German Title: Die transkriptionellen Koregulatoren TBL1X und TBL1XR1 kontrollieren Tumorwachstum und Tumorzellstoffwechsel im Pankreaskrebs

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Abstract

Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) is among the ten most frequent cancers in the western world, and also one of the most lethal. The mortality rate approximately equals the incidence rate and the five-year survival rate is only around 5%, mainly due to advanced stage at diagnosis, non-resectability, and frequent chemotherapy resistance. Epidemiological studies show that obesity and/or type 2 diabetes increase the risk of PDAC. Both conditions have been increasing world wide during the last 20–30 years, and have become a global health hazard.

The transcriptional co-regulators TBL1X (transducin-beta-like 1, X-linked) and TBL1XR1 (transducin-beta-like 1X-related protein 1) mediate the exchange of co-repressors to co-activators on target gene promoters. They have been shown by previous work in our lab to regulate lipid metabolism in liver and white adipose tissue. Furthermore, they interact with Wnt/β-catenin signaling, a pathway frequently altered in cancers. Recent studies have shown a growth-regulating role of TBL1XR1 in various cancer entities, but not in pancreatic cancer.

The aim of the present study was therefore to investigate whether TBL1X and/or TBL1XR1 play a role in pancreatic cancer and might link tumor initiation or progression with obesity or type 2 diabetes. While the latter could not be confirmed, the present study was able to show that TBL1X and TBL1XR1 were highly expressed in human and murine pancreatic cancer. The expression was specific for PanIN precursor lesions and carcinoma cells, while healthy tissue showed little to no expression. In human patients, multiple genes involved in metabolic processes showed a high correlation with TBL1X and TBL1XR1 expression. In vitro studies revealed a growth-promoting effect of TBL1X and TBL1XR1 in pancreatic cancer cells and gene expression microarrays indicated cell cycle and p53 signaling as the most prominently regulated pathways. Furthermore, both proteins, especially TBL1X, affected tumor cell glucose metabolism and cellular response to glucose withdrawal. Application of a syngeneic subcutaneous allograft mouse model confirmed the growth-regulating effect of Tbl1x in vivo. Ablation of Tbl1x additionally sensitized murine Panc02 tumor cells to gemcitabine, the most commonly used chemotherapeutic agent for pancreatic cancer. Tbl1x-deficient cells had markedly reduced levels of PI3 kinase, a major regulator of cell growth and metabolism, as well as downstream mediators. TBL1X was confirmed to bind to PI3 kinase promoter region and its expression correlated with PI3 kinase in human patients.

Taken together, this study is the first to show a role of TBL1X in cancer, and of TBL1XR1 in pancreatic cancer, both in humans and in mice. The control of PI3 kinase by TBL1X on the transcriptional level is a plausible explanation for the observed sensitization to gemcitabine, making TBL1X an attractive target for future cancer therapies to enhance treatment response and patient survival.

Translation of abstract (German)

Das duktale Adenokarzinom des Pankreas gehört zu den zehn häufigsten Tumorarten in der westlichen Welt und ist zugleich eine der tödlichsten. Die Mortalität entspricht in etwa der Inzidenz, die Fünfjahresüberlebensrate beträgt nur rund 5%. Dies rührt hauptsächlich daher, dass die Tumoren zum Zeitpunkt der Diagnose meist in einem fortgeschrittenen Stadium und oft nicht resektierbar sind. Zudem sprechen sie häufig nicht auf Chemotherapie an. Epidemiologische Studien zeigen, dass Fettleibigkeit und/oder Typ-2-Diabetes mit einem erhöhten Risiko für Pankreaskrebs einhergehen. Beide Stoffwechselstörungen haben in den letzten 20–30 Jahren weltweit zugenommen und entwickeln sich mehr und mehr zu einer Bedrohung für die globale Gesundheit.

Die transkriptionellen Koregulatoren TBL1X (transducin-beta-like 1, X-linked) und TBL1XR1 (transducin-beta-like 1X-related protein 1) vermitteln den Austausch von Korepressoren gegen Koaktivatoren auf den Promotoren von Zielgenen. Frühere Untersuchungen in unserer Arbeitsgruppe konnten zeigen, dass sie den Fettstoffwechsel in der Leber und in weißem Fettgewebe regulieren. Des weiteren interagieren sie mit dem Wnt/β-catenin-Signalweg, der in Krebszellen häufig fehlreguliert ist. Neuere Studien haben für TBL1XR1 eine wachstumsregulierende Funktion in verschiedenen Tumorarten nachgewiesen, jedoch nicht für Pankreaskrebs.

In der vorliegenden Studie sollte deshalb untersucht werden, ob TBL1X und/oder TBL1XR1 im Pankreaskrebs eine Funktion haben und ob sie eine Verbindung herstellen können zwischen Tumorentstehung oder Tumorprogression und Fettleibigkeit oder Typ-2-Diabetes. Während letzteres nicht bestätigt werden konnte, zeigte die vorliegende Studie, dass TBL1X und TBL1XR1 in Pankreastumoren des Menschen und der Maus stark exprimiert waren. Die Expression war hierbei spezifisch für die PanIN-Vorläuferläsionen und Krebszellen, während gesundes Gewebe keine oder nur eine geringe Expression aufwies. In humanen Patienten besaß eine Vielzahl an stoffwechselrelevanten Genen eine starke Korrelation ihrer Expression mit derjenigen von TBL1X und TBL1XR1. In-vitro-Studien konnten nachweisen, dass TBL1X und TBL1XR1 einen wachstumsfördernden Effekt auf Krebszellen haben und Genexpressions-Microarrays brachten Zellzyklus und den p53-Signalweg als stark regulierte zelluläre Signalwege zu Tage. Des weiteren beeinflussten beide Proteine, und speziell TBL1X, den Glucosestoffwechsel von Pankreaskrebszellen sowie ihr Wachstumsverhalten in Abwesenheit von Glucose. Mittels eines syngenen subkutanen Allotransplantat-Modells in der Maus konnte die wachstumsregulierende Funktion von Tbl1x in vivo bestätigt werden. Darüber hinaus waren Tbl1x-defiziente murine Panc02-Pankreaskrebszellen sensitiver gegenüber dem bei Pankreaskrebs meist verwendeten Chemotherapeutikum Gemcitabin. Diese Zellen wiesen zudem geringere Mengen des Proteins PI3-Kinase auf, eines wichtigen Regulators für Zellwachstum und Stoffwechsel, und auch in der PI3-Kinase-Signalkette nachgeschaltete Proteine waren in ihrer Menge reduziert. Nachfolgend konnte gezeigt werden, dass TBL1X an die Promotorregion des PI3-Kinase-Gens bindet und dass in humanen Tumoren die Expression von TBL1X mit derjenigen von PI3-Kinase korreliert.

Die vorliegende Studie ist die erste, die eine Funktion von TBL1X in Krebs und von TBL1XR1 im Pankreaskrebs aufzeigt, sowohl im Menschen als auch in der Maus. Die Kontrolle von PI3-Kinase durch TBL1X auf transkriptioneller Ebene ist eine plausible Erklärung für die beobachtete Sensitivierung gegenüber Gemcitabin. TBL1X ist somit ein attraktives Ziel für zukünftige Krebstherapien zur Verbesserung des Ansprechens auf Chemotherapie und des Überlebens der Patienten.