Molecular mechanisms of metastasis: Integrated genomics and proteomics approaches

Mgr. Monika Dvořáková, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Úvodní část práce se zabývá metastazováním nádorů a použitím „biomarkerů“ v onkologii. Metastáze jsou nejčastější příčinou smrti onkologických pacientů. Onkologický výzkum se proto v posledních desetiletích zaměřil právě na tento proces s cílem porozumění jeho příčinám, popsání jeho mechanizmů a nalezení „biomarkerů“, které by umožnily odhadnout riziko jeho rozvoje u jednotlivých pacientů. Biomarkery jsou v onkologii využívány stále častěji a umožňují zejména rozvoj tzv. personalizované terapie, jejímž cílem je, aby každý pacient dostal léčbu odpovídající jeho přesné diagnóze. V práci je diskutován potenciál biomarkerů v onkologii a jsou zde ukázány příklady dnes rutinně využívaných biomarkerů v klinické praxi. Rozebírám zde také problémy a limitace, které sebou přináší hledání nových biomarkerů a jejich zavádění do praxe a potenciál proteomiky v těchto oblastech. Poslední kapitola úvodu podává stručný přehled o proteinu transgelinu, který byl nejen námi popsán jako potenciální biomarker řady nádorových onemocnění. Výsledková část práce shrnuje výsledky čtyř prací publikovaných v recenzovaných časopisech a jednoho rukopisu v přípravě. V první práci jsme pomocí metody SELDI-TOF MS popsali korelaci mezi hladinou proteinu retinol-binding protein 4 (RBP4) a cytostatikem LA-12 v krevní plazmě potkanů. Pro identifikaci píku ze SELDI spektra korelujícího s hladinou LA-12 byl použit námi navržený přístup kombinující trojrozměrnou separaci proteinů s jejich následnou MS/MS identifikací. V druhé práci podrobně rozebíráme přístupy používané k identifikaci proteinů ze SELDI studií a představujeme nový přístup založený na „top-down“ RP-LC-FT-MSn analýze. Třetí a čtvrtá práce se zabývají hledáním nových biomarkerů metastazování do lymfatických uzlin u dobře diferencovaných („low-grade“) nádorů prsu. Navzdory obecně dobré prognóze pacientů s dobře diferencovanými nádory, u malého procenta pacientů s touto diagnózou dochází velmi brzy k rozvoji lymfatických metastáz. Naše výsledky ukazují, že mechanismus metastazování dobře diferencovaných nádorů je odlišný od mechanismu metastazování u špatně diferencovaných nádorů a že tento mechanismus zahrnuje zvýšenou expresi proteinu carboxypeptidase B1 (CPB1), aktivaci NFkB dráhy, změny cytoskeletonu a změny na úrovni přežívání buněk. Jako potenciální biomarker metastazování do lymfatických uzlin jsme popsali zvýšenou expresi transgelinu buňkami nádorového stromatu. V poslední práci se zabýváme funkční charakterizací transgelinu u buněčných linií odvozených od karcinomu prsu. Popsali jsme zde jeho úlohu v regulaci migrace u linie BT549 a v regulaci buněčné smrti u linie PMC42.

Abstract:

The introduction section of the thesis deals with the metastasis of the tumors and the use of biomarkers in oncology. The metastases are the most common cause of death of the oncological patients. In the last decades, the researchers have been focusing on this process in an effort to understand its causes and mechanisms and to find new biomarkers which would specify risk of its occurrence in individual patients. The use of biomarkers in oncology enables development of the personalized therapy aiming for appropriate treatment for every patient. I mention the utility of biomarkers in oncology and show examples of the biomarkers used in clinical practice nowadays. Moreover, I discuss difficulties and limitations which are associated with the biomarker discovery and with the application of biomarkers in clinical practice and utility of the proteomics in these fields. The last chapter of the introduction summarizes information about protein transgelin, which is supposed to be a potential cancer biomarker. The result section of the thesis summarizes results of four original peer-reviewed articles and of one manuscript in preparation for publication. In the first paper, we described the correlation between the level of Retinol-binding protein (RBP4) and a new anticancer drug LA-12 in rat plasma using SELDI-TOF MS. For identification of the protein peak from the SELDI spectrum correlating with the LA-12 level, we used the approach developed by us, which combined three-dimensional pre-separation of the proteins with their subsequent MS/MS identification. In the second paper, we discuss approaches used for protein identification in MALDI/SELDI-based studies and we present a new approach based on the top-down RP-LC-FT-MSn analysis. The third and fourth paper deal with the discovery of new biomarkers of lymph node metastasis in low-grade breast cancer. Despite a generally good prognosis of the patients with low-grade tumors, the low percentage of the patients within this diagnosis soon develops lymph node metastases. Our results show differences between the mechanism of lymph node metastasis in low and high-grade tumors. The mechanism of low-grade tumors includes up-regulation of carboxypeptidase B1 (CPB1), activation of NFB pathway and the changes in cell survival and in the cytoskeleton. Moreover, we described up-regulation of transgelin in the cells of the tumor stroma as a biomarker of lymph node metastasis in breast cancer. In the last paper, we functionally characterized protein transgelin in two breast cancer cell lines. We described transgelin role in the migration of the BT549 cells and in the cell death of the PMC42 cells.

Keywords

metastazování, proteomika, biomarker, transgelin, LA-12, metastasis, proteomics

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 9. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 8. 12. 2016
• Supervisor: doc. Mgr. Pavel Bouchal, Ph.D.
• Reader: Mgr. Jan Bouchal, Ph.D., prof. Mgr. Marek Šebela, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Biochemistry