Transcriptional regulation in neuroblastoma cells under normoxic and hypoxic conditions

Abstract

The childhood malignancy neuroblastoma develops from early cells of the sympathetic nervous system (SNS), and the tumors often produce catecholamines. Neuroblastoma cells retain several characteristics of immature sympathetic cells including the expression of a number of transcription factors normally expressed during embryogenesis. The genesis of the SNS requires the correct expression pattern of several transcription factors of the basic helix-loop-helix (bHLH) family, such as HASH-1 a pro-neuronal gene. HASH-1 expression is negatively regulated by another bHLH factor, HES-1. In these studies, we show that HASH-1 form transcription activating dimers with the ubiquitously expressed bHLH factor E2-2 in neuroblastoma cells. Furthermore, we establish that the Id proteins, which lack the basic DNA-binding domain and act as dominant negative inhibitors in the bHLH network, bind to HES-1. By dimerization with HES-1 the Id proteins may act to repress the HES-1 mediated transcriptional repression. In addition, HES-1 can alleviate the negative effect of Id proteins on bHLH factor induced transcription, by sequestration of Id. These findings reveal a novel regulatory level of the bHLH network.



Solid tumors most often contain regions with impaired circulation and hypoxia. Two transcription factors of the bHLH/PAS subgroup, the hypoxia inducible factors HIF-1a and HIF-2a, are key regulators of the cellular response to oxygen deprivation. Interestingly, HIF-2a is also expressed in the developing SNS and required for catecholamine production, and HIF-2a deficient mice die with bradycardia before birth. The dual implications of HIF-2a in neuroblastoma tumors, involvement in SNS development as well as in adaptation to the tumor microenvironment , prompted us to investigate how neuroblastoma cells respond to growth under hypoxic conditions. Unexpectedly, we found that hypoxia (1% oxygen) drive the neuroblastoma cells toward an immature and neural crest-like phenotype. Several neuronal and neuroendocrine marker genes, such as chromogranin A/B, NPY, and HASH-1, were down-regulated in response to oxygen deprivation, whereas a number of genes expressed during early neural crest development were up-regulated, examplified by c-kit, Notch-1, and Id2. To further delineate the the hypoxic phenotype of human neuroblastoma cells, we have analyzed their gene expression after 72 h exposure to hypoxia employing microarray analysis harboring 35 000 clones. Almost one percent of the represented transcripts were up-regulated more than three-fold and about 0.5 % were down-regulated more than three-fold in response to hypoxia. The microarray results strenghten our view of hypoxic neuroblastoma cells as less mature. To test whether hypoxia-induced dedifferentiation is a neuroblastoma specific event or may occur also in other solid tumors, we have analyzed a panel of ductal breast carcinoma in situ. Also in these tumors, were hypoxia associated with a less mature phenotype of the tumor cells. We propose hypoxia-induced dedifferentiation as one means by which intra-tumor hypoxia drives tumor propagation.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Neuroblastom, när utvecklingen går fel Neuroblastom är en tumörsjukdom som drabbar små barn och i Sverige diagnosticeras ungefär 14 barn med neuroblastom varje år. Neuroblastomtumörerna utvecklas under anläggningen av det sympatiska nervsystemet, som är en del av det icke-viljestyrda nervsystemet och har till uppgift att anpassa kroppens svar på stress och fara genom att reglera nivåerna av främst adrenalin. Neuroblastom är en mycket komplex tumörsjukdom och prognosen är starkt varierande. Neuroblastomtumörer med god prognos visar en hög andel spontan utmognad av tumörcellerna till ofarliga celler och tillbakabildande av tumören. Aggressiva neuroblastomtumörer kan leda till mycket svår sjukdom och ungefär hälften av de barn som drabbas av neuroblastom kan inte räddas till livet. Tumören uppstår när de celler som normalt ska ge upphov till det sympatiska nervsystemet inte mognar utan istället fortsätter att dela sig och växa på ett alltmer okontrollerat sätt. Genom att studera utvecklingen av det normala sympatiska nervsystemet hoppas vi kunna förstå vad som skiljer neuroblastom tumörer med bra och dålig prognos från varandra och hur man ska kunna behandla aggressiva neuroblastom på ett mer framgångsrikt vis.



En cells egenskaper beror på de proteiner som uttrycks i cellen. Proteiner som kallas transkriptionsfaktorer avgör vilka gener som ska avläsas från arvsmassan och ge upphov till proteiner. En stor familj av transkriptionsfaktorer, bHLH (basiska helix-loop-helix)-faktorerna, har avgörande roller i många utvecklingssteg under fosterutvecklingen och flera av dessa faktorer uttrycks under bildandet av det sympatiska nervsystemet. I neuroblastomceller kvarstår uttryck av flera bHLH-faktorer som normalt bara ska uttryckas under fostertiden. bHLH-faktorer med olika egenskaper utgör ett nätverk som kan regleras på flera nivåer. I delarbetena II och III studeras hur olika bHLH-faktorer styr vilka proteiner som ska bildas. Vi visar att transkriptionsfaktorn HASH-1, som ger upphov till uttryck av nervspecifika gener, bildar par med bHLH-faktorn E2-2 i neuroblastomceller och ger aktiverar genuttryck. Vidare visar vi hur denna aktivering av genuttryck, kan påverkas genom förändringar i balansen mellan ytterligare bHLH-faktorer. Våra fynd bidrar till ökad förståelse för hur den kanske viktigaste frågan avgörs i (tumör)cellen: att fortsätta växa eller att mogna ut till en funktionell del av ett organ? När en cell felaktigt fortsätter att växa kan den ge upphov till cancer.



Syrefattiga tumörer är mer elakartade Växande solida tumörer kräver syre och näring och för att dessa krav ska tillgodoses måste nya blodkärl bildas. En tumör som inte stimulerar nybildande av blodkärl kan inte bli mer än ett par millimeter i diameter. Normalt sker inte längre nybildning av blodkärl i den vuxna kroppen. Detta förhållande utnyttjas inom tumörbehandling med ämnen som hindrar kärlbildning, sk angiogenesinhibitorer. Dessa läkemedel kan ibland stoppa eller försena en tumörs tillväxt och uppkomst av dottersvulster. De kärl som tumören bildar är ofta missbildade och blodcirkulationen i tumören blir ineffektiv, och detta leder till att områden i tumören lider av syrebrist. Ofta bildas kärnor av död tumörvävnad där syretillgången är som sämst. Med ökade möjligheter att mäta syretillgången innuti tumörer har man börjat förstå i vilken utsträckning syrebrist påverkar (tumör)cellerna. Man har upptäckt att flera av de faktorer som tumörcellerna producerar, dels för att kunna överleva med låg tillgång på syre och näring och dels för att stimulera bildningen av nya blodkärl, också kan bidra till att tumören blir mer elakartad, dvs tumörcellerna får en ökad förmåga att överleva, växa och bilda dottersvulster. Vi har funnit att tumörceller som utsätts för syrebrist förändras och blir mer omogna, dvs får allt färre likheter med den funktionella cell som tumörcellen stammar från (eller skulle ha utvecklats till) (arbete IV, V och VI). Generellt är omogna cancerceller mer aggressiva och leder till ett svårare sjukdomsförlopp än mer mogna cancerceller. Vi menar att syrebrist, genom att skapa en ökad andel omogna tumörceller, kan driva tumörsjukdomen framåt och leda till svårare sjukdom. Det kan därför vara mycket viktigt att kombinera olika behandlingsmetoder för att komma åt även cancerceller i syrefattiga områden av tumören. Det är av stort intresse att ta reda på om även normala celler blir mer omogna av syrebrist, vilket kan ge ökade möjligheter att studera bla stamceller.

• author: Jögi, Annika
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Stratford, Ian, Manchester University, UK
• organization: Department of Translational Medicine
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology
• keywords: oncology, cancerology, Cytologi, onkologi, cancer, Cytology, HIF-2, HIF-1, hypoxia, Id, HES-1, bHLH, Neuroblastoma, neuronal differentiation
• pages: 117 pages
• defense location: Pathology building entr 78 lecture hall, UMAS, Malmö
• defense date: 2002-11-15 09:15:00
• ISBN: 91-628-5407-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Annika Jögi, Frida Abel, Rose-Marie Sjöberg, Rune Toftgård, Peter G. Zaphiropoulos, Sven Påhlman, Tommy Martinsson, and Håkan Axelson. Patched 2, located in 1p32-34, is not mutated in high stage neuroblastoma tumors. Int J Oncol. 2000 16:943-949 Article: II. Paula Persson, Annika Jögi, Anna Grynfeld, Sven Påhlman, and Håkan Axelson. HASH-1 and E2-2 are expressed in human neuroblastoma cells and form a functional complex. Biochem Biophys Research Commun. 2000 274:22-31 Article: III. Annika Jögi*, Paula Persson*, Anna Grynfeld, Sven Påhlman, and Håkan Axelson. Modulation of basic helix-loop-helix transcription complex formation by Id proteins during neuronal differentiation. J Biol Chem. 2002 277:9118-9126. *These authors contributed equally to this work. Article: IV. Annika Jögi, Ingrid Øra, Helén Nilsson, Åsa Lindeheim, Yuichi Makino, Lorenz Poellinger, Håkan Axelson, and Sven Påhlman. Hypoxia alters gene expression in human neuroblastoma cells toward an immature and neural crest-like phenotype. Proc Natl Acad Sci USA 2002 99:7021-7026 Article: V. Annika Jögi, Johan Vallon-Christerson, Åke Borg, Håkan Axelson, and Sven Påhlman. Gene expression profiles of hypoxic human neuroblastoma cells. Manuscript Article: VI. Karolina Helczynska, Åsa Kronblad, Annika Jögi, Elise Nilsson, Siv Billberg, Göran Landberg, and Sven Påhlman. Hypoxia promotes a dedifferentiated phenotype in ductal breast carcinoma in situ. Manuscript The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Molecular Medicine (013031200)
• id: 1aa0665c-cb06-4d24-8afa-7aa882bb37ce (old id 465052)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:26:17
• date last changed: 2018-11-21 21:10:59