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In dieser Arbeit wurde der Einfluss des Transkriptionsfaktors Carbohydrate responsive element binding protein (ChREBP) auf die experimentelle Hepatokarzinogenese untersucht, der eine wichtige Rolle in der protoonkogenen AKT/mTOR-vermittelten Karzinogenese der Leber spielen soll.
Dazu diente das Pankreasinseltransplantationsmodell bei diabetischen C57Bl/6J- Wildtyp- (WT; n = 180) und ChREBP-Knockout-Mäusen (KO; n = 143). Es erfolgten histologische, proliferationskinetische, immunhistochemische und Western-Blot- Analysen.
Das Hauptergebnis dieser Arbeit stellt die Hyperproliferation im Lebergewebe der diabetischen, transplantierten Mäuse dar, aus der sich klarzellige Leberherde (CCF) und im weiteren Verlauf auch hepatozelluläre Adenome (HCA) und Karzinome (HCC) entwickelten. Die Proliferationsaktivität lag in den Herden der Knockout- Mäuse bei 21,77 ± 3,38 % (Mittelwert ± S.E.M.), in denen der Wildtyp-Mäuse bei 29,04 ± 11,97 %. Die Leberherde unterschieden sich in ihrer Morphologie: Die Herde der KO-Mäuse waren kleiner und sie zeigten nur eine starke Glykogenspeicherung, während die Herde der Wildtyp-Mäuse neben dem Glykogen auch viel Fett speicherten.
Die Entstehung manifester Tumoren setzte im Knockout-Stamm später ein und die Tumoren wiesen auch ein langsameres Wachstum auf. Tumoren entstanden nicht nur in diabetischen, transplantierten Mäusen (WT-HCC n = 3; KO-HCC n = 1; KO-HCA n = 2), sondern auch in diabetischen Wildtyp-Kontrollmäusen (n = 4), aber nicht bei diabetischen KO-Tieren. Immunhistochemisch konnte in den Tumoren des KO- Stamms eine verminderte Glykolyse und de novo Lipogenese sowie ein herunterregulierter AKT/mTOR-Signalweg nachgewiesen werden.
Diese Ergebnisse weisen auf einen protoonkogenen Charakter von ChREBP zum einen in der hormonell-induzierten Hepatokarzinogenese, aber auch in einem metabolischen Karzinogeneseprozess im Rahmen eines Insulinmangeldiabetes hin. Der Einfluss von ChREBP auf den Energiestoffwechsel der Zelle und auf den metabolischen Switch vom glykogenotischen zum lipogenen Phänotyp in der experimentellen Hepatokarzinogenese-Sequenz scheint essentiell zu sein. Der Knockout von ChREBP reduziert dementsprechend die Proliferation im Lebergewebe und scheint die Hepatokarzinogenese in diesem Modell zu verzögern.
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.
In addition to the classical oestrogen receptors, ERα and ERβ, a G protein-coupled oestrogen receptor (GPER) has been identified that primarily mediates the rapid, non-genomic signalling of oestrogens. Data on GPER expression at the protein level are contradictory; therefore, the present study was conducted to re-evaluate GPER expression by immunohistochemistry to obtain broad GPER expression profiles in human non-neoplastic and neoplastic tissues, especially those not investigated in this respect so far. We developed and thoroughly characterised a novel rabbit monoclonal anti-human GPER antibody, 20H15L21, using Western blot analyses and immunocytochemistry. The antibody was then applied to a large series of formalin-fixed, paraffin-embedded human tissue samples. In normal tissue, GPER was identified in distinct cell populations of the cortex and the anterior pituitary; islets and pancreatic ducts; fundic glands of the stomach; the epithelium of the duodenum and gallbladder; hepatocytes; proximal tubules of the kidney; the adrenal medulla; and syncytiotrophoblasts and decidua cells of the placenta. GPER was also expressed in hepatocellular, pancreatic, renal, and endometrial cancers, pancreatic neuroendocrine tumours, and pheochromocytomas. The novel antibody 20H15L21 will serve as a valuable tool for basic research and the identification of GPER-expressing tumours during histopathological examinations.
The utilization of fluorescein-guided biopsies has recently been discussed to improve and expedite operative techniques in the detection of tumor-positive tissue, as well as to avoid making sampling errors. In this study, we aimed to report our experience with fluorescein-guided biopsies and elucidate distribution patterns in different histopathological diagnoses in order to develop strategies to increase the efficiency and accuracy of this technique. We report on 45 fluorescence-guided stereotactic biopsies in 44 patients (15 female, 29 male) at our institution from March 2016 to March 2021, including 25 frame-based stereotactic biopsies and 20 frameless image-guided biopsies using VarioGuide®. A total number of 347 biopsy samples with a median of 8 samples (range: 4–18) per patient were evaluated for intraoperative fluorescein uptake and correlated to definitive histopathology. The median age at surgery was 63 years (range: 18–87). Of the acquired specimens, 63% were fluorescein positive. Final histopathology included glioblastoma (n = 16), B-cell non-Hodgkin lymphoma (n = 10), astrocytoma, IDH-mutant WHO grade III (n = 6), astrocytoma, IDH-mutant WHO grade II (n = 1), oligodendroglioma, IDH-mutant and 1p/19q-codeleted WHO grade II (n = 2), reactive CNS tissue/inflammation (n = 4), post-transplantation lymphoproliferative disorder (PTLD; n = 2), ependymoma (n = 1), infection (toxoplasmosis; n = 1), multiple sclerosis (n = 1), and metastasis (n = 1). The sensitivity for high-grade gliomas was 85%, and the specificity was 70%. For contrast-enhancing lesions, the specificity of fluorescein was 84%. The number needed to sample for contrast-enhancing lesions was three, and the overall number needed to sample for final histopathological diagnosis was five. Interestingly, in the astrocytoma, IDH-mutant WHO grade III group, 22/46 (48%) demonstrated fluorescein uptake despite no evidence for gadolinium uptake, and 73% of these were tumor-positive. In our patient series, fluorescein-guided stereotactic biopsy increases the likelihood of definitive neuropathological diagnosis, and the number needed to sample can be reduced by 50% in contrast-enhancing lesions.
Background
The focal form of CHI is caused by an autosomal recessive pathogenic variant affecting the paternal homologue of genes ABCC8 or KCNJ11 and a second somatic event specifically occurring in the affected islet of Langerhans. The approach of this study was to integrate the genetic changes occurring in pancreatic focal lesions of CHI at the genomic and transcriptional level.
Research Design and Methods
Patients receiving therapeutic surgery and with proven ABCC8 or KCNJ11 pathogenic variants were selected and analyzed for loss of heterozygosity (LOH), changes in copy number and uniparental disomy (UPD) on the short am of chromosome 11 by molecular microarray analysis and methylation-specific MLPA. Gene expression was analyzed by RT-PCR and Massive Analysis of cDNA Ends (MACE).
Results
Both genes, ABCC8 and KCNJ11, are located in proximity to the Beckwith-Wiedemann (BWS) imprinting control region on chromosome 11p15. Somatic paternal uniparental isodisomy (UPD) at chromosome 11p was identified as second genetic event in focal lesions resulting in LOH and monoallelic expression of the mutated ABCC8/KCNJ11 alleles. Of five patients with samples available for microarray analysis, the breakpoints of UPD on chromosome 11p were different. Samples of two patients were analyzed further for changes in gene expression. Profound downregulation of growth suppressing genes CDKN1 and H19 was detected in focal lesions whereas growth promoting gene ASCL2 and pancreatic transcription factors of the endocrine cell lineage were upregulated.
Conclusions
Paternal UPD on the short arm of chromosome 11 appears to be the major second genetic event specifically within focal lesions of CHI but no common breakpoint for UDP can be delineated. We show for the first time upregulation of growth promoting ASCL2 (achaete-scute homolog 2) suggestive of a driving factor in postnatal focal expansion in addition to downregulation of growth suppressing genes CDKN1C and H19.
ObjectiveLarge-scale genome sequencing efforts of human tumours identified epigenetic modifiers as one of the most frequently mutated gene class in human cancer. However, how these mutations drive tumour development and tumour progression are largely unknown. Here, we investigated the function of the histone demethylase KDM6A in gastrointestinal cancers, such as liver cancer and pancreatic cancer.DesignGenetic alterations as well as expression analyses of KDM6A were performed in patients with liver cancer. Genetic mouse models of liver and pancreatic cancer coupled with Kdm6a-deficiency were investigated, transcriptomic and epigenetic profiling was performed, and in vivo and in vitro drug treatments were conducted.ResultsKDM6A expression was lost in 30% of patients with liver cancer. Kdm6a deletion significantly accelerated tumour development in murine liver and pancreatic cancer models. Kdm6a-deficient tumours showed hyperactivation of mTORC1 signalling, whereas endogenous Kdm6a re-expression by inducible RNA-interference in established Kdm6a-deficient tumours diminished mTORC1 activity resulting in attenuated tumour progression. Genome-wide transcriptional and epigenetic profiling revealed direct binding of Kdm6a to crucial negative regulators of mTORC1, such as Deptor, and subsequent transcriptional activation by epigenetic remodelling. Moreover, in vitro and in vivo genetic epistasis experiments illustrated a crucial function of Deptor and mTORC1 in Kdm6a-dependent tumour suppression. Importantly, KDM6A expression in human tumours correlates with mTORC1 activity and KDM6A-deficient tumours exhibit increased sensitivity to mTORC1 inhibition.ConclusionKDM6A is an important tumour suppressor in gastrointestinal cancers and acts as an epigenetic toggle for mTORC1 signalling. Patients with KDM6A-deficient tumours could benefit of targeted therapy focusing on mTORC1 inhibition.
Diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss des Transkriptionsfaktors ChREBP und eines
Diabetes mellitus auf die hepatische Tumorgenese sowie das Wachstum und die Glykogenspeicherung
der Hepatozyten. Im speziellen sollte untersucht werden, inwieweit sich
die in den Kurzzeitversuchen beobachteten Glykogenspeicherherde nach drei Monaten
Versuchszeitraum weiterentwickeln.
ChREBP beeinflusst als Transkriptionsfaktor maßgeblich den Zucker- und Fettstoffwechsel,
indem es unter anderem die Lipogenese, Glykolyse und den Pentosephosphatweg
aktiviert und die Glukoneogenese hemmt. Zudem ist ChREBP an der Tumorentstehung
in verschiedenen Geweben z.B. der Leber, des Kolons und der Brust beteiligt, indem es
unter anderem den zellulären Metabolismus in Richtung einer starken Proliferation und
einer erhöhten Glykolyse, Laktatbildung und Aktivierung des Pentosephosphatwegs verändert.
Mäusen mit einem durch Streptozotocin induzierten Diabetes wurden je 200 isolierte,
isologe Pankreasinseln intraportal transplantiert. Somit entstand in den Empfängertieren
lokal in der Leber sowohl eine Hyperglykämie als auch eine Hyperinsulinämie im Sinne
eines Typ 2 Diabetes. Der Einfluss von ChREBP auf die Leber wurde durch den Einsatz eines
Knockout-Stammes untersucht. Nach drei Monaten wurden die Tiere nach einer Perfusion
getötet und Paraffinschnittpräparate der Lebern angefertigt und hinsichtlich ihrer
Proliferationsaktivität, Glykogenspeicherung und Herd- bzw. Tumorentstehung histologisch
ausgewertet.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen ein deutlich geringeres Auftreten von Glykogenspeicherherden
nach drei Monaten Versuchsdauer im Vergleich zu den Kurzzeitversuchen
nach einer und vierWochen. Auch sind nach drei Monaten noch keine manifesten Leberzelltumoren
entstanden. Es gab keinen Unterschied in der Herdfrequenz zwischen den
beiden Genotypen.
Weiterhin wurde der Einfluss von ChREBP auf die Proliferationsaktivität der Hepatozyten
untersucht. In der nicht diabetischen, transplantierten Gruppe zeigten die ChREBPKnockout-
Tiere eine stärkere und bei den diabetischen nicht transplantierten Mäusen
eine geringere Proliferationsaktivität als die Wildtyp-Tiere.
Die Hepatozyten der diabetischen Knockout-Tiere speicherten weniger und die der nicht
diabetischen mehr Glykogen als ihre Vertreter aus der Wildtyp-Gruppe.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass ChREBP zu einer veränderten Glykogenspeicherung
der Hepatozyten führt. Sein Einfluss zeigt sich bei der diabetischen Stoffwechsellage
durch eine Steigerung und bei der nicht diabetischen durch eine Verminderung
dieser. Auch die Proliferationsaktivität der Hepatozyten wird von ChREBP beeinflusst,
indem es sie beim Vorliegen eines Diabetes mellitus steigert. Da sich auch aus
den vorhandenen klarzelligen Herden keine Tumoren entwickelt haben scheint die Tumorentstehung
bei der Maus bei beiden Genotypen länger als drei Monate zu dauern.
Der Transkriptionsfaktor ChREBP ist ein zentraler Regulator des Fett- und Glukosestoffwechsels
und wird insbesondere in der Leber intensiv erforscht. Allerdings ist seine Rolle in
der Niere, die maßgeblich an der Glukose-Homöstase beteiligt ist und einen wichtigen Ort
der Glukoneogenese darstellt, noch weitgehend unerforscht.
Zentrales Ziel dieser Arbeit ist es, im Rahmen des hepatischen Pankreasinseltransplantationsmodells
die Auswirkungen eines Diabetes mellitus und eines Fehlens des Transkriptionsfaktors
CHREBP auf das renale Tubulusepithel anhand von Wildtyp- und ChREBPKnockout-
Mäusen über einen Versuchszeitraum von drei bzw. sechs Monaten zu evaluieren.
Dazu wurden die tubuläre Glykogenspeicherung in Form von Glykogenspeicherkernen und
Armanni-Ebstein-Läsionen, die Proliferationsaktivität des renalen Tubulusepithels sowie das
Auftreten von renalen Tumoren untersucht.
Das Vorliegen eines Diabetes mellitus führt in der Niere der Wildtyp-Mäuse zu einer tubulären
Glykogenakkumulation, die durch einen ChREBP-Knockout deutlich verstärkt wurde.
Diese Glykogenspeicherung fehlte bei nicht diabetischen Tieren völlig. Gleichzeitig ließ sich
bei diabetischen Wildtyp-Tieren eine zum Teil erhöhte Proliferationsaktivität sowie das Auftreten
von Nierentumoren beobachten. Das Ausschalten des Transkriptionsfaktors ChREBP
führte nicht nur zu einem vermehrten Auftreten von Glykogenspeicherkernen und Armanni-
Ebstein-Läsionen, sondern resultierte auch in einem deutlich gesteigertem Vorkommen von
renalen Tumoren. Diese Tumoren traten hier auch ohne das gleichzeitige Vorliegen eines
Diabetes mellitus auf. Auch die Proliferationsaktivität der Tubulusepithelien war bei den
ChREBP-Knockout-Mäusen gesteigert.
Somit führt ein Diabetes mellitus, insbesondere bei einem gleichzeitigem Knockout von
ChREBP, zu einer Akkumulation von Glykogen innerhalb der renalen Tubulusepithelien
und fördert die Entstehung von Tumoren in der Niere bei Mäusen. Auch ein Knockout von
ChREBP scheint- unabhängig vom Vorliegen eines Diabetes- einen fördernden Einfluss auf
die renale Tumorgenese zu haben. Allerdings sind die daran beteiligten Mechanismen noch
weitgehend unbekannt. Daher sollte die Rolle von ChREBP und die Bedeutung der diabetisch
bedingten tubulären Veränderungen in Form der Glykogenspeicherkerne und Armanni-
Ebstein-Läsionen
Simple Summary
The tumor suppressor protein P53 is a major player in preventing liver cancer development and progression. In this study we could show that P53 negatively regulates the expression of Helicase, lymphoid specific (HELLS), previously described as an important pro-tumorigenic epigenetic regulator in hepatocarcinogenesis. The regulatory mechanism included induction of the P53 target gene P21 (CDKN1A) resulting in repression of HELLS via downregulation of the transcription factor Forkhead Box Protein M1 (FOXM1). Our in vitro and in vivo findings indicate an important additional aspect of the tumor suppressive function of P53 in liver cancer linked to epigenetic regulation.
Abstract
The major tumor suppressor P53 (TP53) acts primarily as a transcription factor by activating or repressing subsets of its numerous target genes, resulting in different cellular outcomes (e.g., cell cycle arrest, apoptosis and senescence). P53-dependent gene regulation is linked to several aspects of chromatin remodeling; however, regulation of chromatin-modifying enzymes by P53 is poorly understood in hepatocarcinogenesis. Herein, we identified Helicase, lymphoid specific (HELLS), a major epigenetic regulator in liver cancer, as a strong and selective P53 repression target within the SNF2-like helicase family. The underlying regulatory mechanism involved P53-dependent induction of P21 (CDKN1A), leading to repression of Forkhead Box Protein M1 (FOXM1) that in turn resulted in downregulation of HELLS expression. Supporting our in vitro data, we found higher expression of HELLS in murine HCCs arising in a Trp53−/− background compared to Trp53+/+ HCCs as well as a strong and highly significant correlation between HELLS and FOXM1 expression in different HCC patient cohorts. Our data suggest that functional or mutational inactivation of P53 substantially contributes to overexpression of HELLS in HCC patients and indicates a previously unstudied aspect of P53′s ability to suppress liver cancer formation.