Hyperactive AKT signaling drives colorectal cancer progression via NOTCH3

  • Colorectal cancer (CRC) has the third highest incidence and the fourth highest mortality rate worldwide and represents a substantial health care burden and affects the life of millions of people. CRC is a genetic disease caused by the stepwise accumulation of genetic alterations. The initiating event in colorectal carcinogenesis is the aberrant activation of the WNT pathway, but other pathways are also commonly deregulated, including the PI3K/AKT pathway. A number of previous studies using genetically engineered mouse models aimed at dissecting the exact role of PI3K/AKT pathway in CRC, but have yielded in rather conflicting results. Despite the inconsistent results, these studies already put forward the idea that PI3K/AKT signaling in combination with other genetic events might substantially contribute to tumor progression. Since the PI3K/AKT pathway is frequently activated in CRC, it represents an ideal candidate for therapeutic intervention. Although extensive efforts had led to the development of numerous inhibitors targeting the PI3K/AKT pathway, the diversity of genetic alterations can challenge the identification of the most effective therapeutic targets. Therefore, the discovery of shared tumor-promoting mechanisms downstream of these genetic alterations might unravel new biomarkers and druggable targets. The aim of this study was to elucidate the precise role of PI3K/AKT pathway during the course of colorectal carcinogenesis and to decipher novel pro-tumorigenic molecular mechanisms downstream of PI3K/AKT activation that can be used for therapeutic intervention. To obtain a better insight into the role of the PI3K/AKT pathway during colorectal carcinogenesis, mice expressing an oncogenic variant of AKT1 (AktE17K) specifically in the intestinal epithelial cells (IEC) were used. At the age of 6 months untreated AktE17K mice showed clearly perturbed intestinal homeostasis, but no tumor formation. To induce colonic tumorigenesis, AktE17K mice were subjected to treatment with the colonic carcinogen azoxymethane (AOM). In response to AOM, AktE17K mice developed invasive but nonmetastatic tumors, which showed strong nuclear accumulation of TP53. To investigate the role of PI3K/AKT signaling specifically in CRC progression, AktE17K mice were crossed to TP53- deficient mice (Tp53ΔIEC). Unlike AktE17K mice, untreated Tp53ΔIECAktE17K, developed highly invasive small intestinal tumors by the age of 6 months. To investigate the role of AKT hyperactivation in colonic tumor progression, Tp53ΔIECAktE17K mice were subjected to AOM treatment. AKT hyperactivation significantly enhanced tumor progression and induced metastatic dissemination. To get a better insight how AKT signaling can promote tumor progression, whole tumor tissues from AOM-treated Tp53ΔIEC and Tp53ΔIECAktE17K mice were subjected to next generation mRNA sequencing and phospho-proteomic analysis by mass spectrometry. Both analyses indicated that AKT hyperactivation expands the inflammatory tumor microenvironment and upregulates pathways associated with invasion and metastasis. Importantly, Gene Set Enrichment Analysis revealed that AOM-induced colon tumors of Tp53ΔIECAktE17K animals, are highly similar in their gene expression profile to the CMS4 subtype of human CRC, which is associated with worse overall- and relapse-free survival7 . Gene expression analysis also suggested elevated NOTCH signaling in the Tp53ΔIECAktE17K tumors. Interestingly, while the expression of Notch3 mRNA was increased in the tumors of Tp53ΔIECAktE17K mice, the expression of the other NOTCH receptors was unaffected by AKT hyperactivation. In vitro experiments using TP53-deficient mouse tumor organoids with hyperactive AKT signaling confirmed the direct, tumor cell-intrinsic link between AKT activation and increased Notch3 expression. Moreover, inhibition of EZH2 mimicked the effect of AKT hyperactivation on Notch3 expression, suggesting that AKT regulates Notch3 via an epigenetic mechanism. Knock-down of Notch3 in TP53-deficient mouse tumor organoids with hyperactive AKT signaling resulted in differential regulation of several pathways with potential role in invasion and metastasis and in cell death and survival. Subsequent in vivo experiments confirmed the role of NOTCH3 signaling in CRC progression. Treatment of AOM-induced Tp53ΔIECAkt E17K mice with a NOTCH3 antagonistic antibody or the γ-secretase inhibitor DAPT significantly reduced invasion and metastasis. Importantly, NOTCH3 expression was also found to be associated with human CRC progression, suggesting that NOTCH3 represent a valid target for the treatment of CRC. This work, using genetically engineered mouse models and advanced in vitro techniques, has demonstrated a strong tumor promoting role for PI3K/AKT signaling in CRC progression and has identified NOTCH3 signaling as a potential therapeutic target downstream of the PI3K/AKT pathway.
  • Unter allen Krebsarten besitzt der kolorektale Krebs (CRC, colorectal cancer) die dritthöchste Inzidenz und die vierthöchste Mortalitätsrate weltweit und stellt somit eine wesentliche Belastung für das Gesundheitssystem dar und beeinträchtigt das Leben von Millionen Patienten und ihrer Familien. Obwohl viele Faktoren zur Entstehung von CRC beitragen können, ist es doch unbestreitbar eine genetische Erkrankung, die durch die schrittweise Ansammlung von genetischen Veränderungen verursacht wird. Der initiale Prozess der kolorektalen Karzinogenese ist die abnormale Aktivierung des WNT-Signalweges, allerdings gibt es auch andere Signalwege, die in CRC häufig fehlreguliert sind, unter anderem der PI3K/AKT-Signalweg. Der PI3K/AKT-Weg verbindet Signale von Wachstumsfaktoren, Zytokinen und anderen äußerlichen Faktoren mit der intrazellulären Signaltransduktion und reguliert eine Vielzahl von essentiellen Prozessen wie Proliferation, Überleben, Beweglichkeit und Metabolismus. Eine beträchtliche Anzahl an Genen, die für Mitglieder des PI3K/AKTSignalweges kodieren, sind in Krebserkrankungen mutiert oder in ihrer Kopienanzahl verändert. Eine Gesamtanalyse von 32 verschiedenen Krebsarten zeigte, dass die häufigsten Veränderungen PIK3CA-Mutationen, PIK3CA- und PIK3CB-Amplifikationen, PIK3R1- und PIK3R2-Mutationen, PTEN-Deletionen oder inaktivierende Punktmutationen und AKT1- Mutationen beinhalteten. In einer kürzlich durchgeführten, groß angelegten Studie an metastasierenden Krebsarten war PIK3CA das Top-Onkogen und PTEN der am dritthäufigsten mutierte Tumorsuppressor, was die Bedeutung des PI3K/AKT-Signalweges bei der Krebsprogression hervorhebt. Ein ähnliches Bild ergibt sich für CRC, in dem PIK3CAund PIK3R1-Mutationen und PTEN-Deletionen und -Mutationen am häufigsten vertreten sind. Amplifikation und Überexpression von IGF2 und IRS2 sind ebenfalls häufige Vorkommnisse in CRC und weisen eine gegenseitige Exklusivität gegenüber anderen Veränderungen des PI3K/AKT-Signalweges auf. Nachgeschaltet von PI3K repräsentiert AKT eines der zentralen Signal-Knotenpunkte. AKT gehört zur Familie der AGC-Serin-Threonin-Proteinkinasen und besitzt drei hoch homologe Isoformen: AKT1, AKT2 und AKT3. Es konnten mehr als 200 Substrate für AKT identifiziert werden und in den meisten Fällen führt eine Phosphorylierung am RXRXXS/TKonsensusmotif zu einer negativen Regulierung der Effektorfunktionen. Ähnlich den anderen Mitgliedern des PI3K/AKT-Signalweges ist in Krebs auch AKT genetischen Veränderungen unterworfen, allerdings in geringerem Ausmaß als PTEN oder PI3K. Aktivierende hotspot-Mutationen im AKT-Gen konnten in verschiedensten Krebsarten identifiziert werden. Eine Reihe früherer Studien mit gentechnisch veränderten Mausmodellen, die darauf abzielten, die exakte Funktion des PI3K/AKT-Signalweges in CRC zu analysieren, ergaben eher widersprüchliche Aussagen. Trotz der inkonsistenten Ergebnisse legten diese Studien die Idee nahe, dass der PI3K/AKT-Weg in Kombination mit anderen genetischen Ereignissen wie dem Verlust von APC oder der Expression von onkogenem KRAS wesentlich zur Tumorprogression beitragen könnte. Da der PI3K/AKT-Signalweg bei Krebserkrankungen häufig aktiviert ist und genetische Veränderungen bei allen Krebsarten auftreten, stellt dieser Signalweg ein ideales Ziel für therapeutische Interventionen dar. Trotz umfangreicher Bemühungen, die zur Entwicklung zahlreicher PI3K-, AKT- und mTOR-Inhibitoren führten, erschwert die Diversität der genetischen Alterationen die Identifizierung geeigneter therapeutischer Ziele, zumal bisher keine zuverlässigen Biomarker bekannt sind, die einen PI3K/AKT-abhängigen Krebs eindeutig identifizieren. Daher könnte die Erforschung gemeinsamer tumorigener Signalkaskaden, die den genetischen Veränderungen nachfolgen, neue Biomarker und therapierbare Ziele aufdecken. Das Ziel dieser Arbeit war es, die genaue Rolle des PI3K/AKTSignalweges im Verlauf der kolorektalen Karzinogenese aufzuklären und neuartige protumorigene molekulare Mechanismen downstream der PI3K/AKT-Aktivierung zu entschlüsseln, die für therapeutische Interventionen genutzt werden können. ...

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Metadaten
Author:Júlia Varga
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-475631
Referee:Anna Starzinski-PowitzORCiDGND, Florian GretenORCiDGND
Advisor:Anna Starzinski-Powitz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Year of first Publication:2017
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2018/08/24
Release Date:2018/11/08
Page Number:135
Note:
Diese Dissertation steht außerhalb der Universitätsbibliothek leider (aus urheberrechtlichen Gründen) nicht im Volltext zur Verfügung, die CD-ROM kann (auch über Fernleihe) bei der UB Frankfurt am Main ausgeliehen werden.
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