Mechanism of neuroendocrine transdifferentiation of prostate cancer cells and possibilities of its modulation

Mgr. Zuzana Pernicová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Nádorové onemocnění prostaty patří především ve vyspělých zemích světa mezi jedno z nejčastějších a jeho incidence stále stoupá. To je částečně způsobeno jak celkovým stárnutím populace, neboť vyšší věk je jedním z rizikových faktorů tohoto onemocnění, tak i zlepšováním diagnostických metod, což vede k záchytu onemocnění v časnějších stádiích, která dřívější diagnostické metody neodhalily. Pokročilejší stádia onemocnění spojená s přítomností metastáz jsou obvykle léčena tzv. antiandrogenní terapií, kdy se zamezí přísunu androgenů do prostatické žlázy. Tím se zastavuje růst nádorových buněk, které jsou na přítomnosti androgenů závislé, a tedy se zastavuje nebo zpomaluje i progrese celého onemocnění. Po určité době aplikace této hormonální terapie se však nádorové buňky stávají nezávislými na působení androgenů, hormonální terapie již není účinná a dochází k opětovné progresi onemocnění, což je spojeno s velmi nízkou pravděpodobností na vyléčení pacienta. Lze předpokládat, že objasnění mechanismů vedoucích v nádorových buňkách k rozvoji této nezávislosti na androgenech, případně nalezení způsobů, jak tento proces ovlivnit, umožní navrhnout nové strategie vedoucí ke zvýšení účinnosti léčby. Jedním z mechanismů, který přispívá k rozvoji nezávislosti na androgenech, je proces neuroendokrinní transdiferenciace (NED) nádorových buněk prostaty. Předkládaná disertační práce se soustředí na studium NED a objasnění mechanismů, které vedou k jeho spuštění u nádorových buněk prostaty. Za účelem studia NED byly buněčné linie kultivovány v podmínkách in vitro v médiu bez faktorů se steroidní strukturou, což napodobuje situaci u pacientů, kdy je aplikovaná antiandrogenní terapie. Získané výsledky naznačují, že v podmínkách in vitro lze NED navodit nejen dlouhodobou androgenní deplecí, ale také kultivací buněk ve vysoké denzitě, což jsou opět podmínky připomínající situaci in vivo v solidních nádorech, které jsou často tvořeny tkání o vysoké denzitě. Oba tyto způsoby indukce NED jsou spojeny se zástavou buněčného cyklu, proto dalším cílem práce bylo objasnit úlohu zástavy buněčného cyklu a vybraných molekul regulujících cyklus v indukci NED. Výsledky prezentované v předkládané práci dále potvrzují, že současně s navozením NED dochází také k navození senescence. Senescence je považována za mechanismus, kterým je možné bránit vzniku maligních nádorových buněk, neboť v první řadě vede k zástavě buněčného cyklu. Avšak publikace z poslední doby poukazují na vysokou sekreční činnost senescentních buněk, která má za následek naopak podpoření růstu nádorů. Získané výsledky potvrdily, že také u nádorových buněk prostaty dochází k rozvoji této sekreční činnosti. Zároveň byla identifikována signální dráha zahrnující molekulu Skp2, která je v použitém modelu zodpovědná za navození senescence v důsledku kultivace bez androgenních struktur. Souhrnně získané výsledky ukazují, že v důsledku androgenní deplece dochází u nádorových buněk prostaty ke kompletní změně fenotypu spojeného s navozením NED a senescence a především k rozvoji sekreční činnosti těchto buněk. Faktory sekretované těmito buňkami mohou ovlivňovat celou řadu biologických procesů jako je růst a dělení buněk, citlivost k používaným chemoterapeutikům nebo vznik metastáz. A především mohou tyto faktory napomoci nádorovým buňkám přežívat v nepřítomnosti androgenů, což vede následně ke vzniku nezávislosti na androgenech a k dalšímu rozvoji onemocnění.

Abstract:

Prostate cancer is one of the most frequently diagnosed cancer in developed countries, with continuously increasing incidence. This is partially caused by ageing of the population, since age is one of the main risk factors of prostate cancer, and partially by improved diagnostic methods, leading to more frequent diagnosis of earlier stages of prostate cancer, which were not recognized previously. Advanced stages of this disease associated with emergence of metastasis are treated by androgen deprivation therapy, meaning that androgen supply to prostate gland is restricted. This leads to growth arrest of cancer cells, which are dependent on androgens, and consequently to arrest or decrease of tumor growth. Unfortunately, after some time, tumor cells develop resistance to this hormonal therapy; this is again connected with tumor re-growth in an androgen-independent manner, leading to very low probability of complete cure. Therefore, it is supposed that elucidation of mechanisms contributing to development of this androgen independence in prostate cancer cells, and finding ways how to target this process, will make it possible to set up new strategies leading to increased efficacy of therapy. One of the processes contributing to development of androgen independence is the process of neuroendocrine transdifferentiation (NED) of prostate cancer cells. This dissertation thesis is focused on studying NED in prostate cancer cells in order to elucidate mechanisms of its induction. For this purpose, two prostate cancer cell lines cultivated in vitro in media without factors with steroid structure were used. This resembles conditions in patients when hormonal (antiandrogen) therapy is applied. Results presented in this thesis show that in vitro NED can be induced not only by cultivation in androgen-depleted conditions, but also by cultivating cells in high density in the presence of androgens. Cultivation of cells in high density also mimics conditions in tumors in vivo, where the tumor is composed of a large number of cancer cells, and the stiffness of the tumor influences tumor aggressiveness. Both these conditions lead to development of NED phenotype, accompanied by cell cycle arrest. Therefore, the next step was to elucidate the role of cell cycle arrest and selected cell cycle regulators in induction of NED in our model. Results presented in this thesis further show that androgen depletion induces not only NED, but also senescence of prostate cancer cells. Senescence is thought to be a potent tumor-suppressive mechanism, because one of the hallmarks of senescence is a permanent cell cycle arrest. On the other hand, recent publications highlight that induction of senescence is connected with development of massive secretory phenotype, which can conversely support growth of cancer cells. Our results confirmed that androgen depletion leads to development of senescence-associated secretory phenotype in prostate cancer cells. In parallel, we found that signaling pathway involving the Skp2 molecule is responsible for senescence induction in response to androgen depletion. In summary, results presented in this thesis show that in response to androgen depletion, prostate cancer cells completely rebuild their phenotype by inducing both NED and senescence. These processes lead to development of massive secretory function of these cancer cells. Factors secreted by these cancer cells may affect biological processes associated with growth and proliferation of cancer cells, chemotherapy sensitivity and development of metastasis. Above all, these factors can help cancer cells to survive androgen-deprived conditions, which may lead to development of androgen independence and prostate cancer progression.

Keywords

nádorové onemocnění prostaty, androgenní deplece, neuroendokrinní transdiferenciace, senescence, regulace buněčného cyklu, Skp2, prostate cancer, androgen depletion, neuroendocrine transdifferentiation, cell cycle regulation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 2. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 11. 4. 2013
• Supervisor: Mgr. Karel Souček, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Sabina Ševčíková, Ph.D., Frederic R. Santer, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Animal Physiology