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Investigating the inhibition of anti-apoptotic BCL-2 family proteins in pediatric cancer cells
(2020)
Cancer is amongst the leading causes of death in childhood. Rhabdomyosarcoma (RMS) is the most frequently occurring soft tissue sarcoma in children and adolescents. It presumably arises from mesenchymal progenitors of skeletal muscle cells and presents with different subtypes that differ both histologically and genetically. Osteosarcoma (OS) and Ewing sarcoma (ES) are the most frequently diagnosed pediatric bone tumors. Even though the prognosis of these cancer entities improved significantly during recent decades, the survival rates are currently stagnating. Especially, dismal prognosis of relapsed and metastasizing cases of these malignancies urgently call for novel treatment options. BCL-2 proteins are vital guardians that control intrinsic apoptosis. Furthermore, it was shown that BCL-2 proteins critically regulate apoptosis in pediatric solid tumors. BH3 mimetics are small molecules that bind and inhibit anti-apoptotic BCL-2 proteins. They have already been investigated as cancer therapeutics for several years and show first encouraging clinical results. Therefore, we hypothesized that targeting BCL-2, MCL-1 and BCL-XL might be a promising approach to treat RMS, OS and ES.
In this study, we aimed to comprehensively evaluate the potential of anti-apoptotic BCL-2 family proteins as therapeutic targets for pediatric solid tumors such as RMS, OS and ES.
Notably, RMS, OS and ES cells largely expressed the most relevant BCL-2 family protein members. However, cells were widely insensitive to single pharmacological inhibition of either BCL-XL, BCL-2 or MCL-1 by A-1331852, ABT-199 and S63845, respectively. This finding was independent of their BCL-2 family protein expression levels. Significantly, co-administration of A-1331852 and S63845 induced cell death in RMS, OS and ES cell lines in a highly synergistic manner. Transient silencing of MCL-1 and/or BCL-XL verified the co-dependency of RMS cells on these proteins for survival. Importantly, A-1331852/S63845 co-treatment was more efficient in causing cell death in RMS, OS and ES cells than either inhibitor combined with ABT-199. Efficacy of A-1331852/S63845 co-treatment could be additionally demonstrated in a primary sample of pediatric malignant epithelioid mesothelioma.
Mechanistically, concomitant A-1331852/S63845 treatment mediated rapid intrinsic apoptosis involving swift loss of the mitochondrial outer membrane potential as well as activation of caspases-3, -8 and -9. An observed caspase dependent loss of MCL-1 might further amplify the A-1331852/S63845 triggered pro-death signaling. Furthermore, we identified BAX and BAK as key mediators of apoptosis caused by dual inhibition of MCL-1 and BCL-XL. A-1331852/S63845 induced cell death was relying on BAX and/or BAK in a cell line dependent manner. Interestingly, treatment with A-1331852 and S63845 liberated BAK from its interaction with MCL-1 and BCL-XL. Moreover, BAX and BAK were activated and interacted with each other to form a pore in the outer mitochondrial membrane. Further, in RD cells BIM and NOXA partially contributed to A-1331852/S63845 mediated cell death. Consistently, in this cell line BIM and NOXA were disrupted from their binding to BCL-XL and MCL-1 by A-1331852 and S63845, respectively. However, BH3 only proteins were not involved in A-1331852/S63845 induced cell death in Kym-1 cells. Therefore, we concluded that BH3 only proteins played only a marginal and cell line dependent role in mediating cell death caused by MCL-1 and BCL-XL co-repression.
Notably, A-1331852/S63845 co-treatment spared non-malignant fibroblasts, myoblasts and peripheral blood mononuclear cells, which suggests a therapeutic window for its application in vivo. Besides, we could demonstrate that sequential BH3 mimetic treatment still significantly induced cell death, albeit to minor extents compared to its dual administration. Importantly, we successfully evaluated concomitant treatment with A-1331852 and S63845 in multicellular RMS spheroids and in an in vivo embryonic chicken model of RMS. These findings stress the high transcriptional relevance of A-1331852/S63845 as an emerging novel cancer regimen.
Collectively, the thesis at hand explored the great potential of co-treatment with A-1331852 and S63845 in pediatric solid tumors and unveiled the underlying molecular mechanisms of cell death in RMS. Together, the current investigations support further preclinical and clinical studies to evaluate the effect of dual MCL-1 and BCL-XL targeting in pediatric solid tumors.
BH3 mimetics are novel anticancer therapeutics that induce apoptosis by targeting anti‐apoptotic BCL‐2 proteins. Highly specific inhibitors of the main anti-apoptotic proteins BCL-2, BCL‐XL and MCL‐1 promise new opportunities for the treatment of AML. However, it is currently unclear which of these anti-apoptotic BCL-2 proteins represents the most promising target in AML. Therefore, we investigated the effect of BH3 mimetics targeting either BCL-2 (ABT-199, S55746), BCL-XL (A-1331852) or MCL-1 (S63845) on eleven AML cell lines. Drug sensitivity screening revealed heterogeneous sensitivity towards the different BH3 mimetics, with the best responses observed upon targeting of MCL-1. Selected cell lines that displayed sensitivity towards the specific BH3 mimetics underwent intrinsic apoptosis, which was characterized by loss of mitochondrial membrane potential, exposure of phosphatidylserine and activation of caspases. Furthermore, S63845 turned out to displace BIMS and NOXA from MCL-1 to induce apoptotic cell death. Importantly, the translational relevance of this study was demonstrated by experiments in primary AML blasts, which displayed similar sensitivity towards BH3 mimetics as the cell lines did. Additionally, experiments with nonmalignant cells could confirm the clinical relevance of the MCL-1 inhibitor. There we could show, that S63845 does not cause cytotoxicity on HPCs at efficacious doses.
In conclusion, our findings reveal that the inhibition of BCL-2 proteins, especially MCL-1, by BH3 mimetics can be a promising strategy in AML treatment.
HCMV ist ein Pathogen mit einer weltweit sehr hohen Prävalenz und stellt nach wie vor ein großes Problem für Immunsupprimierte (Transplantations- und AIDS-Patienten) und für ungeborene Kinder dar. Seine Pathogenese ist weiterhin nur unzureichend bekannt, eine Impfprophylaxe existiert nicht und es stehen nur wenige, unzureichende Medikamente zur Therapie zur Verfügung. Auch ein verstärkender Einfluss des Virus auf die Tumormalignität ist gezeigt. Aber die der viralen Onkomodulation zugrundeliegenden Mechanismen, insbesondere die Frage, wie und wann Tumorwachstum und -invasion durch HCMV beschleunigt werden, bedürfen weiterer Aufklärung.
Die immediate early-Proteine IE1 und IE2 sind wichtige Regulatorproteine einer HCMV-Infektion – insbesondere IE1, welches einen entscheidenden Einfluss auf die Genexpression der Wirtszelle nimmt. Es wurde a-priori die Hypothese erstellt, dass über einen positiven Einfluss von IE1 auf die Enterokinaseexpression die Trypsin-vermittelte Tumorinvasion gefördert wird.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein effizientes, zuverlässiges Protokoll zur Herstellung IE1- und IE2-exprimierender Tumorzelllinien mit Hilfe von lentiviralem Gentransfer ausgearbeitet. Damit verbunden konnten zwei persistent-transduzierte humane Tumorzelllinien, U-251 MGIE1 und U-251 MGIE2, mit hohen Expressionsraten etabliert werden. Weiter konnte im zweiten Teil der Arbeit, sowohl im Akutmodell als auch an persistent-transduzierten Zellen, gezeigt werden, dass die Enterokinaseexpression nicht im Zusammenhang mit der IE1-Expression steht.
Durch die Erarbeitung des Transduktions-Protokolls und die Etablierung der persistent-transduzierten humanen Tumorzelllinien ist es nun möglich, die isolierten Auswirkungen von IE1 und IE2 auf humane Tumorzellen zu untersuchen. Die Widerlegung der Hypothese über die Beeinflussung der Enterokinaseexpression durch IE1 liefert eine Erkenntnis, um die Mechanismen der erhöhten Tumorinvasion besser verstehen zu können. Insgesamt konnte durch diese Arbeit ein Beitrag geliefert werden, die durch HCMV verursachten onkomodulatorischen Effekte noch besser nachvollziehen zu können. Dies wiederum kann künftig dazu dienen therapeutische Strategien, welche der Invasion und Metastasierung entgegen wirken, zu verbessern bzw. zu entwickeln.
Das Neuroblastom ist der häufigste extrakranielle solide Tumor des Kindesalters. Bei Diagnosestellung befinden sich die meisten Patienten bereits in fortgeschrittenen Tumorstadien; trotz intensiver multimodaler Therapie überleben nur 30-40% der Hochrisikopatienten die Erkrankung. Zum Therapieversagen führt in den meisten Fällen eine Resistenzentwicklung des Tumors gegenüber den Chemotherapeutika. Die Entdeckung neuer effektiver Therapieansätze und Überwindung der Chemoresistenz durch Resensibilisierung der Tumorzellen ist daher ein dringendes Forschungsanliegen.
Zur Charakterisierung der Zelllinien im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Zellmorphologie, die Gen- und Proteinexpression verschiedener Differenzierungs- bzw. Krebsstammzell-Marker und das Anoikis-Verhalten der Neuroblastomzellen UKF-NB-2, UKF-NB-3 und UKF-NB-6 sowie ihrer Cisplatin- und Carboplatin-resistenten Sublinien untersucht. Der zytomorphologischen Phänotyp der untersuchten Zellen ließ keine eindeutigen Schlüsse auf eine neuronale, indifferente oder nicht-neuronale Differenzierung der Zellen zu. Gemessen an der Expression der neuronalen Marker NCAM, TH und der Neurofilamente L, M und H zeigte jedoch die Mehrzahl der untersuchten Cisplatin- und Carboplatin-resistenten Sublinien einen signifikanten Verlust der neuronalen Differenzierung im Vergleich zu ihren parentalen Zellen. Dieser Effekt war auch durch eine temporäre Platinkarenz nicht vollständig reversibel.
Der EGF-Rezeptor, dessen Überexpression als negativer prognostischer Marker für den Therapieerfolg gilt, wurde von allen untersuchten Zelllinien exprimiert, es ließ sich jedoch keine signifikant verstärkte Expression in den resistenten Sublinien nachweisen.
Eine Krebsstammzelle ließ sich in den untersuchten Zelllinien bei schwacher bis fehlender Stammzellmarkerexpression von CD133 und c-Kit nicht eindeutig identifizieren.
Die Resistenz gegenüber Anoikis ist eine Grundvoraussetzung für die Metastasierung von Tumorzellen. Bei den in dieser Arbeit untersuchten Neuroblastomzelllinien zeigten 3 von 8 Zelllinien, UKF-NB-2, UKF-NB-2rCDDP500 und UKF-NB-6, eine Anoikis-Resistenz. UKF-NB-3 sowie ihre beiden Sublinien waren Anoikis-sensibel, sie zeigten alle einen signifikanten Viabilitätsverlust durch Kultivierung auf Poly-HEMA-Beschichtung und daraus resultierendem Adhärenzverlust. Bei UKF-NB-6 nahm durch den Erwerb der Platinresistenz die Toleranz gegenüber Anoikis ab, wie man an dem signifikanten Viabilitätsverlust der Sublinien UKF-NB-6rCDDP1000 und UKF-NB6rCarbo1000 unter nicht-adhärenten Bedingungen sieht. Die Ausbildung der Cisplatin- und insbesondere der Carboplatinresistenz geht hier mit einer signifikant verstärkten Sensitivität der Zellen gegenüber Anoikis einher. Ein synergistischer Effekt auf die Zellviabilität durch Anoikis-induzierende PolyHEMA-Beschichtung und simultane Cisplatin- oder Carboplatin-Exposition ließ sich jedoch nicht beobachten.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden die durch die Connectivity Map ermittelten potentiellen Resensitizer für Cisplatin (Pararosanilin, Tolbutamid, Fludrocortison, 12,13-EODE und Topiramat) und deren Wirkung auf die Viabilität der Neuroblastomzelllinien (IMR-5, NGP, SK-N-AS, UKF-NB-2, UKF-NB-3 und UKF-NB-6) sowie ihrer Cisplatin-resistenten Sublinien untersucht.
Hierbei zeigte die Kombinationstherapie von Cisplatin mit 12,13-EODE, Topiramat oder Fludrocortison keine signifikante Reduktion der Zellviabilität im Vergleich zur Therapie mit Cisplatin alleine. Ein z. T. signifikanter Anstieg des IC50-Werts von Cisplatin in den getesteten parentalen Zellen und resistenten Sublinien ließ eher einen desensibilisierenden Effekt dieser Stoffe gegenüber Cisplatin vermuten.
Die Kombination von Cisplatin mit Pararosanilin oder Tolbutamid hingegen hatte einen deutlich wachstumshemmenden Effekt auf alle untersuchten resistenten Sublinien. Die IC50-Werte von Cisplatin wurden hier in fast allen Zelllinien signifikant reduziert, z. T. bis um den Faktor 2,45, was einer Halbierung der Cisplatindosis entspricht. Pararosanilin und Tolbutamid erwiesen sich somit als mögliche Resensitizer für Cisplatin in Cisplatin-resistenten Neuroblastomzellen.
Diese Daten lassen erkennen, dass die Connectivity Map ein vielversprechendes Werkzeug in der gezielten Therapie von chemoresistenten Neuroblastomen sein kann. In Kombination mit bisher gängigen Therapieschemata könnten Resensitizer den Erfolg der Behandlung möglicherweise deutlich verbessern. Die mögliche Toxizität der identifizierten Resensitizer, insbesondere Pararosanilin, und damit den tatsächlichen Stellenwert dieses Therapieansatzes wird man jedoch zunächst in vivo noch weiter untersuchen müssen.
Resistance in glucocorticoid-induced apoptosis is associated with poor prognosis for long term survival in childhood acute lymphoblastic leukemia (ALL). As Smac mimetics have been shown to reactivate apoptosis by antagonizing Inhibitor of Apoptosis (IAP) proteins, we investigate the potential of the Smac mimetic BV6 to overcome glucocorticoid-resistance in ALL. This study shows that BV6 synergistically cooperates with glucocorticoids to trigger apoptosis and to suppress clonogenic growth of pediatric ALL cells. Of note, the BV6/glucocorticoid combination treatment also induces cell death in cells having defects in the apoptotic signaling cascade by inducing a switch from apoptotic to necroptotic cell death. The clinical relevance of our novel combination treatment is underscored by parallel experiments in primary pediatric ALL samples, in which glucocorticoids and BV6 act together to induce cell death in a synergistic manner. Importantly, the addition of BV6 enhances the anti-leukemic effects of glucocorticoids in an in vivo mouse model of pediatric ALL without causing substantial side effects, highlighting the potency of a BV6/glucocorticoid combination treatment. In contrast, BV6 does not increase cytotoxicity of glucocorticoids against several non-malignant cell types of the lympho-hematopoietic system. Furthermore, we have identified the novel underlying mechanism of BV6/glucocorticoid-induced apoptosis by showing that BV6 and glucocorticoids synergistically act together to promote assembly of the ripoptosome, a RIP1/FADD/caspase-8-containing cell death complex. Ripoptosome assembly is critically required for BV6/Dexamethasone-induced cell death, since genetic silencing of its members, i.e. RIP1, reduces ROS production, caspase activation and most importantly cell death induction. BV6/glucocorticoid combination treatment promotes ripoptosome assembly by inhibition of both of its negative regulators, IAP proteins and cFLIP. Thus, we identify that BV6 and glucocorticoids cooperate together to reduce cIAP1, cIAP2 and XIAP protein levels and cFLIP expression. Ripoptosome formation occurs independently of autocrine/paracrine loops of death receptor ligands, since blocking antibodies for TNFα, TRAIL or CD95L or genetic silencing of their corresponding receptors fail to rescue BV6/glucocorticoid-induced cell death. In summary, this study shows that the Smac mimetic BV6 sensitizes for glucocorticoid-induced apoptosis by promoting ripoptosome assembly with important implications for the treatment of childhood ALL.
Small molecule inhibitors sensitize neuroblastoma cells for chemotherapeutic drug-induced apoptosis
(2015)
Neuroblastoma (NB) is one of the most common solid extracranial pediatric tumors, deriving from undifferentiated cells of the peripheral nervous system. It accounts for approximately 10% of all childhood cancers. High stage tumors usually show poor prognosis despite aggressive treatment such as radiotherapy or chemotherapy. Therefore, it is of utmost importance to find novel treatment strategies in order to improve existing chemotherapy protocols. Combination treatment offers advantages, as chemotherapeutic drugs can be applied in low and subtoxic doses, reducing possible side-effects. Here, we report in a two-part study that small molecule inhibitors (SMI), namely BI 2536, a PLK1 inhibitor and BV6, a SMAC mimetic (SM), sensitize neuroblastoma cells for chemotherapeutic drug-induced cell death. By using i) BI 2536 in combination with vinca alkaloids and ii) BV6 in combination with either doxorubicin or vinca alkaloids, we show that cell death is synergistically enhanced compared to monotherapy. Furthermore, combination treatment significantly reduces survival of NB cells in long-term assays, compared to single treatment. We identify that vinca alkaloid/SMI combinations induce mitotic arrest, as shown by phosphorylation of histone H3, which results in the induction of intrinsic apoptosis and inhibition of CDK1 by RO-3306 could abolish these findings. Mechanistically, upon vinca alkaloid/SMI-induced mitotic arrest, anti-apoptotic BCL-2 proteins such as MCL-1, BCL-2 or BCL-XL are degraded or inactivated by phosphorylation, which induces the activation of the proapoptotic BCL-2 family proteins BAX and BAK. The importance of the mitochondrial apoptosis pathway in vinca alkaloid/SMI-induced cell death was further highlighted by the fact that ectopic expression of BCL-2 inhibits vinca alkaloid/SMI-induced DNA fragmentation and BAK- and caspase-activation. In contrast to the vinca alkaloid/SMI cotreatment, DOX/SMI (DOX/BV6)-induced apoptosis only partially involves the mitochondrial pathway. Instead, we clarify that RIP1 is required for DOX/BV6-induced apoptosis, as pharmacological and genetic inhibition of RIP1 rescues from apoptosis induction. Although it has been shown in previous studies that SM-treatment (e.g. BV6) can induce the NF-κB pathway and auto-/paracrine TNFα production through cIAP1/2 depletion, DOX/BV6-induced apoptosis is completely independent of NF-κB activation in our setting, despite fast cIAP1 depletion. This conclusion is based on the fact that inhibition of the NF-κB pathway by exogenously expressed dominant-negative IκBα as well as application of a TNFα blocking antibody does not reduce DOX/BV6-induced cell death. In summary, we unravel two new promising treatment strategies for neuroblastoma patients by using a combination treatment of two different small molecule inhibitors, combined with well-characterized chemotherapeutic agents. Furthermore we give detailed insights into cell death pathways induced by these combination treatments, in which mitochondria and RIP1 have a differential role in chemotherapeutic drug-induced apoptosis.
Necroptosis is a programmed cell death pathway that is implicated in a variety of human diseases. In recent years, increasing knowledge has been gained on the necroptotic signaling cascade. Nevertheless, the role of reactive oxygen species (ROS) in necroptosis is still ambiguous. In this study, we reveal that ROS critically regulate BV6/TNFα-induced necroptotic signaling in FADD-deficient Jurkat cells and in zVAD-treated MV4-11 cells. We show that several ROS scavengers such as butylated hydroxyanisole (BHA), N-acetylcysteine (NAC), α-tocopherol (αToc) and ethyl pyruvate (EP) significantly reduce ROS production and BV6/TNFα–induced cell death. Importantly, ROS are produced prior to cell death induction and promote the assembly of the Receptor-interacting protein kinase (RIP)1/RIP3 necrosome complex via a potential positive feedback loop since on the one hand radical scavengers diminish RIP1/RIP3 necrosome formation and since on the other hand RIP1 or RIP3 silencing attenuates ROS production. Furthermore, the deubiquitinase CYLD contributes to BV6/TNFα-induced ROS generation, necrosome assembly and cell death since CYLD knockdown attenuates all these events. Of note, knockdown of the downstream effector protein mixed lineage kinase domain like (MLKL) only partly reduces BV6/TNFα-triggered ROS production and cell death and does not affect necrosome formation. Contrary to expectations, the MLKL inhibitor Necrosulfonamide (NSA) not only decreases BV6/TNFα-stimulated ROS production and cell death but also attenuates RIP1/RIP3 necrosome assembly pointing to additional and MLKL-independent anti-necroptotic effects of NSA. Interestingly, silencing of the potential necroptotic excecutors mitochondrial proteins phosphoglycerate mutase family member 5 (PGAM5) or Dynamin-related protein 1 (Drp1) does not affect BV6/TNFα-induced cell death. Consistently, mitochondrial perturbations are not implicated in BV6/TNFα-induced cell death since mitochondrial membrane potential and respiration remain stable along with to BV6/TNFα-triggered necroptosis induction. Interference with the mitochondrial potential by depolarizing agents such as FCCP reduces BV6/TNFα-induced necroptosis indicating that proper mitochondrial function or a well-defined redox status is required for necroptotic cell death execution. This study demonstrates that ROS are critically involved in BV6/TNFα-induced necroptosis and thus provides novel insights into the redox regulation of necroptotic signaling.
Biologische Signalwege bilden komplexe Netzwerke aus, um die Zellantwort sensibel regulieren zu können. Systembiologische Ansätze werden eingesetzt, um biologische Systeme anhand von Computer-gestützten Modellen zu untersuchen. Ein mathematisches Modell erlaubt, neben der logischen Erfassung der Regulation des biologischen Systems, die systemweite Simulation des dynamischen Verhaltens und Analyse der Robustheit und Anfälligkeit.
Der TNFR1-vermittelte Signalweg reguliert essenzielle Zellvorgänge wie Entzündungsantworten,
Proliferation und Zelltod. TNFR1 wird von dem Zytokin TNF-α stimuliert und fördert daraufhin die Bildung verschiedener makromolekularer Komplexe, welche unterschiedliche Zellantworten einleiten, von der Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-κB, welcher die Expression von proliferationsfördernden Genen reguliert, bis zu zwei Formen des Zelltods, der Apoptose und der Nekroptose. Die Regulation der verschiedenen Zellantworten wird auch als molekularer Schalter bezeichnet. Die exakten molekularen Vorgänge, welche die Zellantwort modulieren, sind noch nicht vollständig entschlüsselt. Eine Fehlregulation des Signalwegs kann chronische Entzündungen hervorrufen oder die Entstehung von Tumoren fördern.
In dieser Thesis haben wir die neuesten Erkenntnisse der Forschung des TNFR1-Signalwegs anhand von umfangreichen Interaktionsdaten aus der Literatur erstmals in einem Petrinetz-Modell erfasst und analysiert. Das manuell kuratierte Modell umfasst die sequenziellen Prozesse der NF-κB-Aktivierung, Apoptose und Nekroptose und berücksichtigt den Einfluss posttranslationaler Modifikationen.
Weiterhin wurden Analysemethoden für Signalwegs-Modelle entwickelt, welche die spezifischen Anforderungen dieser biologischen Systeme berücksichtigen und eine biologisch motivierte Netzwerkanalyse ermöglichen. Die Manatee-Invarianten identifizieren Signalflüsse im Gleichgewichtszustand in Modellen, die Zyklen aufweisen, und werden als Linearkombination von Transitions-Invarianten gebildet. Diese Signalflüsse erfassen idealerweise einen Prozess von der Rezeptorstimulation zur Zellantwort in einem Modell eines Signalwegs. Die Bestimmung aller möglichen Signalflüsse in Modellen von Signalwegen ist eine notwendige Voraussetzung für weitere biologisch motivierte Analysen, wie die in silico-Knockout Analyse. Wir haben ebenfalls ein neues Konzept zur Untersuchung von in silico-Knockouts vorgestellt. Die Effekte der in silico-Knockouts auf einzelne Komplexe und Prozesse des Signalwegs werden in der in silico-Knockout-Matrix repräsentiert. Wir haben die Software-Anwendung isiKnock entwickelt, welche beide Konzepte kombiniert und eine systematische Knockout-Analyse von Petrinetz-Modellen unterstützt.
Das Petrinetz-Modell des TNFR1-Signalwegs wurde auf seine elementaren Eigenschaften geprüft und die etablierten Analysen wie Platz-Invarianten und Transitions-Invarianten durchgeführt. Hierbei konnten die Transitions-Invarianten nicht in allen Fällen komplette biologische Signalflüsse beschreiben. Wir haben ebenfalls die neu vorgestellten Methoden auf das Petrinetz-Modell angewandt. Anhand der Manatee-Invarianten konnten wir die zusammenhängenden Signalflüsse identifizieren und nach ihrem biologischen Ausgang klassifizieren sowie die Auswirkungen der Rückkopplungen untersuchen. Wir konnten zeigen, dass die survival-Antwort durch die Aktivierung von NF-κB am häufigsten auftritt, danach die Apoptose, gefolgt von der Nekroptose. Die alternativen Signalflüsse in Form der Manatee-Invarianten spiegeln die Robustheit des biologischen Systems wider. Wir führten eine ausgiebige in silico-Knockout-Analyse basierend auf den Manatee-Invarianten durch, um die Proteine des Signalwegs nach ihrem Einfluss einzustufen und zu gruppieren. Die Proteine des Komplex I wiesen hierbei den größten Einfluss auf, angeführt von der Rezeptorstimulation und RIP1. Wir betrachteten und diskutierten die Regulation des molekularen Schalters anhand der Knockout-Analyse von selektierten Proteinen und deren Auswirkung auf wichtige Komplexe im Modell. Wir identifizierten die Ubiquitinierung in Komplex I sowie die NF-κB-abhängige Genexpression als die wichtigen Kontrollpunkte des TNFR1-Signalwegs. In Komplex II ist die Regulation der Aktivierung der Caspase-Aktivität entscheidend.
Die umfangreiche Netzwerkanalyse basierend auf Manatee-Invarianten und systematischer in silico-Knockout-Analyse verifizierte das Petrinetz-Modell und erlaubte die Untersuchung der Robustheit und Anfälligkeit des Systems. Die neu entwickelten Methoden ermöglichen eine fundierte, biologisch relevante Untersuchung von in silico-Modellen von Signalwegen. Der systembiologische Ansatz unterstützt die Aufklärung der Regulation und Funktion des verflochtenen Netzwerks des TNFR1-Signalwegs.
Rhabdomyosarcoma is the most common paediatric soft-tissue sarcoma, and for tumour recurrence, the prognosis is still unfavourable. The current standard therapy consisting of surgery, radiation and combined chemotherapy does not consider the specific biology of this tumour.
Histone deacetylases (HDACs) and the Lysine-specific demethylase-1 (LSD1) are two epigenetic modifiers which are both part of repressor complexes leading to transcriptional silencing of target genes. Whereas HDACs lead to deacetylation of several lysine-residues within the histone tail, LSD1 is specific for demethylation of H3K4me2 and H3K4me1, as well as in a different context for H3K9me2. Rhabdomyosarcoma is reported to harbour high levels of LSD1, but the functional relevance is yet unclear. HDAC inhibition proved to be effective as single agent treatment, however, the proximity of HDAC1/2 and LSD1 in repressor complexes at the DNA implies a suitable rationale for a combination therapy potentially leading to cooperative effects on target gene transcription. In this study, we aimed to evaluate the potential of a combined LSD1 and HDAC inhibition for cell death induction in rhabdomyosarcoma cell lines. Whereas LSD1 inhibitors failed to induce cell death on their own, the combined inhibition of HDACs and LSD1 resulted in highly synergistic cell death induction. This effect extended to several combinations of LSD1 and HDAC inhibitors as well as to four different rhabdomyosarcoma cell lines, two of embryonal and two of alveolar histology.
With the use of the HDAC inhibitor JNJ-26481585 and the reversible LSD1 inhibitor GSK690, we demonstrated that the cell death induced by the combination matches with the details of intrinsic mitochondrial apoptosis. JNJ-26481585/GSK690-induced cell death is partially caspase-dependent and leads to caspase cleavage, followed by substrate cleavage as shown for PARP, as well as loss of the mitochondrial membrane potential.
Furthermore, JNJ-26481585 and GSK690 acted together to transcriptionally upregulate the proapoptotic proteins NOXA, BIM and BMF, which resulted in respective changes on protein level for both cell lines. However, the antiapoptotic BCL-2 family proteins BCL-2, MCL-1 and BCL-xL displayed only minor changes in protein levels upon treatment with GSK690 and JNJ-26481585, which did not rely on transcriptional activity. Therefore, the increase in proapoptotic proteins induces a shift towards proapoptotic signalling at the mitochondrial membrane. This shift is functionally relevant since knockdown of a proapoptotic protein or overexpression of one of the antiapoptotic proteins BCL-2 and MCL-1, as well as a stabilized mutant MCL-1, can significantly protect from GSK690/JNJ-26481585-induced cell death.
Knockdown of the mitochondrial membrane protein BAK, which is directly guarding the mitochondrial membrane integrity, potently protected from GSK690/JNJ-26481585- induced cell death, directly linking the shift in the BCL-2 family proteins to the observed loss of mitochondrial membrane potential and the further downstream activation of caspases. Furthermore, treatment with JNJ-26481585 and GSK690 resulted in a cell cycle arrest in G2/M phase, indicating additional effects on the tumour cells beside apoptosis induction. Taken together, the combined inhibition of LSD1 and HDACs is a promising strategy for rhabdomyosarcoma treatment.
Glioblastoma multiforme accounts for more than 80% of all malignant gliomas in adults and a minor fraction of new annual cases occurs in children. In the last decades, research shed light onto the molecular patterns underlying human malignancies which resulted in a better understanding of the disease and finally an improved long term survival for cancer patients. However, malignancies of the central nervous system and especially glioblastomas are still related to poor outcomes with median survivals of less than 6 months despite extensive surgery, chemotherapy and radiation. Hence, a better understanding of the molecular mechanism driving and sustaining cancerous mutations in glioblastomas is crucial for the development of targeted therapies. Apoptosis, a form of programmed cell death, is an important feature of eukaryotic cells and crucial for the maintenance of multicellular homeostasis. Because apoptosis is a highly complex and tightly regulated signaling pathway, resisting apoptotic stimuli and avoiding cell death is a hallmark of the cancerous transformation of cells. Hence, targeting molecular structures to reestablish apoptotic signaling in tumor cells is a promising approach for the treatment of malignancies. Smac mimetics are a group of small molecular protein inhibitors that structurally derive from an intracellular protein termed Smac and selectively block Inhibitor of apoptosis (IAP) proteins, which are often aberrantly expressed in cancer. Several studies confirmed the antitumoral effects of Smac mimetics in different human malignancies, including glioblastoma, and give rationales for the development of potent Smac mimetics and Smac mimetic-based combination protocols. This study investigates the antitumoral activity of the bivalent Smac mimetic BV6 in combination with Interferon α. Latter is a well characterized cytokine with an essential role in immunity, cell differentiation and apoptosis. This study further aims to address the molecular mechanisms underlying the antitumoral activity of the combination treatment by using well established molecular cell death assays, flow cytometry, western blot analysis, genetic approaches and selective pharmacological inhibition. Since different Smac mimetics and Smac mimetic-based combination therapies are currently under clinical evaluations, findings of this study may have broad implications for the application of Smac mimetics as clinical cancer therapeutics.