The role of ProMyelocytic Leukemia (PML) protein in breast cancer and breast cancer stem cells

Abstract

Breast cancer is one of the most prevalent causes of cancer-related deaths in women worldwide. Breast tumours exhibit striking phenotypic and functional heterogeneity during the multistep course of tumourigenesis. In fact, this variability is mirrored in sustaining proliferation signalling, mutational frequencies of oncogenes and tumour suppressors, invasiveness, metastatic potential, energy metabolism, immune evasion and response to cytotoxic therapies. This heterogeneity (inter/intra-tumoural) stems from stochastic genetic and epigenetic alterations that lead to hereditary phenotypic and functional differences among the cancer cells. Despite successful treatment regimens of breast cancer, heterogeneity enhances the robustness of tumours and is associated to poor therapeutic responses and bad prognosis. Therefore, understanding the molecular networks governing breast cancer heterogeneity is required for improving the efficacy of existing agents and for developing novel strategies for personalized treatment.The ProMyelocytic Leukemia (PML) protein is usually characterized as a tumour suppressor factor because of its implication in cell cycle arrest, apoptosis and senescence. Accordingly, PML expression is commonly lost in primary breast cancer tissue samples. However, recent reports suggest that PML may exert pro-survival functions. Notably, PML expression is elevated in chronic myelogenic leukemia (CML), gloioblastomas and in some cases of triple negative breast cancer. The oncogenic activities of PML are related to cell cycle regulation of normal and cancer stem cells as well as the maintenance of their self-renewal through metabolic pathways such as fatty acid oxidation. Consequently, PML has a dual role in tumourigenesis acting as a tumour suppressor or promoter in cell specific contexts.The aim of this study was to elucidate the genetic and epigenetic mechanisms via which PML regulates cell proliferation and self-renewal pathways in breast cancer. Here, we show that inducible PMLIV expression inhibits cell proliferation and impairs cell cycle progression of the triple negative breast cancer (TNBC) cells, MDA-MB-231. Transcriptomic profiling identified a large number of PMLIV deregulated genes associated with various cell processes. Among them, cell cycle and division related genes and their cognitive regulators are highly ranked. Notably, PMLIV overexpression (OE) differentially expressed genes significantly overlap with the targets of FOXM1 transcription factor. We showed that PML is a potent FOXM1 repressor since it interacts with FOXM1 primarily via its DNA binding domain and downregulates FOXM1 expression at mRNA and protein level. In parallel, PML modulates the activity of FOXO3, a factor opposing some of the FOXM1 activities, to promote cell survival and stress resistance. Our findings suggest that PML affects the balance of FOXO3 and FOXM1 transcriptional programs by acting on discrete gene subsets. We propose that high PMLIV levels may affect simultaneously diverse pathways by targeting the regulatory axis, FOXO3-FOXM1 that interlinks cell proliferation (FOXM1) to apoptosis, cell cycle arrest and pro-survival signalling (FOXO3). We also found that PMLIV affects as well other transcription factors such as NFYA, E2F, TBP that have crucial roles in transcription and cell proliferation. Collectively, our study suggests that the cell cycle arrest caused by PMLIV ectopic expression is mediated by the activity of multiple transcription factors, frequently with overlapping functions, along with changes in the epigenetic state of MDA-MB-231 cells. Preliminary experiments of PMLIV OE in another breast cancer cell type, T47D, demonstrated that PMLIV induction results in cell growth arrest but also triggers unique cell responses compared to MDA-MD-231 cells.We also investigated the effect of PML by culturing breast cancer cells under conditions that favour growth of aggregates (tumour spheres) enriched in stem like activity. PMLIV OE decreased the tumour sphere forming efficiency of MDA-MB-231 cells indicating that PML represses the self-renewal capacity of breast cancer stem cells. In order to isolate distinct mammary epithelial subpopulations and to study the impact of PML on them, MDA-MB-231 cells were sorted based on their EpCAM/CD24 expression pattern. Interestingly, the different cell subpopulations had discrete gene signatures in terms of epithelial differentiation, EMT, proliferation and stem markers, as well as variable self-renewal ability as measured by serial in vitro sphere formation and by in vivo xenografting. Interestingly, all cell subsets were similarly sensitive to PMLIV OE. Overall, our preliminary data support the notion that contrary to earlier reports, highly tumourigenic cell subsets fall in more than one EpCAM/CD24 biotype that they all inhibited by PMLIV in a different degree.Taken together, our study provides insights into the regulation of tumour growth by PML in breast cancer. We have defined FOXO3 and FOXM1 as PML’s discriminating partners that dictate PML’s biological output in ΜDA-MB-231 cells and signalling context and revealed a novel and potentially targetable PML-FOXO3-FOXM1 axis implicated in breast cancer proliferation. In addition, more evidence for PML’s context-depended function comes from our preliminary observations in luminal B like, T47D cells. Our initial results suggest that in the latter epithelial cancer cell line, stem cell-like activity measured by sphere formation was much less affected compared to the TNBC cells. Our comparative studies show that PML deregulates both common and distinct gene sets in these cell lines that represent different breast cancer molecular and biological subtypes. We propose that PML favors both growth inhibition and pro-survival processes at variable levels, dictated by other concurrent genetic or epigenetic cancer cell states that may account for its disparate effects in cancer.

Ο καρκίνος του μαστού αποτελεί την πιο συχνή μορφή καρκίνου στις γυναίκες. Πρόκειται για μια ετερογενή ασθένεια όσον αφορά το φαινότυπό της και το γενετικό της υπόβαθρο. Καρκινικά χαρακτηριστικά, όπως ο ρυθμός πολλαπλασιασμού, η διεισδυτικότητα, η μεταστατικότητα, η ανθεκτικότητα στα φάρμακα και συγκεκριμένες ογκογόνες μεταλλαγές διαφέρουν μεταξύ περιπτώσεων καρκίνου του μαστού. Τέτοιου είδους ετερογένεια (ενδο-ογκική και δι-ογκική) μεταξύ των όγκων προκύπτει από στοχαστικές γενετικές και επιγενετικές αλλαγές οι οποίες προσδίδουν κληρονομήσιμες φαινοτυπικές και λειτουργικές διαφορές μεταξύ των καρκινικών κυττάρων. Παρ’ όλο που υπάρχουν θεραπευτικά σχήματα που αντιμετωπίζουν επιτυχώς την ασθένεια, η ετερογενής της φύση την καθιστά δύσκολο θεραπευτικό στόχο. Επομένως, η κατανόηση των παθογενετικών και μοριακών μηχανισμών οι οποίοι διέπουν τη νόσο και τους διαφορετικούς υποτύπους της είναι απαραίτητη για την ανακάλυψη νέων φαρμακευτικών στόχων και το σχεδιασμό εξατομικευμένης θεραπείας.Η πρωτεΐνη της προμυελοκυτταρικής λευχαιμίας (PML) περιγράφεται συνήθως ως ογκοκατασταλτικός παράγοντας λόγω των προ-αποπτωτικών, ανασταλτικών του κυτταρικού κύκλου και προγηραντικών ιδιοτήτων της. Συνεπώς, η έκφρασή της απουσιάζει από πρωτοπαθή δείγματα διαφόρων νεοπλασιών, συμπεριλαμβανομένου και του καρκίνου του μαστού. Παρ’ όλα αυτά σε πρόσφατες βιβλιογραφικές αναφορές η PML χαρακτηρίζεται ως ογκογόνος παράγοντας. Συγκεκριμένα, στη χρόνια μυελογενή λευχαιμία, σε γλοιοβλαστώματα και σε ορισμένες περιπτώσεις τριπλά αρνητικού καρκίνου του μαστού η PML εκφράζεται σε υψηλά επίπεδα. Οι προ-ογκογόνες ιδιότητες της PML φαίνεται να σχετίζονται με τη ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου των φυσιολογικών και καρκινικών βλαστοκυττάρων αλλά και τη διατήρηση της αυτο-ανανέωσης, μέσω μεταβολικών οδών π.χ. οξείδωση των λιπαρών οξέων. Επομένως, προκύπτει ότι υπό συγκεκριμένες συνθήκες η PML έχει διττό ρόλο στην ογκογένεση εκδηλώνοντας ογκοκατασταλτική ή ογκογόνα δράση.Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η αποσαφήνιση των μοριακών και επιγενετικών μηχανισμών με τους οποίους η PML ρυθμίζει τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό και τα μονοπάτια αυτό-ανανέωσης στον καρκίνο του μαστού. Τα πειραματικά μας δεδομένα υποστηρίζουν ότι η υπερέκφραση (ΥΕ) της PML αναστέλλει τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων και μπλοκάρει τον κυτταρικό κύκλο της τριπλά αρνητικά κυτταρικής σειράς καρκίνου του μαστού, MDA-MB-231. Από την ανάλυση του μεταγραφικού προφίλ αυτών των κυττάρων προκύπτει ότι σημαντικά σηματοδοτικά μονοπάτια και βιολογικές λειτουργίες, όπως και οι ρυθμιστές τους, διαταράσσονται μετά από ΥΕ PML. Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι πολλά από τα γονίδια σχετιζόμενα με τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό των οποίων η έκφραση μειώνεται μετά από ΥΕ PML είναι και, θετικά, ρυθμιζόμενοι στόχοι του μεταγραφικού παράγοντα FOXM1 (Forkhead Box M1). Η λειτουργική αλληλεπίδραση της PMLIV με την επικράτεια πρόσδεσης του FOXM1 στο DNA, καθώς και η μείωση του FOXM1 σε επίπεδο mRNA και πρωτεΐνης, υποδεικνύουν ότι η PMLIV είναι ένας καταστολέας του FOXM1. Επιπλέον, δείξαμε ότι η PMLIV YE επηρεάζει το μεταγραφικό πρόγραμμα του μεταγραφικού παράγοντα, FOXO3, o οποίος δρα ανοδικά του FOXM1. Συμπερασματικά, προτείνουμε ότι η PML επηρεάζει την ισορροπία των FOXO3 και FOXM1 μεταγραφικών προγραμμάτων στοχεύοντας διακριτά υποσύνολα γονιδίων. Τα αποτελέσματα μας δείχνουν ότι υψηλά επίπεδα PML μπορούν να επηρεάσουν ταυτόχρονα ποικίλα σηματοδοτικά μονοπάτια στοχεύοντας τον άξονα FOXO3-FOXM1, ο οποίος συνδέει τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό (FOXM1) με την απόπτωση, διακοπή του κυτταρικού κύκλου και μηχανισμούς επιβίωσης (FOXO3). Βρήκαμε ακόμη ότι εκτός από τους FOXO3 και FOXM1, η ΥΕ PML στοχεύει κι άλλους καίριους μεταγραφικούς παράγοντες (NFYA,E2F,TBP) με γενικό ρόλο στη μεταγραφή και στον κυτταρικό πολλαπλασιασμό. Συνεπώς, θεωρούμε ότι η PMLIV ΥΕ επιδρά σε σημαντικές βιολογικές διεργασίες μέσω ενός σύνθετου δικτύου μεταγραφικών παραγόντων και επιγενετικών αλλαγών. Αρχικά πειράματα PMLIV YE σε κύτταρα διαφορετικού τύπου καρκίνου του μαστού, τα Τ47D, έδειξαν ότι η PMLIV YE οδηγεί σε αναστολή του κυτταρικού πολλαπλασιασμού, αλλά προκαλεί και διαφορετικές αποκρίσεις σε σχέση με τα MDA-MB-231 κύτταρα.Μελετήσαμε ακόμη το ρόλο της PMLIV σε βλαστικά καρκινικά κύτταρα του μαστού. Παρατηρήσαμε ότι η PMLIV YE μειώνει την ικανότητα σχηματισμού ογκοσφαιρών στην καρκινική σειρά MDA-MB-231, υποδηλώνοντας ότι η PMLIV μειώνει την αυτό-ανανέωση των βλαστικών καρκινικών κυττάρων. Επιπλέον, ερευνήσαμε την επίδραση της PMLIV σε απομονωμένους, με βάση την έκφραση των επιφανειακών δεικτών EpCAM/CD24, υποπληθυσμούς καρκινικών κυττάρων και διαπιστώσαμε ότι η PMLIV YE επηρεάζει με διαφορετικό τρόπο την έκφραση γονιδίων που εμπλέκονται στη διαφοροποίηση του επιθηλίου, στην επιθηλιακή προς μεσεγχυματική μετάβαση, στον πολλαπλασιασμό και στη βλαστικότητα του κάθε υποπληθυσμού, καθώς και την ικανότητα αυτο-ανανέωσης η οποία καθορίστηκε in vitro με τη δοκιμασία σφαιρογένεσης και in vivo με ξενομοσχεύματα. Επομένως, τα αρχικά μας δεδομένα, σε αντίθεση με προηγούμενες αναφορές, υποστηρίζουν την άποψη ότι πολύ ογκογόνοι κυτταρικοί υποπληθυσμοί εμπίπτουν σε περισσότερους από έναν EpCAM/CD24 υπότυπους οι οποίοι επηρεάζονται από την PMLIV με διαφορετικό τρόπο.Συμπερασματικά, η ερευνά μας δίνει πληροφορίες για τη ρύθμιση της ανάπτυξης των όγκων από την PML στον καρκίνο του μαστού. Προσδιορίσαμε τους FOXO3 και FOXM1 σαν αλληλεπιδρώντες παράγοντες της PML, οι οποίοι προσδιορίζουν και το λειτουργικό αποτέλεσμα της PML στο κυτταρικό υπόβαθρο των MDA-MB-231 κυττάρων και αναδείξαμε έναν καινούριο, ρυθμιστικό άξονα στον πολλαπλασιασμό του καρκίνου του μαστού, PML/FOXO3/FOXM1, ο οποίος μπορεί να είναι θεραπευτικός στόχος. Επιπλέον, οι αρχικές παρατηρήσεις στα T47D κύτταρα, ενισχύουν την άποψη περί κυτταρικού υποβάθρου εξαρτώμενης δράσης της PML. Η PMLIV YE επηρέασε πολύ λιγότερο τη δημιουργία σφαιρών, ένδειξη αυτο-ανανέωσης, στα T47D σε σχέση με τα MDA-MB-231. Επιπλέον, συγκρίνοντας το μεταγραφικό προφίλ των δύο κυτταρικών σειρών, οι οποίες αντιπροσωπεύουν διαφορετικούς μοριακούς υποτύπους του καρκίνου του μαστού, μετά από PMLIV YE διαπιστώσαμε ότι η PMLIV επηρεάζει τόσο κοινές αλλά και διακριτές ομάδες γονιδίων. Προτείνουμε ότι η PML ευνοεί τόσο την αναστολή της ανάπτυξης του όγκου όσο και μηχανισμούς επιβίωσης σε διαφορετικό βαθμό, ο οποίος καθορίζεται από το εκάστοτε γενετικό και επιγενετικό υπόβαθρο των κυττάρων.