Translational and functional analyses of microRNAs in prostate cancer

Abstract

The aims of this thesis were to identify microRNAs (miRNAs) with prostate cancer prognostic and diagnostic potential, to discover miRNAs with therapeutic capacity against prostate cancer, and to investigate if prostate specific antigen (PSA) is miRNA regulated.



Prostate cancer is a globally spread disease with low mortality, but some patients develop an aggressive lethal form of prostate cancer with severe morbidity. In the early nineties the PSA test was introduced as a blood based test that has high sensitivity for prostate cancer. The possibility to set prognosis by this test is however limited. For men that may develop incurable aggressive prostate cancer, there is therefore an urgent need for novel biomarkers and therapeutics, so that these are detected and more correctly treated at an early stage. miRNAs are molecules that have post-transcriptional regulatory capacity, by binding their target transcripts. The miRNA profile has been shown to be deregulated in cancer cells, which can lead to elevated or inhibited expression of their targets. The effect can be increased or decreased expression of oncogenes or tumour suppressors respectively.



By analysing prostatic tissues from men with and without prostate cancer, we found that the levels of four miRNAs (miR-96, -145, -183, and -221), in an algorithm denoted miQ, can in addition to set the correct diagnosis, predominantly of PSA, predict metastases and tumour aggressiveness. Further, patients with high miQ levels lived three years longer after surgery compared to patients with low miQ. The miQ profile is highly translational to the clinic.



The biological function of miR-145 was investigated and found to inhibit androgen induced cell growth and to regulate the androgen receptor; therefore it is a good therapeutic candidate. Exploring functionality of miR-96 in prostate cancer, we found that it has good potential to be targeted therapeutically. The antiproliferative protein FOXO1 was found to be a direct target of miR-96, explaining the cell growth promoting effect of miR-96. By an extensive screening for miRNAs that affect PSA levels, we found that miR-183 increases its expression. This implies that miR-183 has an effect on the PSA test, today used for detection of prostate cancer. All three functionally studied miRNAs have individually diagnostic and prognostic properties, but combined into miQ the individual qualities enhances each other.



To conclude, we found a miRNA profile that is associated with both prostate cancer prognosis and diagnosis, miRNAs have therapeutic potential, and can influence the PSA detection method.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Prostatacancer drabbar män över hela världen; i Sverige får ungefär 10 000 personer diagnosen varje år. För den enskilda individen kan följderna innebära fysiskt och psykiskt lidande, men även samhället belastas med höga vårdkostnader. För att undvika onödigt lidande, men också minska kostnaderna är det nödvändigt att ta fram nya läkemedel och metoder för att i god tid ställa diagnos och prognos av sjukdomen. Även om många prostatatumörer aldrig växer och medför fara för patienten, så finns det de som utvecklas till aggressiva tumörer vilket kan ge en mycket sämre sjukdomsbild med ett snabbare sjukdomsförlopp. För att förhindra dessa tumörer krävs att de behandlas med korrekt metod i god tid. Förhoppningarna är höga på att hitta nya biomarkörer för prostatacancer och utveckla nya läkemedel så att de patienter som utvecklar svår prostatacancer ska upptäckas och behandlas i ett tidigt stadium så att sjukdomen inte ger förödande konsekvenser.

Idag kan man, med ett enkelt blodprov där man mäter nivån av PSA, prostataspecifikt antigen, kontrollera om det är något fel på prostatan. I så fall läcker nämligen PSA ut från prostatan till blodomloppet. Problemet med PSA-testet är att det inte bara återspeglar om det finns tumörer i prostatan utan även närvaro av ofarliga förändringar eller andra sjukdomar. För att säkerställa prostatacancerdiagnos måste man ta biopsier från prostatan, vilka därefter undersöks i mikroskop av en läkare med specialkunskaper på området. Proceduren medför inte någon stor risk för patienten, men upplevs ofta som mycket obehaglig. På grund av detta behövs nya icke-invasiva detektionsmetoder där man endast detekterar cancer och inget annat.

Eftersom man idag inte med säkerhet kan avgöra om en tumör kommer att utvecklas och bli aggressiv behandlas även patienter som kanske aldrig skulle få an aggressiv tumör. För dessa patienter kan operationer och behandlingar med olika läkemedel därför vara onödiga. Operation av prostatan och behandlingar som hämmar cancertillväxt har många sidoeffekter som kan minska livskvalitén; inkontinens och nedsatt erektionsförmåga är mycket vanligt förekommande. För att urskilja män med aggressiv prostatacancer, behövs nya detektionsmetoder för detta.



miRNA är små molekyler som kan kontrollera uttrycket av enskilda cellers proteiner. Man vet att om en cell förändras till en tumörcell så kan halterna av olika miRNA bli både för höga och för låga. Dessa halter kan mätas med biokemiska metoder och vissa miRNA:n har visat sig korrelera med diagnos och prognos, d.v.s. kan fastställa om patienten har en aggressiv tumör eller inte. Därför pågår mycket forskning för att hitta miRNA:n som kan detektera och förutspå aggressivitet av cancertumörer.

Följden av fel halt av miRNA i en cell kan bli att proteinerna de reglerar också får felaktig koncentration. Ibland är dessa proteiner sådana som antingen hämmar eller främjar tumörers uppkomst eller tillväxt, och om för liten respektive för stor mängd finns av dessa kan tumörer uppkomma eller växa till.

Felregleringen av miRNA:n utgör en potential för behandling av cancer. Det är möjligt att medicinera patienter med konstgjorda miRNA:n så att celler med för låga nivåer återfår en normal koncentration. De miRNA:n som har för hög koncentration kan också blockeras med hjälp av läkemedel. Följden av dessa mediciner blir ett mer normalt proteinuttryck, som hämmar cancertillväxt. Än så länge finns tyvärr inte några läkemedel av denna typ på marknaden, men forskning på ämnet är mycket utbredd.



Syftet med denna avhandling har varit att undersöka om halterna av vissa miRNAn kan användas för att ställa prognos samt diagnos av prostatacancer. Dessutom ville vi undersöka om dessa miRNA:n har potential för att användas som läkemedel för att hämma prostatacancertillväxt. Därför är denna forskning på ett translationellt plan, d.v.s. resultaten skulle kunna användas tillfördel för prostatcancerpatienter genom att läkemedel och detektionsmetoder utvecklas.



Det första delmålet i avhandlingsarbetet var att hitta miRNA:n, som fyller kraven att både ställa korrekt diagnos och prognos för prostatacancer. Vi undersökte halterna av 13 miRNA:n i prostatavävnad från män med och utan prostatacancer och fann att nivåerna av sju av dessa stämmer överens med diagnos. Eftersom ett diagnostiskt verktyg bör vara specifikt för sjukdomen i fråga, men också känsligt så att alla fall upptäcks ville vi förfina resultaten vi såg från de enskilda miRNA:na. Därför analyserade vi olika kombinationer av miRNA:n och fann att en kombination av fyra miRNA:n (två som hade hög och två som hade låg halt hos cancerpatienterna), som hade mycket bra diagnostiska och prognostiska egenskaper. Kombinationen kallar vi ”miQ”, vilket står för miRNA index quote.

Analyserna av miQ i korrelation till prognos visade t.ex. att metastaser och aggressivitet kan förutspås bättre än med dagens detektionsmetoder. Utöver detta kunde vi också se att män med hög miQ i prostatan vid operationstillfället inte fick tillbaka sin cancer lika snabbt och levde längre.



Cancerrelaterad ned- eller uppreglering av miRNA:na, som de som ingår i miQ har, tyder på att de kan påverka tumören. Därför började vi även undersöka deras funktioner. Om man kan hämma dessa kan tumörtillväxten stanna av. I artikel II finner vi att miR-145 kan reglera androgenreceptorn. Detta är en molekyl som är mycket viktig för prostatans celler och deras tillväxt. I cancerceller däremot kan androgenreceptorn ge negativa effekter. Hos patienter med sjukdomsåterfall efter viss behandling har androgenreceptorn utvecklat egenskaper som gör att dess normala reglering inte nödvändigtvis behövs. Följden blir ytterligare aggressiv cancertillväxt och tyvärr finns inget botemedel mot denna typ av cancer.

Upptäckten att miR-145 har en hämmande effekt på androgenreceptorn, betyder att detta miRNA har terapeutisk potential mot prostatacancer eftersom androgenreceptorn kan verka för att föröka cellantal.



I den tredje artikeln undersöktes de cellulära funktionerna av miR-96 i prostatacancer. Det har tidigare visats att detta miRNA agerar tumörfrämjande och i det första delarbetet såg vi att miR-96 har högre halt i prostatavävnad från patienter med prostatacancer än de utan cancer. Vi kunde också konstatera att miR-96 har prognostiska egenskaper; halterna i prostatan korrelerar med förekomst av metastaser. Tillsammans tyder detta på att miR-96 har en funktion i prostatacancer.

Eftersom andra har visat att miR-96 kan kontrollera ett protein som kallas FOXO1 i vissa cancertyper, ville vi undersöka om fallet är så även i prostatacancer. FOXO1 är en molekyl som kan reglerar många olika mekanismer i cellen, bl.a. vissa cellers möjlighet att föröka sig. När vi behandlade prostataceller med miR-96 såg vi att det blev fler celler samt att detta skedde eftersom miR-96 blockerar FOXO1 genom att binda till det.



Den sista artikeln handlar om hur miR-183 kan uppreglera PSA-halter. Vår första hypotes var att miRNA:n hämmar uttrycket av KLK2, ett protein som är mycket likt PSA, men finns i lägre koncentration. De första försöken som gjordes visade dock att miRNA:n antagligen inte påverkar KLK2, men istället fick vi indikationer på att miRNA:n uppreglerar PSA. Vi undersökte hur 1129 olika miRNA påverkar PSA-nivån och fann att miR-183 var ett av dem som förhöjer PSA.

Nivåerna av miR-183 undersöktes också i patientmaterial och vi fann att höga nivåer inte bara korresponderar med cancerdiagnos, men även hög cancergradering, samt patientens PSA. Eftersom PSA-testet inte är specifikt för cancer utan även ger ett positivt utslag på icke-carcinogena förändringar och sjukdomar leder testet till överdetektion, d.v.s. patienter utan prostatacancer får också genomgå fortsatt undersökning. Om en cancerpatient däremot har låga miR-183-nivåer kan detta leda till lågt PSA och patienten missas av PSA-testet.

• author: Larne, Olivia
• supervisor: Yvonne Ceder; Åke Lundwall; Anders Edsjö
• opponent: Professor Grandér, Dan, Department of Oncology and Pathology, Karolinska Institutet, Stockholm, Sweden
• organization: Clinical Chemistry, Malmö (research group); BioCARE: Biomarkers in Cancer Medicine improving Health Care, Education and Innovation
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Medicinal Chemistry
• keywords: prostate cancer, microRNA, PSA, androgen receptor, miR-96, miR-145, miR-183
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:112
• pages: 113 pages
• defense location: The main lecture hall, Building 302, Medicon Village
• defense date: 2013-10-25 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87449-85-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 7274e52e-e488-446c-8746-6aef92ad5fd9 (old id 4058180)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:10:47
• date last changed: 2023-04-18 20:20:27