Cell cycle regulatory proteins and miRNAs in premalignant lesions and breast cancer

Abstract

Early diagnosis and reliable prognosis and treatment prediction of breast cancer will ultimately lead to a decreased mortality rate. This can be achieved by identification of prognostic and treatment predictive biomarkers, and by understanding the mechanisms behind early changes in the breast.

The cell cycle is a closely controlled process, involving multiple components with regulation on several levels. Loss of adequate cell proliferation control and cell cycle regulation is one of the main characteristic of cancer. In this thesis we have found that low level of the cell cycle regulatory protein p27 was associated with impaired

response to tamoxifen in premenopausal breast cancer patients, but not with prognosis. We have also observed that the expression of the microRNA (miRNA) miR-92a could provide independent prognostic information in breast cancer patients, and loss of miR-92a was associated with more severe breast cancer traits.

The earliest histologically identifiable breast lesion with an increased risk for developing breast cancer is called columnar cell hyperplasia (CCH). We have identified miRNA expression changes in CCH compared to normal mammary gland tissue in both epithelial cells and in the surrounding stroma. In addition we have linked epithelial expression of miR-27a, miR-92a andlet-7c to negative cell proliferation regulation, and stromal miR-I32 expression to alteration of genes associated with extra cellular matrix and actin-motility pathways in fibroblasts, and metabolic genes and pathways in co-cultured CCH epithelial cells.

Finally, cyclin Dl associated miR-483-5p affected cell migration in opposite directions depending on estrogen receptor status, highlighting the importance of subdivision of breast cancers in order to correctly understand the biology and subsequently for correct treatment of breast cancer subgroups.

In summary, these studies identified two potential biomarkers; one for predicting tamoxifen sensitivity, and one with prognostic value. We also revealed changes in miRNA expression in early premalignant breast lesions involved in cell proliferation, and opposing roles in cell migration for a cell cycle-related miRNA in breast cancer subgroup models.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Cancer är ett laddat ord, och för de flesta av oss är cancern inte längre bort än hos en nära släkting eller vän. Trots den gemensamma benämningen, är cancer är inte bara en sjukdom, utan ca 200 olika som alla har gemensamt att cellerna börjar dela sig okontrollerat. Cancer är väldigt vanligt och uppskattningsvis kommer var tredje person att drabbas av cancer under sin livstid. Bland män är prostatacancer vanligast och bland kvinnor är bröstcancer den vanligaste formen.

I Sverige är ungefär 30 % av alla cancerfall bland kvinnor bröstcancer, och cirka en av tio kvinnor riskerar att få diagnosen innan 75 års ålder. Antalet nya fall har ökat för vart år, och detta kan troligen kopplas till att fler blir upptäckta tack vare

mammografiundersökningar. Samtidigt har dödligheten stadigt sjunkit under de senaste åren, vilket vi förmodligen har nya och effektivare behandlingsmetoder att tacka för, samt att brösttumörerna upptäcks på ett tidigt stadium.

Förmågan för en normal cell att kunna dela sig är ytterst viktig, bl.a. vid sårläkning då nya celler måste bildas för att återställa huden. Denna delningsprocess kallas för cellcykel då cellen går igenom en cyklisk process där den återvänder till samma utgångspunkt som där den började, fast i två kopior. Cellcykeln är under sträng reglering och involverar många komponenter, både innanför och utanför cellerna. I normala fall när en delning ska ske, signalerar cellerna sinsemellan under väldigt kontrollerade former. En cancercell har däremot inte denna kontroll och kan dela sig utan att den får signaler. De cellulära proteinerna som driver cellcykeln kallas cykliner och CDK-proteiner. Dessa bildar komplex som får cellen att gå igenom cykeln och slutligen dela sig. I bröstcancerceller finns det ofta för mycket av den första cyklinen i cykeln, cyklin D1. För en kontrollerad celldelning krävs det att dessa komplex regleras och försvinner när de inte behövs längre. För det ändamålet finns proteiner som kallas

för CDK-inhibitorer, varav en heter p27. I cancerceller, som kännetecknas av att de har genetiska förändringar, sker ofta förändringarna i just proteiner och molekyler som är involverade i celldelning.

MikroRNA-gener är en relativt nyfunnen klass av gener som verkar genom att reglera uttrycket av specifika proteiner. Enkelt uttryckt kan man säga att om det är proteinerna som utför de olika arbetsuppgifterna i cellen, är det mikroRNA-generna som ser till så att det finns rätt mängd proteiner på rätt arbetsplats. Uppskattningsvis är cirka en tredjedel av alla 25 000 protein-kodande gener reglerade av olika

mikroRNA och det har visat sig att de är med i många olika processer i cellerna. Ett mikroRNA kan reglera flera proteiner och ett protein kan vara reglerat av flera mikroRNA, allt för att cellen ska vara så kontrollerad som möjligt för ett korrekt uppförande. Då mikroRNA-gener i stort sett kontrollerar alla viktiga processer i cellerna, är det inte förvånande att dessa gener är förändrade i cancerceller. Vi har

studerat mikroRNA-uttryck i förstadier till bröstcancer och funnit att redan där finns det skillnader. Vi har också undersökt ett specifikt mikroRNA i bröstcancertumörer och sett att minskade nivåer av det mikroRNAt är förknippat med sämre prognos. Vidare har vi sett att ett mikroRNA associerat med cellcykelproteinet cyklin D1 har olika roller i olika typer av bröstcancer vilket är en viktig observation för förståelse för uppförandet av olika bröstcancertyper.

Majoriteten av brösttumörer opereras bort genom att ta bort en del av bröstet eller i vissa fall hela bröstet. För att behöva ta bort så lite som möjligt kan patienter med avancerad bröstcancer få behandling innan operation, s.k. neoadjuvant behandling, som förhoppningsvis gör att tumören krymper. Denna förbehandling, t.ex. kemoterapi, kan också ge en indikation på huruvida tumörcellerna svarar på den typen av terapi och om den är effektiv för vidare behandling. Efter operation

behandlas patienten med strålning för att eliminera cancerceller som eventuellt blivit kvar. Patienten får också en efterbehandling, kallad adjuvant behandling, som kan bestå av kemoterapi eller anti-hormonell behandling. Den anti-hormonella behandlingen ges till patienter vars tumörer utrycker östrogenreceptorn. Det gör cirka 70 % av alla brösttumörer, och patienter med denna typ av tumör har oftast en bättre prognos. Östrogenreceptorn tillsammans med östrogen stimulerar cellen att dela sig. Genom att hämma antingen östrogenreceptorn eller produktionen av östrogen stoppas celldelningen. Det vanligaste preparatet för behandling av denna typ av brösttumörer heter tamoxifen och verkar genom att interagera med östrogenreceptorn, och därmed hindra östrogen från att få cellen att dela sig.

Precis som cancer är ett samlingsnamn på flera sjukdomar, är också bröstcancer uppdelad i ett flertal mindre subgrupper med olika karaktär. Dessa tumörgrupper kan skilja sig åt med avseende på hur prognosen för patienterna ser ut och huruvida en patient svarar på en viss behandling eller inte. För att kunna klassificera och hitta

dessa grupper behöver man mätbara biomarkörer, dvs. specifika komponenter i tumören som är annorlunda från normal frisk vävnad. Dessa molekylära komponenter i cellen är vanligtvis proteiner, men kan även vara RNA och DNA sekvenser. Östrogenreceptorn är ett bra exempel på en biomarkör som både kan ge information om patientens framtida sjukdomsbild, samt om tumören kommer att svara på anti-hormonell behandling, t.ex. tamoxifen. Trots detta finns det en del patienter med östrogenreceptor-positiva tumörer där tamoxifen inte har någon effect. För att kunna urskilja dem och direkt ge dem en annan effektiv behandling, är det viktigt att hitta ytterligare behandlingsprediktiva biomarkörer. I denna avhandling har vi identifierat att låga nivåer av det cellcykelreglerande proteinet p27, vars uttryck ofta är minskat i bröstcancertumörer, är associerat med sämre tamoxifensvar i östrogenreceptor-positiva tumörer, dvs. p27 är en behandlingsprediktiv biomarkör för tamoxifen. Däremot kunde vi inte se att p27 kunde förutse patientens sjukdomsförlopp.

Bröstet består av flera olika celltyper och kan grovt delas in i två avdelningar; den epiteliala och den stromala. I den epiteliala avdelningen finns det två celltyper, luminala epitelceller och basala myoepitelceller, och det är dessa två som utgör själva strukturen av det funktionella bröstet, dvs. står för produktionen av mjölk. Den

förgrenade strukturen i bröstet består av mjölkgångar. I ena änden mynnar dessa ut i bröstvårtan, och i andra änden finns en struktur som till formen är lik en klase med vindruvor. Denna vindruveklase är bröstets minsta funktionella del och kallas terminal duct lobular unit (TDLU) och består av en mjölkproducerande körtel och tillhörande mjölkgångar. Runt omkring finns den stromala avdelningen som

upprätthåller formen samt är väldigt viktig för hur cellerna i den epiteliala avdelningen beter sig. Bröstcancer börjar oftast i TDLU och i mjölkgångarna. Man tror att ett vanligt händelseförlopp för utvecklingen av bröstcancer går från förändringar i epitelcellerna i TDLU vidare till en ökad celldelning som till slut leder till att de tidigare normala epitelcellerna blir cancerceller som tar sig ut ur bröstet och sprider sig till andra organ och bildar dottertumörer, så kallade metastaser. Det är när cancern sprider sig som den utvecklas till en väldigt allvarlig sjukdom. Det är därför viktigt att hitta brösttumören innan den hinner komma till det stadiet. Det är också

viktigt att hitta tecken i förstadier till bröstcancer som tyder på att cellerna har en elakartad potential. Det kan man göra genom att titta på vilka gener som är förändrade. Den första strukturella förändringen i bröstet med ökad risk att utvecklas till bröstcancer kallas för columnarcellshyperplasi (CCH). Vi har identifierat förändringar i ett flertal mikroRNA-gener i CCH som kan ligga till grund för denna tidiga premaligna förändring i bröstet. Vi har även kopplat ihop några av dessa, bl.a. let-7c, med ökad celldelningsförmåga. Detta kan vara viktigt för att upptäcka tidiga

förändringar hos kvinnor som löper risk att utveckla bröstcancer.

Sammanfattningsvis har studierna i denna avhandling identifierat cellcykelrelaterade biomarkörer för behandlingssvar av tamoxifen och prognostisk information, upptäckt celldelningsreglerande mikroRNA-gener i den tidigaste förändringen av bröstet med koppling till bröstcancer, samt visat hur ett cellcykelassocierat mikroRNA har olika

effekter i olika subgrupper av bröstcancer, och därmed påvisat vikten av att behandla bröstcancer utefter subgruppstillhörighet.

• author: Björner, Sofie
• supervisor: Göran Landberg; Håkan Axelson
• opponent: Speirs, Valerie, Leeds Institute of Molecular Medicine, University of Leeds, UK
• organization: Pathology, Malmö (research group); BioCARE: Biomarkers in Cancer Medicine improving Health Care, Education and Innovation
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology; Cell and Molecular Biology
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:6
• pages: 138 pages
• defense location: Patologens föreläsningssal, Jan Waldenströms gata 59, plan 2, Malmö
• defense date: 2013-01-25 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87189-74-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: af30044d-9bdd-4098-afbd-eb42c8b8b26f (old id 3347864)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:26:37
• date last changed: 2023-04-18 20:36:33