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Abstract

Polo-like kinase 1 (Plk1) is a serine-threonine protein kinase widely accepted as one of the master regulators of cell cycle. Overexpression of Plk1 is a frequent occurrence in an array of different human tumor types and it is usually correlated with poor prognosis in patients. However, very little is known about the exact role of Plk1 in tumorigenesis. Here, we use inducible mouse models to determine the in vivo consequences of Plk1 overexpression. During this study, we established that Plk1 is not an oncogene and overexpression of Plk1 has a strong tumor suppressive effect on Her2 or Kras driven breast cancer. Furthermore, tumors with elevated levels of Plk1 displayed evidence of whole genome doubling coupled with increased levels of aneuploidy. Histological characterization of murine mammary glands prior to tumor development affirmed a correlation between Plk1 overexpression and increase in genomic content at an early stage. Utilizing in vitro culture systems, we demonstrate that overexpression of Plk1 leads to reduced proliferation and causes polyploidy. Time-lapse imaging of mammary organoid cultures and mouse embryonic fibroblasts (MEFs) overexpressing Plk1 revealed that the polyploid cells originate due to impaired chromosome segregation as well as a failure of cytokinesis occurring during mitosis. Increased mitotic aberrations and supernumerary centrosomes accompanied these defective cell division processes. Mechanistically, the observed phenotype can be partially attributed to decrease of Shugoshin 1 (Sgo1) a target of Plk1, which is responsible for maintaining cohesion at the centromeres thus holding the sister chromatids together prior to anaphase. Premature loss of Sgo1 during prometaphase caused a partial or complete loss of cohesion. In this dissertation, we report that one of the major consequences of Plk1 overexpression is a staggering tumor suppressive effect, although this does not necessarily negate the possibility that Plk1 could promote tumor development under a different set of circumstances. Despite these findings, Plk1 inhibition in human tumors could still have a beneficial outcome because the kinase is indispensable for cell division. This work is not aimed at discouraging further research on Plk1 inhibitors; rather it provides a testament to the use of genetically engineered mouse models (GEMMs) that closely mimic human disease for pre-clinical testing. It is imperative to understand the molecular mechanisms and cellular processes leading up to tumor onset prior to the development of therapeutic strategies.

Translation of abstract (German)

Nach allgemeiner Auffassung ist die Serin/Threonin-Proteinkinase Polo-like-Kinase 1 (dt. "Polo-ähnliche Kinase 1", Plk1) eine der Hauptregulatoren des Zellzyklus. Überexpression der Plk1 ist ein häufiges Merkmal verschiedener Tumorarten und korreliert in Patienten normalerweise mit einer schlechten Prognose. Die genaue Funktion der Plk1 während der Tumorentwicklung ist allerdings nur unzureichend bekannt. In dieser Arbeit untersuchen wir die Konsequenzen der Plk1 Überexpression in vivo mit Hilfe von induzierbaren Mausmodellen. Wir konnten feststellen, dass Plk1 nicht als Onkogen agiert, sondern das die Überexpression von Plk1 vielmehr eine stark tumorsuppressiven auf Her2- oder Kraspositiven Brustkrebstypen hat. Des Weiteren waren Plk1-überexprimierende Tumoren sowohl durch eine Verdopplung des kompletten Genoms als auch ein verstärktes Auftreten von Aneuploidie gekennzeichnet. Histologische Untersuchungen der murinen Brustdrüsen noch vor der Tumorentstehung bestätigten schon in diesem frühen Stadium einen Zusammenhang zwischen der Überexpression von Plk1 und erhöhtem Genomgehalt. Durch den Einsatz von in vitro Kultursystemen konnten wir nachweisen, dass Überexpression der Plk1 zu Polyploidie und einer verringerten Proliferation führt. Darüber hinaus konnten wir durch Zeitraffer-Mikroskopie (engl. time-lapse imaging) von Organoidkulturen aus Brustgewebe und murinen embryonalen Fibroblasten (MEFs) mit Plk1 Überexpression zeigen, dass die polyploiden Zellen aufgrund von Fehlern während der Mitose entstehen, etwa bei der Trennung der Chromosomen oder der Zytokinese. Diese fehlerhaften Zellteilungen traten zusammen mit einer erhöhten Anzahl mitotischer Anomalien und überzähliger Chromosomen auf. Der beobachtete Phänotyp lässt sich mechanistisch teilweise durch eine Verminderung des Shugoshin 1 (SGO1) Proteingehaltes an den Kinetochoren erklären. Dieses Protein ist für den Zusammenhalt der Zentromeren und damit für das Zusammenbleiben der Schwesterchromatiden vor der Anaphase verantwortlich. Der zu frühe Verlust von SGO1 schon während der Prometaphase führte teilweise oder vollständig zum Verlust dieses Zusammenhaltes. In dieser Doktorarbeit zeigen wir den stark tumorsuppressiven Effekt als eine der bedeutendsten Konsequenzen von Plk1 Überexpression, wobei dies nicht zwangsläufig die Möglichkeit ausschließt, dass Plk1 unter anderen Umständen die Tumorentwicklung begünstigen könnte. Trotz dieser Ergebnisse könnte auch eine gegen Plk1 gerichtete Behandlung von humanen Tumoren eine vorteilhafte Wirkung haben, weil die Plk1 unverzichtbar für die Zellteilung ist. VII Diese Arbeit hat nicht das Ziel, von jeglichen weiteren Bemühungen zur Blockade der Plk1 abzuraten. Vielmehr soll sie den Nutzen von genetisch veränderten Mausmodellen (engl. genetically engineered mouse models, GEMMs) für die präklinische Forschung hervorheben, die humane Krankheiten präzise nachahmen. Es ist zwingend notwendig, die molekularen Mechanismen und zellulären Prozesse der Tumorentstehung zu verstehen, bevor man Therapiestrategien entwickelt.