respons op gemcitabine gevoeliger40. Daarom analyseerden wij de genomische gegevens door de top tien maligniteiten met een verhoogde frequentie van TP53/CDKN2A alteraties (TP53/CDKN2A-hoog) te vergelijken met de onderste tien maligniteiten met een lage frequentie van TP53/CDKN2A alteraties (TP53/CDKN2A-laag) (Fig. 2b, c). Wij vonden dat 7/10 van de TP53/CDKN2A-hoge kankers een afname in ziektevrije en algehele overleving hadden wanneer deze genen gemuteerd waren (Fig. 2b; Tabel S1) (p-waarden < 0,05). Dienovereenkomstig was er zelfs in TP53/CDKN2A-arme gevallen een afname in ziektevrije en algehele overleving wanneer deze genen waren gemuteerd (p-waarden < 0,05) (Fig. 2c; Tabel S1). Aldus is het percentage wijzigingen in apoptosegenen lager in geneestbare maligniteiten (zaadbalkanker/pediatrische ALL) vergeleken met hoog refractaire/behandelingsresistente kankers (PDAC/HCC) (Fig. 2g). Tijdens de fysiologische rijping induceert WT TP53 onomkeerbare apoptose van ongezonde cellen om de integriteit van het gehele organisme te behouden (Fig. 2h). Daarentegen muteert de oncogene evolutie de mediatoren van apoptose, wat leidt tot resistentie tegen apoptose-inductie (Fig. 2h).

Fig. 2: Apoptose-inductie in p53/p16-mutant maligniteit blijft toxisch voor normale cellen terwijl het tegelijkertijd gekoppeld is aan refractaire ziekte.

a Gegevens werden gedownload van TCGA en ICGC en in cBioPortal geanalyseerd op mutaties in TP53- en CDKN2A-genen. b Top 10 maligniteiten met hoge TP53/CDKN2A-wijzigingen (TP53/CDKN2A high). *Zaken waarin deze veranderingen gekoppeld waren aan slechte ziektevrije of algehele overleving met een p-waarde < 0,05 (Tabel S1). c Top 10 van gevallen met de minste frequentie van veranderingen in TP53/CDKN2A (TP53/CDKN2A laag). *Zaken waar deze veranderingen gekoppeld waren aan slechte ziektevrije of algehele overleving met een p-waarde ≤ 0,05 d Ziektevrije overleving van zaadbalkanker, gevallen met kleine veranderingen (winsten, en heterozygoot verlies van één allel in TP53 en CDKN2A) vs. gevallen met wildtype TP53 en CDKN2A (p-waarde = 0,211, LogRank test). e Ziektevrije overleving van pancreaskanker met gemuteerde TP53 en CDKN2A gevallen was significant lager vs. gevallen met wildtype TP53 en CDKN2A (p-waarde = 0.0078, LogRank test). f De ziektevrije overleving van leverkanker was ook significant lager bij gemuteerde TP53 en CDKN2A gevallen vs. wild-type (p-waarde = 0,0068, LogRank test). g Kwantitatieve analyse van TP53 en CDKN2A mutaties toonde een lagere frequentie van wijziging van deze genen aan in geneesbare vs. zeer refractaire/behandelingsresistente menselijke maligniteiten. h Tijdens fysiologische rijping ondergaan ongezonde cellen met WT p53/p16 irreversibele apoptose. Veranderingen in deze eiwitten ondersteunen de oncogene evolutie die leidt tot afwijkende proliferatie zonder apoptose

Genetische en epigenetische veranderingen van differentiatiegenen in kanker

De meest agressieve menselijke maligniteiten zijn slecht gedifferentieerd13. Hoewel differentiatie bijdraagt tot slechte overleving in verschillende menselijke maligniteiten, zijn de mechanismen die differentiatie belemmeren in maligne cellen meestal onduidelijk, maar nieuwe kennis is in opkomst5,6,7. Wij identificeerden belangrijke lineage master TFs voor de ontwikkeling van de eierstok, pancreas en lever met behulp van gepubliceerde lineage conversie studies, of studies met transgene muismodellen6,68,69,70,71,72,73,74 (Tabel 1). Celdifferentiatie en lineage commitment programma’s worden gedicteerd door dit handvol master TFs en hun cofactoren. Hoewel meerdere cofactoren een belangrijke rol spelen, zijn de meest vitale transcriptionele coactivatoren en corepressoren die ATP gebruiken om chromatine te remodelleren om doelgenen aan of uit te schakelen33,34,75. Daarom analyseerden wij de genetische veranderingen in lineage TF’s, hun coactivatoren en corepressoren in OVC, PDAC, en HCC (tabel 1).

Omdat kwaadaardige cellen differentiatie niet volledig kunnen onderdrukken, omdat het een continuüm is waarlangs alle cellen bestaan, worden master TF’s die commitment in verschillende lineages specificeren bijna nooit volledig geïnactiveerd door mutatie, maar zijn vaak haploinsufficient (Fig. 3a; tabel 1). Deze dosis-vermindering is voldoende om de vooruitgang langs het differentiatie-continuüm op zijn meest proliferatieve punten te stagneren5,6,7. Bijvoorbeeld, FOXL1 verlies was frequent in OVC (Fig. 3a), en de frequentie van FOXL1 verlies was het hoogst in slecht gedifferentieerde OVC (Fig. 3b). Dit patroon was vergelijkbaar voor GATA4 in PDAC en HCC, ook al hadden deze maligniteiten kleine aantallen patiënten die langer dan stadium I en II overleefden (Fig. 3b, c). We identificeerden belangrijke interagerende partners die coactivatoren en corepressoren zijn van verschillende lijnspecifieke TFs (Tabel 1) door literatuuranalyse en gegevens gedeponeerd in UniProt database (http://www.uniprot.org/). Om de vastgelopen differentiatie te versterken, bleken de coactivatoren vaak geïnactiveerd en verwijderd te zijn (Tabel 1; Fig. 4a), wat de repressie bevordert van stroomafwaartse genen die het doelwit zijn van belangrijke TFs. Nieuwe lijnen van bewijsmateriaal impliceren nu dat dergelijke wijzigingen pathways aantasten die terminale differentiatie bemiddelen6,7,76. Vroege ontdekkingen van de functies van deze coactivator-enzymen toonden aan dat hun rol in de fysiologie bestond uit het gebruik van ATP om histon-DNA-interacties zodanig te mobiliseren dat naakt DNA werd blootgelegd, waardoor TF’s zich konden binden aan doelgenen en deze konden activeren33,34,75,77. Dit proces is geconserveerd in de evolutie van gist78, een van de eenvoudigste metazoa, tot homo-sapiens77. Inactivering van deze genen bij kanker zou een poging kunnen zijn om het vermogen van coactivatoren om DNA bloot te stellen aan master TF’s die downstream genen activeren, te belemmeren. Een belangrijke aanwijzing voor deze hypothese is dat lineage master TFs selectief zijn in hun gebruik van specifieke coactivators om de activatie van lineage genen te mediëren (Tabel 1). Een andere aanwijzing is dat kwaadaardige cellen de neiging hebben één allel van lineage specificerende TFs te verliezen, een gebeurtenis die voldoende kan zijn om lineage commitment toe te laten maar onvoldoende voor terminale differentiatie6,7 (Fig. 3a; Tabel 1). Leverprogenitors bijvoorbeeld vereisen samenwerking tussen GATA4 en FOXA1 om coactivatoren (b.v. ARID1A) aan te trekken en de activering van hepatocyt-differentiatiegenen te bewerkstelligen. In HCC is heterozygoot verlies van GATA4 frequent (68%, n = 366, Fig. 3a; Tabel 1) en inactiverende mutaties in ARID1A zijn frequent (44%, n = 366, Fig. 4a; Tabel 1)6. Lever differentiatie is verstoord en proliferatie verhoogd in levers met Gata4 of Arid1a lever-conditionele haploinsufficiëntie6,76,79. Bovendien activeert de herinvoering van GATA4 in GATA4-deficiënt HCC, of ARID1A in ARID1A gemuteerd maar GATA4 intact HCC, honderden hepatocyt epitheliale-differentiatiegenen6. Tot de belangrijkste TF’s van de pancreaslijn behoren GATA4 en GATA680,81. Verlies van kopiegetal van één allel van deze factoren wordt gezien in PDAC, met verlies van functie-mutaties in coactivatoren ook waargenomen (Tabel 1; Figs. 3a, 4a). PDACs vertoonden echter ook een hoge incidentie van amplificatie of winst van GATA4 en GATA6, wat suggereert dat deze TFs in bepaalde gevallen een groeivoordeel aan pancreaskankercellen kunnen geven. In OVC gaat één allel van de ovaria master TFs FOXL182,83 vaak verloren (80%, Fig. 3a; Tabel 1 n = 316), terwijl coactivatoren, zoals ARID3A en ARID3B, vaak geïnactiveerd zijn (Tabel 1; Fig. 4a). Dus in de kern van maligne transformatie, bevordert belemmering van differentiatie routinematig maligne proliferatie en wordt bereikt door haploinsufficiëntie van master TFs en inactivatie van de coactivatoren die zij gebruiken. Dit inzicht zou kunnen leiden tot behandelingen die gericht zijn op het opnieuw activeren van voorwaartse differentiatie, als alternatief voor apoptose, als middel om kwaadaardige proliferatie te beëindigen.

Fig. 3: Genetische veranderingen in lineage-specifieke mastertranscriptiefactoren in menselijke maligniteiten.

a Analyse van TCGA-gegevens die in cBioPortal zijn gedeponeerd om veranderingen van mastertranscriptiefactoren van verschillende lineages te bepalen (tabel 1). Belangrijke lineage-specifieke transcriptiefactoren waren meestal haploinsufficient (heterozygote deletie/het verlies) in maligne cellen of bevatten frequente amplificatie en gains. Geen van de transcriptiefactoren had biallelische frameshift inactiverende mutaties. Gestagneerde differentiatie treedt dus op door genetische haploinsuffiëntie van belangrijke lijnspecifieke transcriptiefactoren6. b Analyse van FOXL1 deleties in verschillende differentiatiegraden (pathologische gradaties) van ovariumkanker. c Analyse van GATA4 deleties in verschillende differentiatiegraden van pancreaskanker (PDAC). d Analyse van GATA- deleties bij verschillende differentiatiegraden van leverkanker (HCC)

Fig. 4: Frequente inactiverende mutaties van coactivatoren en amplificatie en toename van het aantal kopieën op genloci van transcriptionele corepressoren.

TCGA-gegevens werden geanalyseerd in cBioPortal om frequente genetische veranderingen in transcriptionele corepressor- en coactivatoreenzymen te bepalen (tabel 1). a Inactiverende mutaties, bi-allelische en frameshift mutaties en deleties van transcriptionele coactivator-enzymen in ovarium-, pancreas- en leverkanker (tabel 1). b Kopiegetal (CN) toename en amplificaties van corepressoren werden frequent waargenomen in diverse tumoren, waaronder ovariumkanker (OVC), pancreaskanker (PDAC) en leverkanker (HCC) (tabel 1). c Analyse van HES1 CN toename in verschillende differentiatiegraden (pathologische gradaties) van OVC. d Analyse van CN-vermeerderingen van BAZ1B over verschillende differentiatiegraden PDAC. e Analyse van CN-vermeerderingen van KDM1B over verschillende differentiatiegraden HCC

Corepressorgenzymen: opkomende doelwitten voor differentiatieherstellende oncotherapie

Een enhanceosoom bestaat uit multiproteïnecomplexen die samenwerken om genen van een bepaalde afstammingslijn te activeren84,85, bv, hepatische enhanceosomes activeren hepatocyte genen6, terwijl pancreas en ovarium enhanceosomes respectievelijk pancreas86 en ovarium genen87 activeren. Genetische verstoring van deze samenwerking kan de inhoud van deze eiwit hubs verschuiven van coactivators naar corepressors die in plaats daarvan lineage genen onderdrukken76,88,89. Dergelijke repressie wordt verder mogelijk gemaakt door de inherente gesloten chromatine status van eind-differentiatie genen, in tegenstelling tot inherent open chromatine bij proliferatie en vroeg-differentiatie genen 6,7,90.

Voor exponentiële proliferatie te komen losgekoppeld van voorwaartse-differentiatie, een hoge mate van corepressor activiteit is noodzakelijk voor epigenetische silencing van lineage-differentiatie genen. Bijgevolg wordt afwijkende corepressor activiteit dikwijls waargenomen in maligne cellen, waar honderden terminale differentiatiegenen een opeenhoping van actieve corepressors hebben6,89. In tegenstelling tot coactivatoren, die vaak geïnactiveerd worden door genetische mutaties/deleties6, zijn corepressoren vaak ofwel wild-type of versterkt in kwaadaardige cellen (Tabel 1; Fig. 4b). Het DNA methyl transferase 1 enzym (DNMT1) is een corepressor voor de master TF en tevens de onderhoudsmethyltransferase die de CpG methylering op de nieuw gesynthetiseerde DNA streng recapituleert wanneer cellen de delingscycli doorlopen91,92,93. In TCGA PANCAN-gegevens zijn hoge niveaus van DNMT1 geassocieerd met slechte overleving (p < 0,00001, n = 5145), vergeleken met gevallen met lage DNMT1-niveaus (n = 5199) (Fig. 5a). Dit suggereert een belangrijke rol van dit enzym in talrijke menselijke kankers. Daarom zijn er in het afgelopen decennium meerdere studies verricht naar de ontwikkeling van therapeutische interventies gericht op DNMT1 in kankertherapie94,95,96,97,98,99,100,101,102. Evenzo werkt Ubiquitin-like, containing PHD and RING finger domains, 1, (UHRF1), nauw samen met DNMT1 in het reguleren van DNA methylatie103,104. Wij analyseerden de expressieniveaus van UHRF1 in de PANCAN-dataset en ontdekten dat hoge UHRF1-expressieniveaus (p < 0,0001, n = 5150) een sterke voorspeller waren van slechte overlevingskansen in vergelijking met lage niveaus (n = 5189) (Fig. 5b), wat het belang illustreert van deze methyleringsgenen in kanker bij de mens.

Fig. 5: Corepressor upregulatie en model voor het remmen van corepressoren om voorwaartse differentiatie opnieuw in gang te zetten.

a Corepressor DNMT1 mRNA-uptregulatie voorspelt slechte overleving bij meerdere menselijke maligniteiten in TCGA PANCAN-data. b Corepressor UHRF1 (die samenwerkt met DNMT1 voor epigenetische repressieactiviteiten) mRNA-uptregulatie voorspelt slechte overleving bij meerdere menselijke maligniteiten in TCGA PANCAN-data. c Modelvoorbeeld in PDAC wijzigingen van coactivatoren en corepressoren en kandidaat kleine moleculen die kunnen worden gebruikt als corepressor therapie. d Model schematische samenvatting voor p-53 onafhankelijke differentiatie-herstellende therapie. Niet-maligne cellen (normale cellen) hebben intacte lineage specificerende transcriptiefactoren van cel lot bepaling die dynamisch coactivatoren en corepressoren enzymen rekruteren om differentiatie genen aan of uit te zetten. Gen-dosering door heterozygote deletie van een mastertranscriptiefactor en inactiverende mutaties in zijn coactivatoren belemmert de activeringscomponent van differentiatiegenen op epigenetische wijze6. Afwijkende amplificaties in transcriptionele corepressorgenen vergemakkelijken een gesloten chromatinestatus en leggen honderden differentiatiegenen epigenetisch het zwijgen op6, 7 (tabel 1). Deze wijze van wijziging is klinisch relevant en kan worden ontwikkeld om proliferatie te onderdrukken, zelfs in TP53-mutante maligniteiten102, 105

DNMT1-depletie zonder cytotoxiciteit heeft therapeutische voordelen, zelfs in myelodysplastisch syndroom (MDS) en acute myeloïde leukemie (AML) die p53-systeemdefecten vertonen102,105, en er zijn meerdere klinische studies aan de gang om DNMT1-depletie in kankertherapie in ruimere zin te evalueren (hoewel decitabine en 5-azacytidine die gebruikt worden om DNMT1 te depleteren farmacologische beperkingen hebben die hun vermogen om DNMT1 uit solide tumoren te depleteren kunnen ondermijnen) (Tabel 2). Bij acute promyelocytische leukemie (APL) worden complete remissies bereikt door een combinatie van arseen met retinoïnezuur om corepressoren te remmen die op het leukemie fusie-eiwit PML-RARA106,107 worden gerekruteerd. Aangezien corepressors niet gemuteerd zijn en een afwijkende activiteit hebben in kanker, zijn zij voldoende en logische moleculaire doelwitten die terminale differentiatiegenen kunnen inschakelen voor p53-celcyclusuitgangen7,89,99,100,102,105,108,109,110,111 (Tabel 2; fig. 5c, d).

Tabel 2 Belangrijkste preklinische en klinische evaluatie van corepressortherapie bij kanker

Verschillende andere corepressoren zijn ook onderzocht als potentiële moleculaire doelwitten voor epigenetische therapie bij kanker. Zo zijn histon deacetylase (HDAC)-enzymen belangrijke corepressoren die in TF-hubs van veel menselijke maligniteiten worden aangetrokken en die bekend staan als epigenetische onderdrukkers van genexpressie5,6,88,89. In veel preklinische studies zijn HDAC-enzymen onderzocht als potentiële inducers van celdifferentiatie94,95. Een probleem bij het targeten van HDAC’s is echter hun pleiotrope cellulaire functie – zelfs doelgerichte activiteit kan dus onbedoelde neveneffecten hebben. Andere veel voorkomende corepressoren die in veel menselijke maligniteiten worden geupreguleerd zijn lysine demethylase enzymen zoals KDM1A (Fig. 4b). Verschillende studies hebben differentiatie-inductie aangetoond door farmacologische targeting van KDM1A en er zijn momenteel klinische trials aan de gang112,113,114,115,116. Met behulp van een hoge doorvoer pan-kanker in vivo scherm, Carugo et al. onlangs een verband aangetoond tussen de corepressor WDR5 en aanhoudende MYC gemedieerde proliferatie van PDAC117. Verstoring van WDR5 door remmingstests leidde tot gestopte tumorprogressie en verhoogde overleving in PDX muismodellen van PDAC117. In deze systematische review hebben we aanvullende corepressoren gedocumenteerd die gerekruteerd zijn in de master TF hubs van veel menselijke maligniteiten en die aanvullende genetische en farmacologische validatie vereisen als kandidaat moleculaire doelwitten die differentiatie versterken. Deze omvatten HES1, BAZ1A/B, BAZ2A, EED, SUZ12 en UHRF1 (Figs. 4b, 5b; Tabel 1). Bovendien werd een verband gevonden tussen de upregulatie van deze corepressoren en gevorderde klinische pathologische stadia, wat wijst op een direct effect op de onderdrukking van de differentiatie. Bijvoorbeeld, HES1 werd gevonden als de meest frequent geupreguleerde corepressor in OVC (Fig. 4b), en stadium III en IV OVC hadden hogere HES1 toenames vergeleken met stadium I en II (Fig. 4c). Dus, HES1 inhibitie therapie kan van vitaal belang zijn voor OVC differentiatie therapie. Dit patroon werd ook gezien voor BAZ1B in PDAC en KDM1B in HCC (Fig. 4b, d, e). Deze observaties suggereren dat, in deze maligniteiten, het richten van deze belangrijke enzymen voor differentiatie-inductie aanvullende therapeutische strategieën zou kunnen bieden die p53-systeemdefecten omzeilen.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.