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Macrophages not only represent an integral part of innate immunity but also critically contribute to tissue and organ homeostasis. Moreover, disease progression is accompanied by macrophage accumulation in many cancer types and is often associated with poor prognosis and therapy resistance. Given their critical role in modulating tumor immunity in primary and metastatic brain cancers, macrophages are emerging as promising therapeutic targets. Different types of macrophages infiltrate brain cancers, including (i) CNS resident macrophages that comprise microglia (TAM-MG) as well as border-associated macrophages and (ii) monocyte-derived macrophages (TAM-MDM) that are recruited from the periphery. Controversy remained about their disease-associated functions since classical approaches did not reliably distinguish between macrophage subpopulations. Recent conceptual and technological advances, such as large-scale omic approaches, provided new insight into molecular profiles of TAMs based on their cellular origin. In this review, we summarize insight from recent studies highlighting similarities and differences of TAM-MG and TAM-MDM at the molecular level. We will focus on data obtained from RNA sequencing and mass cytometry approaches. Together, this knowledge significantly contributes to our understanding of transcriptional and translational programs that define disease-associated TAM functions. Cross-species meta-analyses will further help to evaluate the translational significance of preclinical findings as part of the effort to identify candidates for macrophage-targeted therapy against brain metastasis.
During erythropoiesis, haematopoietic stem cells (HSCs) differentiate in successive steps of commitment and specification to mature erythrocytes. This differentiation process is controlled by transcription factors that establish stage- and cell type-specific gene expression. In this study, we demonstrate that FUSE binding protein 1 (FUBP1), a transcriptional regulator important for HSC self-renewal and survival, is regulated by T-cell acute lymphocytic leukaemia 1 (TAL1) in erythroid progenitor cells. TAL1 directly activates the FUBP1 promoter, leading to increased FUBP1 expression during erythroid differentiation. The binding of TAL1 to the FUBP1 promoter is highly dependent on an intact GATA sequence in a combined E-box/GATA motif. We found that FUBP1 expression is required for efficient erythropoiesis, as FUBP1-deficient progenitor cells were limited in their potential of erythroid differentiation. Thus, the finding of an interconnection between GATA1/TAL1 and FUBP1 reveals a molecular mechanism that is part of the switch from progenitor- to erythrocyte-specific gene expression. In summary, we identified a TAL1/FUBP1 transcriptional relationship, whose physiological function in haematopoiesis is connected to proper erythropoiesis.
Microenvironmental regulation of tumor progression and therapeutic response in brain metastasis
(2019)
Cellular and non-cellular components of the tumor microenvironment (TME) are emerging as key regulators of primary tumor progression, organ-specific metastasis, and therapeutic response. In the era of TME-targeted- and immunotherapies, cancer-associated inflammation has gained increasing attention. In this regard, the brain represents a unique and highly specialized organ. It has long been regarded as an immunological sanctuary site where the presence of the blood brain barrier (BBB) and blood cerebrospinal fluid barrier (BCB) restricts the entry of immune cells from the periphery. Consequently, tumor cells that metastasize to the brain were thought to be shielded from systemic immune surveillance and destruction. However, the detailed characterization of the immune landscape within border-associated areas of the central nervous system (CNS), such as the meninges and the choroid plexus, as well as the discovery of lymphatics and channels that connect the CNS with the periphery, have recently challenged the dogma of the immune privileged status of the brain. Moreover, the presence of brain metastases (BrM) disrupts the integrity of the BBB and BCB. Indeed, BrM induce the recruitment of different immune cells from the myeloid and lymphoid lineage to the CNS. Blood-borne immune cells together with brain-resident cell-types, such as astrocytes, microglia, and neurons, form a highly complex and dynamic TME that affects tumor cell survival and modulates the mode of immune responses that are elicited by brain metastatic tumor cells. In this review, we will summarize recent findings on heterotypic interactions within the brain metastatic TME and highlight specific functions of brain-resident and recruited cells at different rate-limiting steps of the metastatic cascade. Based on the insight from recent studies, we will discuss new opportunities and challenges for TME-targeted and immunotherapies for BrM.
Brain metastases are the most common intracranial tumor in adults and are associated with poor patient prognosis and median survival of only a few months. Treatment options for brain metastasis patients remain limited and largely depend on surgical resection, radio- and/or chemotherapy. The development and pre-clinical testing of novel therapeutic strategies require reliable experimental models and diagnostic tools that closely mimic technologies that are used in the clinic and reflect histopathological and biochemical changes that distinguish tumor progression from therapeutic response. In this study, we sought to test the applicability of magnetic resonance (MR) spectroscopy in combination with MR imaging to closely monitor therapeutic efficacy in a breast-to-brain metastasis model. Given the importance of radiotherapy as the standard of care for the majority of brain metastases patients, we chose to monitor the post-irradiation response by magnetic resonance spectroscopy (MRS) in combination with MR imaging (MRI) using a 7 Tesla small animal scanner. Radiation was applied as whole brain radiotherapy (WBRT) using the image-guided Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). Here we describe alterations in different metabolites, including creatine and N-acetylaspartate, that are characteristic for brain metastases progression and lactate, which indicates hypoxia, while choline levels remained stable. Radiotherapy resulted in normalization of metabolite levels indicating tumor stasis or regression in response to treatment. Our data indicate that the use of MR spectroscopy in addition to MRI represents a valuable tool to closely monitor not only volumetrical but also metabolic changes during tumor progression and to evaluate therapeutic efficacy of intervention strategies. Adapting the analytical technology in brain metastasis models to those used in clinical settings will increase the translational significance of experimental evaluation and thus contribute to the advancement of pre-clinical assessment of novel therapeutic strategies to improve treatment options for brain metastases patients.
Constitutive Wnt activation upon loss of Adenoma polyposis coli (APC) acts as main driver of colorectal cancer (CRC). Targeting Wnt signaling has proven difficult because the pathway is crucial for homeostasis and stem cell renewal. To distinguish oncogenic from physiological Wnt activity, we have performed transcriptome and proteome profiling in isogenic human colon organoids. Culture in the presence or absence of exogenous ligand allowed us to discriminate receptor-mediated signaling from the effects of CRISPR/Cas9-induced APC loss. We could catalog two nonoverlapping molecular signatures that were stable at distinct levels of stimulation. Newly identified markers for normal stem/progenitor cells and adenomas were validated by immunohistochemistry and flow cytometry. We found that oncogenic Wnt signals are associated with good prognosis in tumors of the consensus molecular subtype 2 (CMS2). In contrast, receptor-mediated signaling was linked to CMS4 tumors and poor prognosis. Together, our data represent a valuable resource for biomarkers that allow more precise stratification of Wnt responses in CRC.
Background & Aims: Microvillus inclusion disease (MVID) is a congenital intestinal malabsorption disorder caused by defective apical vesicular transport. Existing cellular models do not fully recapitulate this heterogeneous pathology. The aim of this study was to characterize 3-dimensional intestinal organoids that continuously generate polarized absorptive cells as an accessible and relevant model to investigate MVID.
Methods: Intestinal organoids from Munc18-2/Stxbp2-null mice that are deficient for apical vesicular transport were subjected to enterocyte-specific differentiation protocols. Lentiviral rescue experiments were performed using human MUNC18-2 variants. Apical trafficking and microvillus formation were characterized by confocal and transmission electron microscopy. Spinning disc time-lapse microscopy was used to document the lifecycle of microvillus inclusions.
Results: Loss of Munc18-2/Stxbp2 recapitulated the pathologic features observed in patients with MUNC18-2 deficiency. The defects were fully restored by transgenic wild-type human MUNC18-2 protein, but not the patient variant (P477L). Importantly, we discovered that the MVID phenotype was correlated with the degree of enterocyte differentiation: secretory vesicles accumulated already in crypt progenitors, while differentiated enterocytes showed an apical tubulovesicular network and enlarged lysosomes. Upon prolonged enterocyte differentiation, cytoplasmic F-actin–positive foci were observed that further progressed into classic microvillus inclusions. Time-lapse microscopy showed their dynamic formation by intracellular maturation or invagination of the apical or basolateral plasma membrane.
Conclusions: We show that prolonged enterocyte-specific differentiation is required to recapitulate the entire spectrum of MVID. Primary organoids can provide a powerful model for this heterogeneous pathology. Formation of microvillus inclusions from multiple membrane sources showed an unexpected dynamic of the enterocyte brush border.
Hematopoietic differentiation is controlled by key transcription factors, which regulate stem cell functions and differentiation. TAL1 is a central transcription factor for hematopoietic stem cell development in the embryo and for gene regulation during erythroid/megakaryocytic differentiation. Knowledge of the target genes controlled by a given transcription factor is important to understand its contribution to normal development and disease. To uncover direct target genes of TAL1 we used high affinity streptavidin/biotin-based chromatin precipitation (Strep-CP) followed by Strep-CP on ChIP analysis using ChIP promoter arrays. We identified 451 TAL1 target genes in K562 cells. Furthermore, we analysed the regulation of one of these genes, the catalytic subunit beta of protein kinase A (PRKACB), during megakaryopoiesis of K562 and primary human CD34+ stem cell/progenitor cells. We found that TAL1 together with hematopoietic transcription factors RUNX1 and GATA1 binds to the promoter of the isoform 3 of PRKACB (Cβ3). During megakaryocytic differentiation a coactivator complex on the Cβ3 promoter, which includes WDR5 and p300, is replaced with a corepressor complex. In this manner, activating chromatin modifications are removed and expression of the PRKACB-Cβ3 isoform during megakaryocytic differentiation is reduced. Our data uncover a role of the TAL1 complex in controlling differential isoform expression of PRKACB. These results reveal a novel function of TAL1, RUNX1 and GATA1 in the transcriptional control of protein kinase A activity, with implications for cellular signalling control during differentiation and disease.
Background: The complex cellular networks within tumors, the cytokine milieu, and tumor immune escape mechanisms affecting infiltration and anti-tumor activity of immune cells are of great interest to understand tumor formation and to decipher novel access points for cancer therapy. However, cellular in vitro assays, which rely on monolayer cultures of mammalian cell lines, neglect the three-dimensional architecture of a tumor, thus limiting their validity for the in vivo situation.
Methods: Three-dimensional in vivo-like tumor spheroid were established from human cervical carcinoma cell lines as proof of concept to investigate infiltration and cytotoxicity of NK cells in a 96-well plate format, which is applicable for high-throughput screening. Tumor spheroids were monitored for NK cell infiltration and cytotoxicity by flow cytometry. Infiltrated NK cells, could be recovered by magnetic cell separation.
Results: The tumor spheroids were stable over several days with minor alterations in phenotypic appearance. The tumor spheroids expressed high levels of cellular ligands for the natural killer (NK) group 2D receptor (NKG2D), mediating spheroid destruction by primary human NK cells. Interestingly, destruction of a three-dimensional tumor spheroid took much longer when compared to the parental monolayer cultures. Moreover, destruction of tumor spheroids was accompanied by infiltration of a fraction of NK cells, which could be recovered at high purity.
Conclusion: Tumor spheroids represent a versatile in vivo-like model system to study cytotoxicity and infiltration of immune cells in high-throughput screening. This system might proof useful for the investigation of the modulatory potential of soluble factors and cells of the tumor microenvironment on immune cell activity as well as profiling of patient-/donor-derived immune cells to personalize cellular immunotherapy.
Der programmierte Zelltod (Apoptose) ist ein wichtiger Mechanismus zur Eliminierung von beschädigtem Gewebe und entarteten Zellen. Die Deregulierung der Apoptose führt zu zahlreichen Erkrankungen wie neuro-degenerativen Störungen und Krebs. Insbesondere in Tumoren wird der programmierte Zelltod mit Hilfe von hochregulierten, anti-apoptotischen Proteinen umgangen und es entstehen Resistenzen gegen Chemotherapien. Um innovative therapeutische Ansätze zu finden, wurden in diesem Projekt mit Hilfe eines Hefe-Survival-Screens neue, potentiell anti-apoptotische Proteine im Pankreaskarzinom identifiziert. Von den insgesamt 38 identifizierten Genprodukten wurden zwei für eine weiterführende Analyse ausgewählt.
Eins der näher untersuchten Proteine ist die Pyruvoyl-tetrahydrobiopterin-Synthase (PTS), ein wichtiges Enzym für die Biosynthese von Tetrahydrobiopterin (BH4). BH4 ist ein Kofaktor, der von mehreren Enzymen der Zelle für ihre Funktionen benötigt wird. In Zellkultur-Experimenten konnte gezeigt werden, dass eine Überexpression von PTS die Zellen vor Apoptose schützen kann, während eine Herunterregulation durch genetischen knockdown die Zellen gegenüber Apoptose-Stimuli sensibilisiert und ihr Wachstum beeinträchtigt. In Xenograft-Experimenten mit NOD/SCID-Mäusen konnte zudem gezeigt werden, dass Tumore mit einem PTS-Knockdown signifikant langsamer wachsen als die der Kontrollgruppe. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse auf eine Rolle von PTS bei der Apoptose-Regulation und beim Tumorwachstum hin, was das Protein zu einem attraktiven Target für die Krebstherapie macht.
Als zweites wurde ein Protein analysiert, das eine Untereinheit des respiratorischen Komplex I bildet: NDUFB5 (NADH-Dehydrogenase 1 beta Subcomplex, 5). Das besondere an diesem Protein sind die verschiedenen Isoformen, die durch alternatives Splicing zustandekommen. Eine Isoform, der die Exone 2 und 3 fehlen, wurde im Hefe-Survival-Screen identifiziert. Bei Überexpression in Zelllinien konnte sie im Gegensatz zum Volllänge-Protein die Apoptoserate reduzieren. Und auch Ergebnisse aus Versuchen mit Isoformen-spezifischem knockdown deuten an, dass hauptsächlich die verkürzte Isoform sNDUFB5 für die Regulation von Apoptose und Proliferation verantwortlich ist. Diese Beobachtungen konnten mit denselben Zellen im Xenograft-Tiermodell jedoch nicht bestätigt werden. Die Ursachen dafür blieben unklar. Zusätzlich wurden immunhistochemische Analysen von Pankreaskarzinomen und normalem Pankreasgewebe durchgeführt. Sie ergaben, dass die kurze Isoform sNDUFB5 im Tumor stark überexpremiert ist, während die Expression des Volllänge-Proteins in normalem und Tumorgewebe ähnlich hoch ausfällt. Dieser Befund macht NDUFB5 zu einem interessanten therapeutischen Target.
Die näher untersuchten Kandidaten-Gene zeigen beide Potential als neue Angriffspunkte für eine molekulare Krebstherapie. Andere in dem Hefe-Survival-Screen identifizierte Proteine wurden bereits als anti-apoptotisch und/oder in Krebszellen überexprimiert beschrieben. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass ein funktionelles, Hefe-basiertes Screeningsystem geeignet ist, neue bisher unbekannte Proteine mit anti-apoptotischer Funktion zu identifizieren. Auch zeigen die Befunde, dass bereits bekannte Proteine weitere bisher unbekannte Funktionen wie z.B. die Inhibition von Apoptose aufweisen können. Basierend auf solchen mehrfachen Proteinfunktionen lassen sich weitere therapeutische Möglichkeiten ableiten.
Einfluss des Transkriptionsfaktors Tal1 auf die Osteoklastogenese durch Regulation von DC-STAMP
(2012)
Das menschliche Knochengewebe unterliegt einem ständigen Auf- und Abbau. Der Knochenumbau, die so genannte Knochenremodellierung, findet stetig statt und etwa 10 % des gesamten Knochengewebes werden innerhalb eines Jahres erneuert (Lerner UH, 2006). Während der Knochenremodellierung befindet sich die Zellaktivität der Knochenaufbauenden Osteoblasten und der Knochen-abbauenden Osteoklasten in einem empfindlichen Gleichgewicht (Karsenty G und Wagner EF, 2002; Teitelbaum SL, 2000).
Durch Störung des Gleichgewichts zwischen Osteoblasten und Osteoklasten kann es zu Knochen-assoziierten Krankheiten wie Osteoporose oder Osteopetrose kommen (Helfrich MH, 2003; Sambrook P und Cooper C, 2006). Osteoklasten sind multinukleäre Zellen, die in der Lage sind die Knochenmatrix zu resorbieren (Teitelbaum SL, 2000). Sie entstehen aus pluripotenten, hämatopoetischen Stammzellen durch Differenzierung und Zellfusion von Monozyten/Makrophagen-Vorläuferzellen (Menaa C et al., 2000, Yavropoulou MP und Yovos JG, 2008). Die Osteoklasten-Differenzierung wird hauptsächlich durch die Zytokine M-CSF (macrophage colony stimulating factor) und RANKL (receptor activator of nuclear factor k b ligand) induziert. Sie initiieren ein spezifisches Expressionsmuster Osteoklasten-spezifischer Gene und aktivieren die Zellfusion in Osteoklasten-Vorläuferzellen zur Bildung reifer Osteoklasten (Boyle WJ et al., 2003; Asagiri M und Takayanagi H, 2007). Die RANKL-vermittelte Induktion der Osteoklastogenese beruht auf der Initiierung eines streng regulierten Netzwerks aus Transkriptionsfaktoren (Yang X und Karsenty G, 2002). Einige Transkriptionsfaktoren, die während der Osteoklasten-Differenzierung induziert und exprimiert werden, sind nicht auf Osteoklasten beschränkt. Sie erfüllen auch Aufgaben in anderen hämatopoetischen Differenzierungsprozessen (Engel I und Murre C et al., 1999), so dass vermutlich die Kombination der Transkriptionsfaktoren entscheidend für die Osteoklastogenese ist.
Der basic helix-loop-helix-Transkriptionsfaktor Tal1 (T-cell acute lymphocytic leukemia 1, auch Scl1, stem cell leukemia 1) ist ein entscheidender Faktor in der primitiven und der definitiven Hämatopoese (Bloor AJ et al., 2002; Shivdasani RA et al., 1996). Die Expression von Tal1 konnte bisher in verschiedenen hämatopoetischen Zelllinien gezeigt werden, u.a. in monozytischen Zellen (Elefanty AG et al., 1998; Green AR et al., 1992; Pulford K et al., 1995; Dey S et al., 2010).
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des Transkriptionsfaktors Tal1 in Monozyten und reifen Osteoklasten, vor allem in Bezug auf genregulatorische Prozesse während der Osteoklasten-Differenzierung, untersucht. Der Transkriptionsfaktor Tal1 wird in vitro und in vivo in Osteoklasten-Vorläuferzellen und reifen Osteoklasten exprimiert. Die Proteinexpression von Tal1 wird durch die Inkubation der Zellen mit RANKL induziert, jedoch wurde dies in Bezug auf die mRNA-Expression von Tal1 nicht beobachtet, so dass vermutlich eine posttranskriptionelle Regulation von Tal1 vorliegt.
Die Überexpression von Tal1 sorgte für eine Blockade der Differenzierung von Osteoklasten-Vorläuferzellen in reife Osteoklasten. Der Verlust von Tal1 in primären Monozyten/Makrophagen-Zellen führte zur veränderten Expression von über 1200 Genen, wobei jeweils etwa 600 Gene herauf- bzw. herabreguliert waren. Dies verdeutlicht, dass Tal1 sowohl an der Aktivierung als auch an der Reprimierung der Genexpression in Osteoklasten-Vorläuferzellen beteiligt ist. Die Liste der herabregulierten Gene beinhaltete u.a. das Osteoklasten-spezifische Enzym Acp5 (auch TRAP, tartrate resistant acid phosphatase), die Liste der herauf regulierten Gene beinhaltete u.a. DC-STAMP (dendritic cell specific transmembrane protein) und ATP6V0D2 (d2 isoform of vascuolar ATPase V0 domain), beide werden im Zusammenhang mit der Zellfusion während der Osteoklasten-Differenzierung beschrieben (Kim K et al., 2008; Kim T et al., 2010; Yagi M et al., 2005). Der Promotor von DC-STAMP beinhaltet mehrere potentielle Bindestellen für Tal1 und Osteoklastenspezifische Transkriptionsfaktoren. Es konnte gezeigt werden, dass Tal1, PU.1 und MITF im Bereich um 343 bp vor dem Transkriptionsstartpunkt des DC-STAMP-Promotors binden und dass Tal1 mit den Osteoklasten-spezifischen Transkriptionsfaktoren PU.1 und MITF interagiert. Der inhibitorische Effekt von Tal1 auf die Osteoklasten-Differenzierung kommt durch die Reprimierung der Aktivität der Osteoklasten-spezifischen Transkriptionsfaktoren PU.1 und MITF auf dem DC-STAMP-Promotor in Osteoklasten-Vorläuferzellen zustande. Während der Osteoklastogenese kommt es zu einer verringerten Tal1-Bindung auf dem DCSTAMP-Promotor, wodurch die Tal1-vermittelte Inhibierung der Expression aufgehoben wird.
Die Bindung von PU.1 und MITF auf dem Promotor von DC-STAMP nimmt während der Osteoklasten-Differenzierung zu. Die Expression von DC-STAMP wird im Verlauf der Osteoklastogenese induziert, wodurch es zur Zell-Zell-Fusion kommt.
Die Analyse des transkriptionellen Netzwerks, das die Fusion mononukleärer Zellen in reife Osteoklasten reguliert, vertieft das molekulare Verständnis der Osteoklasten-Differenzierung und kann zur Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze beitragen, die in der Behandlung von Osteoporose, Riesenzelltumoren und anderen Osteoklastenassoziierten Krankheiten verwendet werden können.