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DNA mismatch repair (MMR) deficiency plays an essential role in the development of colorectal cancer (CRC). We recently demonstrated in vitro that the serine/threonine casein kinase 2 alpha (CK2α) causes phosphorylation of the MMR protein MLH1 at position serine 477, which significantly inhibits the MMR. In the present study, CK2α-dependent MLH1 phosphorylation was analyzed in vivo. Using a cohort of 165 patients, we identified 88 CRCs showing significantly increased nuclear/cytoplasmic CK2α expression, 28 tumors with high nuclear CK2α expression and 49 cases showing a general low CK2α expression. Patients with high nuclear/cytoplasmic CK2α expression demonstrated significantly reduced 5-year survival outcome. By immunoprecipitation and Western blot analysis, we showed that high nuclear/cytoplasmic CK2α expression significantly correlates with increased MLH1 phosphorylation and enriched somatic tumor mutation rates. The CK2α mRNA levels tended to be enhanced in high nuclear/cytoplasmic and high nuclear CK2α-expressing tumors. Furthermore, we identified various SNPs in the promotor region of CK2α, which might cause differential CK2α expression. In summary, we demonstrated that high nuclear/cytoplasmic CK2α expression in CRCs correlates with enhanced MLH1 phosphorylation in vivo and seems to be causative for increased mutation rates, presumably induced by reduced MMR. These observations could provide important new therapeutic targets.
Introduction: Defects in the DNA mismatch repair (MMR) protein MLH1 are frequently observed in sporadic and hereditary colorectal cancers (CRC). Affected tumors generate much less metastatic potential than the MLH1 proficient forms. Although MLH1 has been shown to be not only involved in postreplicative MMR but also in several MMR independent processes like cytoskeletal organization, the connection between MLH1 and metastasis remains unclear. We recently identified non-erythroid spectrin αII (SPTAN1), a scaffolding protein involved in cell adhesion and motility, to interact with MLH1. In the current study, the interaction of MLH1 and SPTAN1 and its potential consequences for CRC metastasis was evaluated.
Methods: Nine cancer cell lines as well as fresh and paraffin embedded colon cancer tissue from 12 patients were used in gene expression studies of SPTAN1 and MLH1. Co-expression of SPTAN1 and MLH1 was analyzed by siRNA knock down of MLH1 in HeLa, HEK293, MLH1 positive HCT116, SW480 and LoVo cells. Effects on cellular motility were determined in MLH1 deficient HCT116 and MLH1 deficient HEK293T compared to their MLH1 proficient sister cells, respectively.
Results: MLH1 deficiency is clearly associated with SPTAN1 reduction. Moreover, siRNA knock down of MLH1 decreased the mRNA level of SPTAN1 in HeLa, HEK293 as well as in MLH1 positive HCT116 cells, which indicates a co-expression of SPTAN1 by MLH1. In addition, cellular motility of MLH1 deficient HCT116 and MLH1 deficient HEK293T cells was impaired compared to the MLH1 proficient sister clones. Consequently, overexpression of SPTAN1 increased migration of MLH1 deficient cells while knock down of SPTAN1 decreased cellular mobility of MLH1 proficient cells, indicating SPTAN1-dependent migration ability.
Conclusions: These data suggest that SPTAN1 levels decreased in concordance with MLH1 reduction and impaired cellular mobility in MLH1 deficient colon cancer cells. Therefore, aggressiveness of MLH1-positive CRC might be related to SPTAN1.
Mit einer Prävalenz von rund 5% bildet das Hereditäre Nonpolypöse Kolorektalkarzinom (HNPCC), auch Lynch Syndrom genannt, die häufigste genetische Disposition unter allen Kolorektalkarzinomen in Deutschland. Das Lynch Syndrom wird autosomal-dominant vererbt und tritt im Schnitt bereits ab dem 44. Lebensalter auf, während die Mehrheit der Kolorektalkarzinome erst mit 63 Jahren diagnostiziert wird. Ein wichtiges Merkmal sind sogenannte HNPCC-assoziierte Malignome, welche sich außerhalb des Dickdarms befinden. Die Diagnose gestaltet sich allerdings relativ schwierig, da bei Lynch Syndrom-Patienten kein eindeutiger klinisch auffälliger Phänotyp vorliegt und die Diagnosestellung nur in Zusammenhang mit einer Familienanamnese des Patienten möglich ist.
Mittlerweile ist bekannt, dass für das charakteristische Auftreten von hochgradigen Mikrosatelliteninstabilitäten im Tumorgewebe ein defektes DNA-Mismatch-Reparatursystem verantwortlich ist. Diese Defekte treten vor allem in den Genen MLH1, MSH2, MSH6 oder PMS2 auf und können über die Keimbahn vererbt werden.
Das Fusionsprotein MLH1•ITGA9 wurde im Jahr 2009 publiziert, nachdem es bei einer Familie aus Französisch-Guyana gehäuft identifiziert wurde. Mehrere Familienmitglieder waren an unterschiedlichen Krebsarten erkrankt, und die Tatsache, dass neben Dickdarmtumoren auch synchrones und metachrones extrakolonisches Tumorwachstum auftrat, ließen den Schluss einer positiven Familienanamnese für das Lynch Syndrom zu. Auffällig war jedoch, dass das Spektrum dieser extrakolonischen Tumoren nicht im Einklang mit den typischen HNPCC-assoziierten Malignomen stand. Daher lag die Vermutung nahe, dass das Fusionsprotein MLH1•ITGA9 für diesen Phänotyp verantwortlich ist.
Das dem zugrundeliegende Fusionsgen MLH1•ITGA9 ist das Resultat einer interstitiellen Deletion auf Chromosom 3p21.3. Es kodiert für den N-Terminus des Mismatch-Reparaturgens MLH1 sowie den C-Terminus des rund 400 kb downstream gelegenen Integrin α9. Aufgrund der fehlenden nukleären Lokalisationssequenz und weiterer wichtiger im C-Terminus gelegenen Domänen des MLH1-Proteins ist davon auszugehen, dass es außer Stande ist, Basenfehlpaarungen zu reparieren; ebenso sollte das Fusionsprotein theoretisch keine Funktionen des Wildtyp Integrin α9 mehr ausüben können.
Diese Annahmen konnten durch diverse Versuche wie Zelladhäsions- und Zellmigrationsassays bestätigt werden; das Fusionsprotein hatte dabei keinerlei Einfluß auf das Adhäsions- oder Migrationsverhalten unterschiedlicher Zelllinien.
Bezüglich der Lokalisation von MLH1•ITGA9 wurde über Fluoreszenzmikroskopie aufgrund der fehlenden nuklären Lokalisationssequenz im MLH1-Proteinteil der Nachweis erbracht, dass sowohl das Fusionsprotein als auch seine Variante MLH1∆ (bestehend aus dem MLH1-Teil) lediglich im Zytoplasma, und nicht wie der Wildtyp auch im Zellkern, zu finden ist.
Desweiteren zeigten Co-Immunopräzipitationsexperimente eine Interaktion zwischen dem Fusionsprotein und MLH1∆ mit dem Tumorsuppressor BRCA1. Die Folgen dieser Interaktion wurden auf translationeller und Proteinebene mit dem Ergebnis untersucht, dass Zellen, welche das Fusionsprotein oder seine trunkierte Variante MLH1∆ exprimieren, nach Etoposidstimulierung teilweise in gravierendem Ausmaß einen negativen Einfluss auf die p53-abhängige DNA-Reparaturmaschinerie aufweisen. Dies zeigte sich besonders deutlich auf transkriptioneller Ebene in einer bis zu 96%igen Herunterregulierung wichtiger Zellzyklus- sowie proapoptotischer Gene. Die durchflusszytometrische Analyse dieser Zellen zeigte außerdem eine höhere Apoptoseresistenz nach Etoposidstimulierung im Vergleich zu Wildtyp-MLH1 exprimierenden Zellen.