Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
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Immune checkpoint blockade therapy is beneficial and even curative for some cancer patients. However, the majority don’t respond to immune therapy. Across different tumor types, pre-existing T cell infiltrates predict response to checkpoint-based immunotherapy. Based on in vitro pharmacological studies, mouse models and analyses of human melanoma patients, we show that the cytokine GDF-15 impairs LFA-1/β2-integrin-mediated adhesion of T cells to activated endothelial cells, which is a pre-requisite of T cell extravasation. In melanoma patients, GDF-15 serum levels strongly correlate with failure of PD-1-based immune checkpoint blockade therapy. Neutralization of GDF-15 improves both T cell trafficking and therapy efficiency in murine tumor models. Thus GDF-15, beside its known role in cancer-related anorexia and cachexia, emerges as a regulator of T cell extravasation into the tumor microenvironment, which provides an even stronger rationale for therapeutic anti-GDF-15 antibody development.
The transcription factor NRF2 is the major mediator of oxidative stress responses and is closely connected to therapy resistance in tumors harboring activating mutations in the NRF2 pathway. In melanoma, such mutations are rare, and it is unclear to what extent melanomas rely on NRF2. Here we show that NRF2 suppresses the activity of the melanocyte lineage marker MITF in melanoma, thereby reducing the expression of pigmentation markers. Intriguingly, we furthermore identified NRF2 as key regulator of immune-modulating genes, linking oxidative stress with the induction of cyclooxygenase 2 (COX2) in an ATF4-dependent manner. COX2 is critical for the secretion of prostaglandin E2 and was strongly induced by H\(_2\)O\(_2\) or TNFα only in presence of NRF2. Induction of MITF and depletion of COX2 and PGE2 were also observed in NRF2-deleted melanoma cells in vivo. Furthermore, genes corresponding to the innate immune response such as RSAD2 and IFIH1 were strongly elevated in absence of NRF2 and coincided with immune evasion parameters in human melanoma datasets. Even in vitro, NRF2 activation or prostaglandin E2 supplementation blunted the induction of the innate immune response in melanoma cells. Transcriptome analyses from lung adenocarcinomas indicate that the observed link between NRF2 and the innate immune response is not restricted to melanoma.
Downregulation of miR-221-3p expression in prostate cancer (PCa) predicted overall and cancer-specific survival of high-risk PCa patients. Apart from PCa, miR-221-3p expression levels predicted a response to tyrosine kinase inhibitors (TKI) in clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) patients. Since this role of miR-221-3p was explained with a specific targeting of VEGFR2, we examined whether miR-221-3p regulated VEGFR2 in PCa. First, we confirmed VEGFR2/KDR as a target gene of miR-221-3p in PCa cells by applying Luciferase reporter assays and Western blotting experiments. Although VEGFR2 was mainly downregulated in the PCa cohort of the TCGA (The Cancer Genome Atlas) database, VEGFR2 was upregulated in our high-risk PCa cohort (n = 142) and predicted clinical progression. In vitro miR-221-3p acted as an escape mechanism from TKI in PC3 cells, as displayed by proliferation and apoptosis assays. Moreover, we confirmed that Sunitinib induced an interferon-related gene signature in PC3 cells by analyzing external microarray data and by demonstrating a significant upregulation of miR-221-3p/miR-222-3p after Sunitinib exposure. Our findings bear a clinical perspective for high-risk PCa patients with low miR-221-3p levels since this could predict a favorable TKI response. Apart from this therapeutic niche, we identified a partially oncogenic function of miR-221-3p as an escape mechanism from VEGFR2 inhibition.
miR-221 is regarded as an oncogene in many malignancies, and miR-221-mediated resistance towards TRAIL was one of the first oncogenic roles shown for this small noncoding RNA. In contrast, miR-221 is downregulated in prostate cancer (PCa), thereby implying a tumour suppressive function. By using proliferation and apoptosis assays, we show a novel feature of miR-221 in PCa cells: instead of inducing TRAIL resistance, miR-221 sensitized cells towards TRAIL-induced proliferation inhibition and apoptosis induction. Partially responsible for this effect was the interferon-mediated gene signature, which among other things contained an endogenous overexpression of the TRAIL encoding gene TNFSF10. This TRAIL-friendly environment was provoked by downregulation of the established miR-221 target gene SOCS3. Moreover, we introduced PIK3R1 as a target gene of miR-221 in PCa cells. Proliferation assays showed that siRNA-mediated downregulation of SOCS3 and PIK3R1 mimicked the effect of miR-221 on TRAIL sensitivity. Finally, Western blotting experiments confirmed lower amounts of phospho-Akt after siRNA-mediated downregulation of PIK3R1 in PC3 cells. Our results further support the tumour suppressing role of miR-221 in PCa, since it sensitises PCa cells towards TRAIL by regulating the expression of the oncogenes SOCS3 and PIK3R1. Given the TRAIL-inhibiting effect of miR-221 in various cancer entities, our results suggest that the influence of miR-221 on TRAIL-mediated apoptosis is highly context- and entity-dependent.
Background
Immune checkpoint inhibition and in particular anti-PD-1 immunotherapy have revolutionized the treatment of advanced melanoma. In this regard, higher tumoral PD-L1 protein (gene name: CD274) expression is associated with better clinical response and increased survival to anti-PD-1 therapy. Moreover, there is increasing evidence that tumor suppressor proteins are involved in immune regulation and are capable of modulating the expression of immune checkpoint proteins. Here, we determined the role of p53 protein (gene name: TP53) in the regulation of PD-L1 expression in melanoma.
Methods
We analyzed publicly available mRNA and protein expression data from the cancer genome/proteome atlas and performed immunohistochemistry on tumors with known TP53 status. Constitutive and IFN-ɣ-induced PD-L1 expression upon p53 knockdown in wildtype, TP53-mutated or JAK2-overexpressing melanoma cells or in cells, in which p53 was rendered transcriptionally inactive by CRISPR/Cas9, was determined by immunoblot or flow cytometry. Similarly, PD-L1 expression was investigated after overexpression of a transcriptionally-impaired p53 (L22Q, W23S) in TP53-wt or a TP53-knockout melanoma cell line. Immunoblot was applied to analyze the IFN-ɣ signaling pathway.
Results
For TP53-mutated tumors, an increased CD274 mRNA expression and a higher frequency of PD-L1 positivity was observed. Interestingly, positive correlations of IFNG mRNA and PD-L1 protein in both TP53-wt and -mutated samples and of p53 and PD-L1 protein suggest a non-transcriptional mode of action of p53. Indeed, cell line experiments revealed a diminished IFN-ɣ-induced PD-L1 expression upon p53 knockdown in both wildtype and TP53-mutated melanoma cells, which was not the case when p53 wildtype protein was rendered transcriptionally inactive or by ectopic expression of p53\(^{L22Q,W23S}\), a transcriptionally-impaired variant, in TP53-wt cells. Accordingly, expression of p53\(^{L22Q,W23S}\) in a TP53-knockout melanoma cell line boosted IFN-ɣ-induced PD-L1 expression. The impaired PD-L1-inducibility after p53 knockdown was associated with a reduced JAK2 expression in the cells and was almost abrogated by JAK2 overexpression.
Conclusions
While having only a small impact on basal PD-L1 expression, both wildtype and mutated p53 play an important positive role for IFN-ɣ-induced PD-L1 expression in melanoma cells by supporting JAK2 expression. Future studies should address, whether p53 expression levels might influence response to anti-PD-1 immunotherapy.
Approximately half of all melanoma patients harbour activating mutations in the serine/threonine kinase BRAF. This is the basis for one of the main treatment strategies for this tumor type, the targeted therapy with BRAF and MEK inhibitors. While the initial responsiveness to these drugs is high, resistance develops after several months, frequently at sites of the previously responding tumor. This indicates that tumor response is incomplete and that a certain tumor fraction survives even in drug-sensitive patients, e.g., in a therapy-induced senescence-like state. Here, we show in several melanoma cell lines that BRAF inhibition induces a secretome with stimulating effect on fibroblasts and naive melanoma cells. Several senescence-associated factors were found to be transcribed and secreted in response to BRAF or MEK inhibition, among them members of the fibroblast growth factor family. We identified the growth factor FGF1 as mediator of resilience towards BRAF inhibition, which limits the pro-apoptotic effects of the drug and activates fibroblasts to secrete HGF. FGF1 regulation was mediated by the PI3K pathway and by FRA1, a direct target gene of the MAPK pathway. When FGFR inhibitors were applied in parallel to BRAF inhibitors, resilience was broken, thus providing a rationale for combined therapeutical application.
Für Patienten mit malignem Melanom im Stadium der Fernmetastasierung gibt es bis heute lediglich Therapieoptionen mit sehr eingeschränkten Erfolgsaussichten. Diese Tatsache bestätigt die Notwendigkeit von Biomarkern zur Vorhersage des Erfolgs verschiedener Therapien. Der ATP-basierende ex vivo Chemosensitivitätsassay hat sich als erfolgreiche Methode zur individuellen Vorhersage eines Chemotherapieerfolgs herausgestellt. Tatsächlich zeigte der Assay ein heterogenes Sensitivitätsprofil gegen verschiedene Chemotherapeutika und ließ in getesteten Patienten ein ex vivo wirksames Chemotherapieregime identifizieren, das anschließend auch klinische Therapieerfolge bei Verwendung der Therapie mit dem besten individuellen Chemosensitivitätsindex(BICSI) zeigte. Um diesen sehr aufwendigen Assay zukünftig zu umgehen, sollten in der vorliegenden Arbeit prädiktive molekulare Biomarker der Chemosensitivität identifiziert werden. Hierfür wurden im Voraus durch einen Microarray die Kandidaten Secernin 1 (SCRN1), Lysyl oxidaselike 1 (LOXL1), Thymosin beta 4 X-linked (TMSB4X), Vesicle-associated membrane protein 5 (VAMP5) und Serine protease inhibitor B1 (SERPINB1) als differentiell exprimierte Gene in chemosensitivem gegenüber chemoresistentem Gewebe identifiziert. Die relative Expression dieser Kandidatengene wurde daraufhin in bis zu 128 verschiedenen Melanomgeweben mit dem Chemosensitivitätsindex verschiedener Chemotherapeutika korreliert. Hierbei konnte eine signifikante Korrelation zwischen SerpinB1 mit der Chemosensitivität gegenüber der Therapiekombination mit Paclitaxel und Cisplatin auf Gen- aber nicht auf Proteinebene identifiziert werden. Weiterhin konnte eine differentielle Expression ebenfalls in chemosensitiven und -resistenten Melanomzelllinien nachgewiesen werden, die allerdings im Vergleich mit dem analysierten Gewebe in gegensätzlicher Richtung verlief. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass SerpinB1 ein vielversprechender Marker für die Chemosensitivität gegenüber Paclitaxel und Cisplatin ist, dessen funktionelle Bedeutung aber unklar bleibt. Das Merkelzellkarzinom (MCC) ist ein seltener und hoch aggressiver Tumor der mit dem Merkelzellpolyomavirus (MCV) in Zusammenhang steht. Da MCC Zelllinien zur Aufrechterhaltung ihrer Viabilität die MCV T-Antigene benötigen, könnte der Einsatz von Interferonen (IFN) ein möglicher therapeutischer Ansatz zur Behandlung dieser Krebserkrankung sein. In der vorliegenden Arbeit haben wir daher die Effekte von IFNs auf MCC Zelllinien, mit besonderer Berücksichtigung der MCV+ Linien, untersucht. IFNs vom Typ I (hier Multiferon, ein Mix verschiedener IFN α Subtypen, und IFN β) wirkten stark inhibierend auf die zelluläre Viabilität. Die Zellzyklusanalyse zeigte eine Erhöhung des sub-G Anteils der Zellen nach Behandlung mit IFN, was auf Apoptose als ausschlagebenden Grund schließen ließ. Diese Effekte waren für die Behandlung mit IFN β weniger stark ausgeprägt. Der inhibitorische Effekt von Typ I IFNs auf MCV+ MCC Zelllinien war assoziiert mit einer verringerten Expression des viralen großen T-Antigens (LTA) und einer Erhöhung in der Expression von promyelocytic leukemia protein (PML), das dafür bekannt ist, die Funktion des LTA störend zu beeinflussen. Zusätzlich führte die intratumorale Anwendung von Multiferon in vivo zu einer Regression im Wachstum von MCV+, aber nicht MCV- MCC Xenotransplantaten. Die Ergebnisse zeigen das Typ I IFNs einen starken antitumoralen Effekt haben, der zum Teil durch die Regulierung des LTA herbeigeführt wird. Neben diesen direkten Effekten der IFNs auf die Zellproliferation induzieren diese auch die Expression von MHC Klasse I Molekülen in MCC Zelllinien. Die Durchflusszytometrie zeigte eine Induktion der MHC Klasse I Expression in drei MHC I negativen MCC Zelllinien und eine Erhöhung der Expression, die vor der Behandlung eine geringe Menge an MHC I aufwiesen. Diese Effekte konnten auch in den in vivo Xenotransplantaten beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Behandlung mit IFN sowohl direkte als auch indirekte Effekte auf das MCC hat und eine breite Anwendung in Patienten mit MCV+ und MCV- Tumoren finden kann. Neben IFNs sind auch Artemisinin und seine Derivate bekannt für ihre antitumoralen und antiviralen Eigenschaften. Daher haben wir den Effekt des Artemisininderivats Artesunate auf MCV+ und MCV- MCC Zelllinien getestet. Tatsächlich konnten wir auch hier einen antiproliferativen Effekt des Stoffes nachweisen, der stärker auf MCV+ als auf MCV- Zelllinien wirkte und bei ersteren wiederum mit einer reduzierten LTA Expression einherging. Im Vergleich dazu blieben Fibroblasten von der Behandlung unbeeinflusst. Das verringerte Tumorwachstum konnte ebenfalls für in vivo Xenotransplantationsmodelle gezeigt werden. Auf Grundlage dieser Erkenntnis sollte eine genauere Untersuchung dieses alten Naturheilstoffes für die Behandlung von MCC Patienten in Betracht gezogen werden.