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Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is one of the deadliest cancers. Acquired inherited and/or somaticmutations drive its development. In order to prevent the formation of these mutations, precise and immediaterepair of any DNA damage is indispensable. Non-homologous end-joining (NHEJ) is the key mechanism of DNAdouble-strand break repair. Here, we report that miR-502 targets two components in pancreatic cell lines, Ku70and XLF of the C-NHEJ. Interestingly, we also observed an attenuated cell cycle response to gamma ionizingradiation (γ-IR) via diminished phosphorylation of checkpoint kinase 1 (Chk1) on serine 345 in these cell lines.Altogether, pancreatic cells showed increased susceptibility toγ-IR via direct inhibition of DNA double-strandbreak repair and attenuation of the cell cycle response.
Simple Summary
Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is one of the most deadly cancers worldwide. The occurrence of oncogenic KRAS mutations is considered a signature event in PDAC, leading to genomic instability. The aim of our study was to evaluate the impact of the oncogenic KRAS G12D mutation on the activity of the error-prone alt-EJ repair mechanism, and to investigate the potential role of Polθ in the development of pancreatic cancer. We found that oncogenic KRAS increases the expression of key alt-EJ proteins in a mouse and human PDAC model. Using TLR assay, we also found increased alt-EJ activity in mouse and human cell lines upon the expression of KRAS D12D. The inactivation/impairment of alt-EJ by polymerase theta (Polθ) depletion delays the development of pancreatic cancer and prolongs the survival of experimental mice, though it does not prevent the PDAC development, which leads to full-blown PDAC with disseminated metastasis. Our studies provide a high-value target as a novel therapeutic candidate for the treatment of pancreatic and other cancers.
Abstract
Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), due to its genomic heterogeneity and lack of effective treatment, despite decades of intensive research, will become the second leading cause of cancer-related deaths by 2030. Step-wise acquisition of mutations, due to genomic instability, is considered to drive the development of PDAC; the KRAS mutation occurs in 95 to 100% of human PDAC, and is already detectable in early premalignant lesions designated as pancreatic intraepithelial neoplasia (PanIN). This mutation is possibly the key event leading to genomic instability and PDAC development. Our study aimed to investigate the role of the error-prone DNA double-strand breaks (DSBs) repair pathway, alt-EJ, in the presence of the KRAS G12D mutation in pancreatic cancer development. Our findings show that oncogenic KRAS contributes to increasing the expression of Polθ, Lig3, and Mre11, key components of alt-EJ in both mouse and human PDAC models. We further confirm increased catalytic activity of alt-EJ in a mouse and human model of PDAC bearing the KRAS G12D mutation. Subsequently, we focused on estimating the impact of alt-EJ inactivation by polymerase theta (Polθ) deletion on pancreatic cancer development, and survival in genetically engineered mouse models (GEMMs) and cancer patients. Here, we show that even though Polθ deficiency does not fully prevent the development of pancreatic cancer, it significantly delays the onset of PanIN formation, prolongs the overall survival of experimental mice, and correlates with the overall survival of pancreatic cancer patients in the TCGA database. Our study clearly demonstrates the role of alt-EJ in the development of PDAC, and alt-EJ may be an attractive therapeutic target for pancreatic cancer patients.
Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), due to its genomic heterogeneity and lack of development of effective therapies, will become the second leading cause of cancer-related death within 10 years. Therefore, identifying novel targets that can predict response to specific treatments is a key goal to personalize pancreatic cancer therapy and improve survival. Given that the occurrence of oncogenic KRAS mutations is a characteristic event in PDAC leading to genome instability, a better understanding of the role of DNA repair mechanisms in this process is desirable. The aim of our study was to investigate the role of the error-prone DNA double strand breaks (DSBs) repair pathway, alt-EJ in the presence of KRAS G12D mutation in pancreatic cancer formation. Our findings showed that oncogenic KRAS contributes to the activation of the alt-EJ mechanism by increasing the expression of Polθ, Lig3 and Mre11, key components of alt-EJ in both mouse and human PDAC models. In addition, we demonstrated that alt-EJ has increased activity in DNA DSBs repair pathway in a mouse and human model of PDAC bearing KRAS G12D mutation. We further focused on estimating the impact of alt-EJ inactivation by polymerase theta (Polθ) deletion on pancreatic cancer development and survival in genetically engineered mouse models (GEMMs). Here, we described that although deficiency of Polθ resulted in delayed cancer progression and prolonged survival of experimental mice, it can lead to full-blown PDAC. Our study showed that disabling one component of the alt-EJ may be insufficient to fully suppress pancreatic cancer progression and a complete understanding of all alt-EJ factors and their involvement in DSB repair and oncogenesis is required.
Sézary Syndrom ist ein seltenes kutanes Lymphom, das durch eine Erythrodermie und leukämische Ausschwemmung von malignen T-Zellen gekennzeichnet ist. Die Pathogenese dieser Erkrankung bleibt trotz zahlreicher Studien unklar. Bis jetzt wurden keine spezifischen Mutationen beschrieben. Es wird vermutet, dass Genveränderungen von verschiedenen Mechanismen im Endeffekt zur malignen T-Zell-Transformation und damit Entwicklung der Erkrankung führen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Genome von 8 an Sézary Syndrom erkrankten Patienten auf Einzelnukleotid-Variationen (SNVs) bei 130 Genen, die vor allem an DNA-Reparaturmechanismen, des Weiteren Zellzyklus-Kontrolle und epigenetische Regulation beteiligt sind, untersucht. SNVs wurden bei 44 Genen (33,8%) gefunden. Die Mehrheit von diesen waren bekannte (62,8%), Missense- (97,7%) und a. e. heterozygote (86,3%) Variationen. Zwischen den Patienten bestand ein statistisch signifikanter Unterschied in Bezug auf bekannte/unbekannte sowie homozygote/heterozygote SNVs. Bei BRCA1, PRKDC, RTEL1 wurden jeweils 6 (maximale Anzahl) SNVs pro Gen festgestellt. Bei 6 von 8 (75%) Patienten wurden die Veränderungen bei BRCA1, CSB, EXO1, WRN und XRCC6BP1 gefunden. Am häufigsten waren Gene der homologen Rekombination (47%) betroffen. Ein statistisch signifikanter Unterschied in Bezug auf die Häufigkeit von betroffenen DNA-Reparaturwegen bestand allerdings nicht. Am häufigsten traten jedoch SNVs bei Genen, die in die Reparatur von DNA-Doppelstrangbrüchen involviert sind, auf. Dazu gehört außer der homologen Rekombination non-homologous und microhomology-mediated end joining (NHEJ, MMEJ). Diese Mechanismen spielen eine wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung der genomischen Stabilität, deren Störung das charakteristische molekulare Merkmal des Sézary Syndroms darstellt. Eine genaue Differenzierung der Patienten anhand der genetischen Veränderungen und somit betroffenen Signalwegen kann zukünftig bei der Wahl der besten Therapie hilfreich sein.
Soja gehört aufgrund seines hohen Proteingehaltes seit Jahrtausenden zu den Grundnahrungsmitteln des Menschen. Daneben wird Soja sowohl in Europa als auch in Asien als Ergänzungsfutter in der Tierernährung verwendet. Die enthaltenen Isoflavone verursachen in vivo möglicherweise positive, systemische Effekte, was aus erhöhten Geburtsgewichten sowie dem verbesserten postnatalen Wachstum von Ferkeln abgeleitet wurde. In weiteren Studien, in denen nach Fütterung im Blut der Tiere eine Daidzeinmenge von ca. 1 µmol/l zirkulierte, wurde das Wachstum der Ferkel nicht beeinflusst. Ferner zeigten die Isoflavone Genistein und Daidzein in vitro häufig ambivalente Effekte auf das Wachstum von Maus oder Ratte abgeleiteten Muskelzellkulturen in Abhängigkeit von der Dosis und Einwirkzeit. Die direkte Wirkung der Isoflavone auf das Wachstum und die Differenzierung von Skelettmuskelzellen wurde bisher für das Hausschwein nicht untersucht, obgleich es über sojahaltiges Futter einer kontinuierlichen Zufuhr von Isoflavonen ausgesetzt und eine Beeinflussung des Wachstums aufgrund der zuvor genannten Studien denkbar ist. Zudem wurde bisher die Expression der Östrogenrezeptoren, als mögliche Bindungsorte für Isoflavone, weder auf Protein- noch auf mRNA-Ebene im Skelettmuskel des Schweins beschrieben. Die vorliegende Arbeit verfolgte daher das Ziel, ein in vitro-Modell in Form einer Satellitenzellkultur aus dem M. semimembranosus für die Untersuchung des Muskelwachstums beim Hausschwein zu etablieren. Erstmals sollte daran die direkte Wirkung der Isoflavone Genistein und Daidzein in physiologischen sowie nicht-physiologischen Konzentrationen auf Basisprozesse des exponentiellen Wachstums und der Differenzierung unter Berücksichtigung möglicher wachstumsfaktorvermittelter Regulations¬mechanismen beschrieben werden. Die Isoflavonwirkung auf die DNA-Synthese der Muskelzellen wurde im Vergleich mit den Östrogenen 17beta-Östradiol und Östron sowie in weiteren Versuchen in Kombination mit den Wachstumsfaktoren IGF-I und EGF betrachtet. Für die Bestimmung der Einflüsse von Genistein und Daidzein auf die Proliferation porciner Skelettmuskelzellen wurden die DNA-Syntheserate, der Zellzyklus, Zelltod sowie DNA-Schäden und deren Reparatur nach Entzug der Isoflavone gemessen. Um den Einfluss der genutzten Isoflavone und 17beta-Östradiol auf die Differenzierung der Skelettmuskelzellen zu untersuchen, erfolgte die Bestimmung des Fusionsgrades sowie die Messung der Creatinkinase-Aktivität. Zusätzlich wurde der Proteinmetabolismus als Einbau bzw. Freisetzung von [3H]-Phenylalanin betrachtet. Ferner erfolgte die Untersuchung der Expression der Östrogen- und Tyrosinkinaserezeptoren, EGF-R und IGF-1R, mithilfe der RT-PCR, des Immunoblots und der Immunhistochemie während der Proliferations- und/oder der Differenzierungsphase. Aus dem porcinen M. semimembranosus wurde erfolgreich ein Satellitenzellpool etabliert und erstmals die Expression der Östrogenrezeptoren alpha und beta im porcinen Skelettmuskel und dem davon abgeleiteten Zellpool gezeigt. Die Ergebnisse lassen weiterhin negative Wirkungen der getesteten Isoflavone auf das Muskelzellwachstum in Ferkeln vor allem ab zirkulierenden Serumkonzentrationen von > 1 µmol/l, jedoch keine Effekte der Östrogene auf die Zellproliferation erwarten. IGF-I und EGF erwiesen sich als wirkungsvolle Stimulatoren des porcinen Muskelzellwachstums, was für EGF in der Zellkultur mit serum- und wachstumsfaktorfreiem Medium erstmals gezeigt wurde. Darüber hinaus wirken IGF-I und EGF scheinbar den toxischen Effekten hoher Isoflavondosen entgegen. Dennoch erniedrigte Genistein (100 µmol/l) deutlich die wachstumsfaktorvermittelte DNA-Synthese in porcinen Satellitenzellkulturen. Interessanterweise war unter dem Einfluss nahrungstypischer Daidzeinkonzentrationen (1 und 10 µmol/l) in Kombination mit IGF-I eine signifikante Erhöhung der Zellzahl zu beobachten. In der differenzierenden porcinen Muskelzellkultur verringerten sowohl Östrogene als auch Isoflavone dosisabhängig die Proteinabbaurate. Obgleich Östrogene allgemein beim Schwein nicht als Förderer des Muskelwachstums gelten, haben Östrogene und nahrungstypische Isoflavonkonzentrationen das Potential, den Protein¬metabolismus des porcinen Skelettmuskels zu beeinflussen. Auf der anderen Seite führten hohe Isoflavonkonzentrationen (20; 100 µmol/l) zu einer Abnahme der Proteinmenge und wirkten als Toxine auf die differenzierenden Skelettmuskelzellen. Da das Schwein eine dem Menschen ähnliche Physiologie und einen für die Isoflavone vergleichbaren Metabolismus besitzt, sind die Ergebnisse dieser Arbeit nicht nur für die Tierernährung bedeutsam, sondern ebenso für die Beurteilung der Auswirkungen sojabasierter Babynahrung auf Entwicklungsprozesse beim menschlichen Neugeborenen, was in zukünftigen Untersuchungen zu den Wirkungen der Sojaisoflavone berücksichtigt werden sollte.