IGF, PI3K and HIF-2 in Normal and Tumor Development

Abstract

Cells adapt to oxygen shortage, hypoxia, by inducing a transcriptional shift governed mainly by Hypoxia Inducible Factor (HIF)-1 and HIF-2. In various cancer forms, including neuroblastoma, high expression of HIF-2α correlates with disseminated disease and poor outcome. It has become evident that HIF-1 and HIF-2 are differentially regulated over time and by oxygen levels. HIF-2α is expressed in a subset of perivascularly located neuroblastoma cells in vivo and appear to be co-expressed with markers of early sympathetic nervous system development, while HIF-1α expression is restricted to necrotic and hypoxic tumor areas.

Here, we demonstrate that HIF-2α is regulated at the transcriptional level by the IGF and PI3K signaling pathways, two pathways commonly deregulated in human cancer. In addition, the expression of HIF-2α and IGF-II correlates in neuroblastoma specimens and cell lines, and the finding that HIF-2α and IGF-II are co-expressed in sympathetic neuroblasts during early human development (embryonic week 6.5) suggest that neuroblastoma cells are arrested at a differentiation stage corresponding to when sympathetic chain ganglia begin to coalesce.

We further show that the differential regulation of HIF-1α and HIF-2α in neuroblastoma partly can be explained by specific IGF and PI3K-mTOR signaling. While HIF-1α is exclusively regulated at the translational level via mTOR complex 1 (mTORC1) at hypoxia, HIF-2α is regulated at the transcriptional level by mTORC2, providing an opportunity to specifically target the HIF-2α-driven aggressive phenotype in neuroblastoma.

At last, PI3K is composed of a regulatory and a catalytic domain, and we highlight the complexity of this signaling pathway by identifying the catalytic subunit, p110δ, responsible for c-Kit mediated cell transformation, and the process of kinase-dependent and –independent activation.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Neuroblastom är en allvarlig cancerform som nästan enbart drabbar barn. Denna typ av tumörer hittas i vävnader av det sympatiska nervsystemet (vilket är en del av det icke viljestyrda nervsystemet i kroppen). Allra vanligast är det att tumörerna bildas i binjuren, ett organ placerat strax ovanför njuren. Cancer är en komplex sjukdom och varje tumör är speciell på sitt sätt. Gemensamt för all cancer är dock att cancercellerna växer och delar sig på ett okontrollerat sätt. Oftast får cancercellen denna egenskap efter att ett fel uppstått (även kallad en mutation) vilket får till följd att den annars så strikta regleringsmekanismen i cellen havererar. Det kan till exempel leda till att så kallade signalvägar påverkas. Genom olika signalvägar tar cellen emot signaler från omgivningen för att sedan bäst kunna anpassa sig till det som sker runt omkring. I cancer kan vissa signalvägar bli överaktiva (till följd av till exempel en mutation) och stimulera cellen att producera stora mängder protein som normalt sett inte ska finnas.

Syrebrist (hypoxi) är vanligt vid exempelvis hög höjd, eller som en följd av vissa sjukdomar och behandlingar. En cell får under sådana omständigheter information från omgivningen om att tillgången till syre är knapp och ställer om sig för att spara på energi och på så sätt överleva. Denna omprogrammering leds av framför allt två proteiner, Hypoxia Inducible Factor (HIF)-1α och HIF-2α, som vanligtvis produceras enbart när just syretillgången är knapp. I kroppens vävnader får celler sitt syre via blodet. När celler växer okontrollerat, som i en tumör, blir cellmassan stor och nya blodkärl hinner inte bildas i samma takt, vilket leder till att många tumörceller drabbas av konstant syrebrist. Medan en normal cell inte klarar sig utan syre mer än korta stunder, leder syrebrist i tumörcellen oftast till att den programmerar om sig och blir ännu mer aggressiv.

Vi har tidigare visat att neuroblastomceller som producerar stora mängder av HIF-2α proteinet är mer aggressiva och att neuroblastomceller märkligt nog kan producera HIF-2α trots att de befinner sig i en syrerik miljö. I detta avhandlingsarbete har vi tagit reda på vad det är som styr den avvikande produktionen av HIF-2α i neuroblastom och om man kan använda denna information till att designa bättre behandlingar för de patienter som lider av sjukdomen.

Insulin-like growth factor (IGF)-II är ett protein som är viktigt under utvecklingen, för att embryot och fostret ska växa normalt. Neuroblastomceller producerar och utsöndrar stora mängder av IGF-II när de utsätts för syrebrist, och vi visar att tillgången på IGF-II är något som kan styra produktionen av HIF-2α i neuroblastom (Artikel II). Dessutom produceras både IGF-II och HIF-2α i den celltyp som man tror ger upphov till neuroblastom. Detta sker under ett mycket tidigt stadie av normal human utveckling (embryonal vecka 6.5) (Artikel II).

Det utsöndrade IGF-II proteinet verkar genom att fysiskt interagera med så kallade receptorer på en cells yta. När det sker startar en signaleringsväg genom cellen, som en kaskad, för att så småningom leda fram till produktion av olika typer av proteiner (till exempel HIF-2α). En signalväg som startas av att IGF-II interagerar med en receptor kallas PI3K-vägen, och den är inblandad i styrningen av en mängd olika processer i cellen. När vi behandlar neuroblastomceller med olika typer av substanser som förhindrar signalering genom PI3K-vägen minskar produktionen av HIF-2α drastiskt i cellerna (Artikel III). HIF-1α och HIF-2α verkar regleras olika och agera på olika sätt i neuroblastom. Vårt arbete antyder att signalering genom PI3K-vägen resulterar i att olika proteinsammansättningar blir aktiva och att dessa i sin tur styr HIF-1α och HIF-2α på olika sätt (Artikel III). I Artikel IV undersöker vi sedan betydelsen av olika former av PI3K i utvecklingen av tumörer.

Många års arbete kring vad HIF-2α gör i neuroblastom har lett fram till slutsatsen att hög produktion av proteinet bidrar till de aggressiva egenskaperna hos dödlig neuroblastom. Vår hypotes är att behandling mot HIF-2α skulle kunna leda till bättre överlevnad hos patienter. Men eftersom det har varit okänt vad som reglerar produktionen av HIF-2α i neuroblastomcellerna har det också varit svårt att veta vad man ska behandla. I det här avhandlingsarbetet har vi identifierat vilken signalväg som leder fram till den höga produktionen av HIF-2α. Fortsatt forskning, för att kartlägga exakt vilka proteiner som är inblandade, kan förhoppningsvis leda fram till identifieringen av nya behandlingsmål.

• author: Mohlin, Sofie
• supervisor: Sven Påhlman; Annika Jögi
• opponent: Giaccia, Amato, Department of Radiation Oncology, Stanford University, Stanford, USA
• organization: Department of Translational Medicine; BioCARE: Biomarkers in Cancer Medicine improving Health Care, Education and Innovation
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology
• keywords: Neuroblastoma, Hypoxia, Insulin-like Growth Factor, PI3K, HIF-2alpha, Cancer, Development
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:67
• pages: 83 pages
• defense location: CRC Main Lecture Hall, University Hospital MAS, Jan Waldenströms gata 35, Malmö
• defense date: 2013-06-14 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87449-37-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: 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: 8fb91f1a-9531-43cf-b3be-02c02a005ca6 (old id 3799855)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:45:38
• date last changed: 2023-04-18 20:07:54