Institut für Experimentelle Biomedizin
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LIM and SH3 protein 1 was originally identified as a structural cytoskeletal protein with scaffolding function. However, recent data suggest additional roles in cell signaling and gene expression, especially in tumor cells. These novel functions are primarily regulated by the site-specific phosphorylation of LASP1. This review will focus on specific phosphorylation-dependent interaction between LASP1 and cellular proteins that orchestrate primary tumor progression and metastasis. More specifically, we will describe the role of LASP1 in chemokine receptor, and PI3K/AKT signaling. We outline the nuclear role for LASP1 in terms of epigenetics and transcriptional regulation and modulation of oncogenic mRNA translation. Finally, newly identified roles for the cytoskeletal function of LASP1 next to its known canonical F-actin binding properties are included.
The CXCL12-CXCR4 axis plays a vital role in many steps of breast cancer metastasis, but the molecular mechanisms have not been fully elucidated. We previously reported that activation of CXCR4 by CXCL12 promotes the nuclear localization of LASP1 (LIM and SH3 protein 1). The nuclear LASP1 then interacts with Snail1 in triple-negative breast cancer (TNBC) cell lines. In this study, we report that the nuclear accumulation and retention of Snail1 was dependent on an increase in nuclear LASP1 levels driven by active CXCR4. The CXCR4-LASP1 axis may directly regulate the stabilization of nuclear Snail1, by upregulating nuclear levels of pS473-Akt, pS9-GSK-3β, A20, and LSD1. Furthermore, the activation of CXCR4 induced association of LASP1 with Snail1, A20, GSK-3β, and LSD1 endogenously. Thus, nuclear LASP1 may also regulate protein-protein interactions that facilitate the stability of Snail1. Genetic ablation of LASP1 resulted in the mislocalization of nuclear Snail1, loss of the ability of TNBC cells to invade Matrigel and a dysregulated expression of both epithelial and mesenchymal markers, including an increased expression of ALDH1A1, a marker for epithelial breast cancer stem-like cells. Our findings reveal a novel role for the CXCR4-LASP1 axis in facilitating the stability of nuclear localized Snail1.
The serine/threonine protein kinase AKT1 is a downstream target of the chemokine receptor 4 (CXCR4), and both proteins play a central role in the modulation of diverse cellular processes, including proliferation and cell survival. While in chronic myeloid leukemia (CML) the CXCR4 is downregulated, thereby promoting the mobilization of progenitor cells into blood, the receptor is highly expressed in breast cancer cells, favoring the migratory capacity of these cells. Recently, the LIM and SH3 domain protein 1 (LASP1) has been described as a novel CXCR4 binding partner and as a promoter of the PI3K/AKT pathway. In this study, we uncovered a direct binding of LASP1, phosphorylated at S146, to both CXCR4 and AKT1, as shown by immunoprecipitation assays, pull-down experiments, and immunohistochemistry data. In contrast, phosphorylation of LASP1 at Y171 abrogated these interactions, suggesting that both LASP1 phospho-forms interact. Finally, findings demonstrating different phosphorylation patterns of LASP1 in breast cancer and chronic myeloid leukemia may have implications for CXCR4 function and tyrosine kinase inhibitor treatment.
Chronic myeloid leukaemia (CML) is a clonal myeloproliferative stem cell disorder characterized by the constitutively active BCR‐ABL tyrosine kinase. The LIM and SH3 domain protein 1 (LASP1) has recently been identified as a novel BCR‐ABL substrate and is associated with proliferation, migration, tumorigenesis and chemoresistance in several cancers. Furthermore, LASP1 was shown to bind to the chemokine receptor 4 (CXCR4), thought to be involved in mechanisms of relapse. In order to identify potential LASP1‐mediated pathways and related factors that may help to further eradicate minimal residual disease (MRD), the effect of LASP1 on processes involved in progression and maintenance of CML was investigated. The present data indicate that not only overexpression of CXCR4, but also knockout of LASP1 contributes to proliferation, reduced apoptosis and migration as well as increased adhesive potential of K562 CML cells. Furthermore, LASP1 depletion in K562 CML cells leads to decreased cytokine release and reduced NK cell‐mediated cytotoxicity towards CML cells. Taken together, these results indicate that in CML, reduced levels of LASP1 alone and in combination with high CXCR4 expression may contribute to TKI resistance.
The process of tumor invasion requires degradation of extracellular matrix by proteolytic enzymes. Cancer cells form protrusive invadopodia, which produce and release matrix metalloproteinases (MMPs) to degrade the basement membrane thereby enabling metastasis. We investigated the effect of LASP1, a newly identified protein in invadopodia, on expression, secretion and activation of MMPs in invasive breast tumor cell lines.
By analyzing microarray data of in-house generated control and LASP1-depleted MDA-MB-231 breast cancer cells, we observed downregulation of MMP1, -3 and -9 upon LASP1 depletion. This was confirmed by Western blot analysis. Conversely, rescue experiments restored in part MMP expression and secretion. The regulatory effect of LASP1 on MMP expression was also observed in BT-20 breast cancer cells as well as in prostate and bladder cancer cell lines.
In line with bioinformatic FunRich analysis of our data, which mapped a high regulation of transcription factors by LASP1, public microarray data analysis detected a correlation between high LASP1 expression and enhanced c-Fos levels, a protein that is part of the transcription factor AP-1 and known to regulate MMP expression. Compatibly, in luciferase reporter assays, AP-1 showed a decreased transcriptional activity after LASP1 knockdown.
Zymography assays and Western blot analysis revealed an additional promotion of MMP secretion into the extracellular matrix by LASP1, thus, most likely, altering the microenvironment during cancer progression.
The newly identified role of LASP1 in regulating matrix degradation by affecting MMP transcription and secretion elucidated the migratory potential of LASP1 overexpressing aggressive tumor cells in earlier studies.
LASP1 spielt eine Schlüsselrolle in verschiedenen physiologischen und pathologischen Prozessen, wie etwa in der Entwicklung, Zellstruktur, Zellkommunikation, Tumorgenese und Metastasierung. Die Vielseitigkeit von LASP1 ist hauptsächlich durch seine besondere Proteinstruktur bedingt, die eine Interaktion mit vielen verschiedenen Bindepartnern ermöglicht. Effekte von LASP1 werden aber wahrscheinlich nicht nur durch cytosolische Interaktion mit Bindepartnern vermittelt, sondern auch, in Folge einer Translokation in den Zellkern, durch nukleäre Interaktion, evtl. als transkriptioneller Co-Faktor.
Besonders die Rolle von LASP1 in diversen Krebserkrankungen stand in den letzten Jahren im Fokus der Forschung. Sowohl in Karzinomen, als auch in Medulloblastom und Leukämien wächst die Evidenz für eine LASP1-Überexpression, die vor allem durch fehlende microRNA Regulation und Mutationen im p53 Tumorsuppressor bedingt scheint. Die hohe LASP1-Expression konnte in vielen in vitro und in vivo Studien mit vermehrter Proliferation, Migration und/ oder Invasion von Krebszelllinien in direkten Zusammenhang gebracht werden. Dieser Effekt von LASP1 auf Tumoraggressivität ist eine mögliche Erklärung für die mit hoher LASP1-Expression korrelierte schlechtere Prognose in verschiedenen Krebserkrankungen.
Das Transitionalzellkarzinom ist die fünfhäufigste Krebserkrankung des Menschen und weist eine hohe Rezidivrate auf. Daher sind regelmäßige Nachsorgeuntersuchungen notwendig. Angesichts bisher fehlender verlässlicher Biomarker für das Transitionalzellkarzinom ist die Zystoskopie weiterhin der Goldstandard in der Nachsorge. Diese wird aber von Patienten als unangenehm empfunden, ist mit einem Infektionsrisiko verbunden, von der Erfahrung des Untersuchers abhängig und kostenintensiv. Tatsächlich ist das Transitionalzellkarzinom eine der teuersten Krebserkrankungen in der Nachsorge, weshalb die Entwicklung alternativer Diagnostikverfahren auch gesundheitsökonomische Relevanz hat.
LASP1 wurde als ein vielversprechender Biomarker des Transitionalzellkarzinom-Rezidivs identifiziert, der durch einfache Proteinmengenbestimmung mittels Western Blot im Urinpellet evaluiert werden kann. Zum damaligen Zeitpunkt gab es außerdem bereits erste Hinweise auf eine funktionelle Relevanz von LASP1 im Blasenkarzinom in vitro.
Angesichts dieser Erkenntnisse wurden als Ziele dieser Arbeit formuliert, 1) die Generierung von stabil transfizierten, induzierbar LASP1 spezifische shRNA exprimierenden Transitionalzellkarzinomzelllinien, 2) die funktionelle Charakterisierung eines LASP1-Knockdowns in selbigen in vitro, und 3) der Vergleich von Eigenschaften von LASP1 im Transitionalzellkarzinom mit denen in anderen Karzinomen.
Für die zwei Transitionalzellkarzinomzelllinien T24 und RT4 konnte eine 4-5-Fache LASP1-Überexpression, verglichen mit normalem Urothel, gezeigt werden. Beide Zelllinien wurden erfolgreich mit einem induzierbar shRNA gegen LASP1 exprimierenden Konstrukt transduziert, sodass ein 50 % LASP1-Knockdown durch Doxycyclin induziert werden kann. Bei der Evaluierung des Effektes des LASP1-Knockdowns auf die Adhäsion, Proliferation und Migration dieser Zelllinien in vitro konnte eine signifikante Reduktion der Migration in beiden Zelllinien nachgewiesen werden. Passend dazu ergab eine GSEA von TCGA Daten zum Blasenkarzinom eine Korrelation von LASP1-Expression mit diversen Gen-Sets, die mit dem Phänotyp Metastasierung annotiert sind. Des Weiteren konnte für T24 und RT4 eine nukleäre LASP1-Lokalisation nachgewiesen werden, die abhängig von der Serin-146 Phosphorylierung war. Bioinformatische Analysen ergaben eine hochsignifikante, negative Korrelation von LASP1-Expression und miR-203 im Blasenkarzinom.
Eine Korrelation von LASP1-Expression mit Prognose konnte mittels TCGA Daten für das Blasenkarzinom nicht festgestellt werden. Jedoch lagen lediglich Expressionsdaten auf mRNA Level vor, die meisten LASP1 mit Prognose assoziierenden Studien basieren hingegen auf Immunhistochemie, also der Expression auf Proteinlevel, welche in Blasenkrebszelllinien von der Expression auf mRNA Level abweichen kann.
Die generierten Zelllinien wiesen nach lentiviraler Transduktion, Selektion und Sorten im Vergleich zum Wildtyp teilweise veränderte Zelleigenschaften auf, und ein Verlust des Fluoreszenzsignals des der shRNA vorangestellten tRFP wurde beobachtet. Daher müssen die Zellen bei weiterer Verwendung regelmäßig mit Puromycin nachselektioniert werden und die Validität dieser Zellen als Modell für das Transitionalzellkarzinom, besonders im Xenograft Mausmodell, ist kritisch zu hinterfragen.
Entsprechend sind die Ergebnisse dieser Arbeit im Einklang mit bisherigen Studien zu LASP1. Damit unterstreicht diese Arbeit einmal mehr die Relevanz von LASP1 in diversen Krebserkrankungen. Weitere Studien zum Wert von LASP1 als prognostischer oder gar diagnostischer Marker erscheinen daher vielversprechend.