Role of cyclin D1 as an estrogen receptor cofactor and the influence of hypoxia on estrogen receptor regulation, with focus on prognositic and treatment predictive features in breast cancer

Abstract

Estrogen receptor (ER) status can define breast cancer patients who would benefit from adjuvant tamoxifen therapy. However, resistance to tamoxifen is often observed and possible mechanisms may be loss or reduction of ER, dysfunctional ER- signaling and ligand independent activation of the receptor. Hypoxia and hypoxia inducible factor-1? (HIF-1) expression has been correlated to loss of ER in breast tumors. Cyclin D1, initially described as a cell cycle regulator, might also function as a cofactor to ER inducing ligand independent activation of the receptor. We therefore determined the relation between ER, cyclin D1 and HIF-1 expression in primary breast tumors and cell lines. Further, the prognostic and treatment predictive value of cyclin D1 and HIF-1 was analyzed in breast cancer patients receiving two years of tamoxifen versus no adjuvant treatment.



The results indicated that ER heterogeneity in primary breast tumors was associated with cyclin D1 and HIF-1 expression. Further, breast cancer patients with cyclin D1 high tumors did not benefit from tamoxifen treatment. The survival for untreated patients with cyclin D1 high tumors was nevertheless slightly better than for patients with cyclin D1 low tumors. Hypoxia was also strongly linked to ER downregulation in DCIS and invasive breast cancer and caused ER downregulation in breast cancer cell lines. Interestingly, hypoxic cells were less differentiated, showing changes in morphology, proliferation and cytokeratin 19 expression. The hypoxia induced ER reduction was due to both proteasomal degradation and decreased transcription and active extracellular regulated kinase (ERK1/2)was involved in the transcriptional regulation of ER. Consequently, tamoxifen treatment did not affect proliferation as efficiently in hypoxia as in normoxia, but ERK1/2 inhibitors efficiently increased the tamoxifen effect in hypoxia. Unexpectedly, tumor specific HIF-1 expression was not a predictive marker for tamoxifen response in premenopausal breast cancer patients but associated with a worse recurrence free survival. These results suggest that cyclin D1 is a predictive marker for tamoxifen resistance and HIF 1 a marker of poor prognosis in breast cancer. Targeting cyclin D1 and/or ERK1/2 in conjunction with tamoxifen represent new treatment strategies for improving the tamoxifen response.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Målsättningen med detta avhandlingsarbete har varit att undersöka cyklin D1 och HIF-1 i förhållande till ÖR i brösttumörer. Ytterligare en målsättning var att undersöka om cyklin D1 och HIF-1 kan påverka utfallet av tamoxifenbehandling i kliniska bröstcancerstudier.



I delarbete 1 fann vi att i ÖR-positiva tumörer med områden där tumörcellerna faktiskt var ÖR-negativa, fanns det en koppling till antingen högt cyklin D1- uttryck eller vilket var vanligare, högt HIF-1-uttryck. I hypoxiska områden i invasiva tumörer(delarbete 1) och i förstadium till bröstcancer (ductal carcinoma in situ, DCIS, delarbete 3) gick ÖR-uttrycket ner. I neuroblastom (en tumör som drabbar barn) har hypoxi visat sig orsaka förändringar i tumör cellerna som indikerar att tumörcellerna blir mer omogna. De liknar en cell i en tidigare utvecklingsfas.



I delarbete 3 visar vi att i bröstcancer kan eventuellt samma process ske, då cellerna får en annat utseende och tappar sin orientering, samt uttrycker mer protein som kopplas till en tidigare differentieringsfas. I både delarbete 1 och 3 visar vi att tre olika ÖR-receptorpositiva cellinjer odlade i hypoxi minskar sitt ÖR-uttryck.



I delarbete 2 undersökte vi förhållandet mellan tumörspecifikt cyklin D1-uttryck och behandlings effekten av tamoxifen. Detta gjordes i en studie där 251 bröstcancer patienter fick antingen tamoxifen-behandling eller ingen stödjande behandling. Patienter, vars tumörer hade högt ÖR innehåll och högt cyklin D1-innehåll, svarade inte på tamoxifenbehandlingen. I den obehandlade patientgruppen visade det sig att patienter vars tumörer hade högt cyklin D1 innehåll paradoxalt nog hade en god prognos. Utifrån våra resultat verkar det som att cyklin D1 direkt påverkar ÖR och kan bidra till att tamoxifen inte blockerar receptorn som var dess syfte.



I delarbete 4 har vi försökt att utreda hur HIF-1-aktivering leder till minskat ÖR-uttryck. Ett flertal arbeten tyder på att resistens mot tamoxifen kan vara relaterad till överaktivering av cellsignalering via extracellulärt reglerat kinas (ERK). Överaktivering av ERK har också kopplats till att ÖR minskar i cellinjer. I DCIS med hypoxiska regioner och i bröstcancer cellinjer utsatta för hypoxi ökar ERKs aktivitet(delarbete 4). Vi visar att ÖR uttrycket reduceras via två olika mekanismer, 1) genom att proteinet förstörs via cellens egna nerbrytnings system 2) genom transcriptionell nedreglering på gennivå. Genom att blockera ERK-aktivering minskade inte ÖR i samma utsträckning under hypoxi. Tamoxifenbehandling på cellinjer visade att de celler som växte i "normal" syre nivå hade färre aktivt delande celler efter behandling än de som växte i hypoxi. Blockerades ERK-aktiveringen i de tamoxifenbehandlade, hypoxiska cellerna blev effekten en näst intill en total eliminering av celler med aktiv delning. Dessa resultat indikerar att en patient som inte svarar på tamoxifenbehandling och samtidigt har områden med hypoxi i tumören eventuellt skulle kunna gynnas av en tilläggs behandling med ERK-blockerare.



I delarbete 5 undersöker vi om HIF-1 positiva tumörceller kan påverka patientens prognos, samt om HIF-1 kan leda till ett sämre tamoxifensvar i en bröstcancerstudie. HIF-1 visade sig dock inte medföra ett minskat svar på tamoxifen, utan patienterna med högt HIF-1 i tumören svarade lika bra på tamoxifenbehandlingen som de som inte uttryckte HIF-1 i tumören. Tumör specifikt HIF-1-uttryck medförde dock en sämre prognos för patienten. Nyligen publicerades en stor klinisk studie (745 patienter) där tumörspecifikt HIF 1 uttryck under-söktes i bröstcancer. Denna studie visade också att HIF-1 uttryck i tumör-cellerna medförde en sämre prognos för patienterna, vilket styrker våra resultat.



För närvarande utvecklas en typ av små molekyler som kan blockera HIF-1 signaleringen och förhoppningarna är att dessa skall fungera som tilläggs behandling för patienter med cancer. Framtida kliniska studier får avgöra om HIF-1 blockad kan bli en etablerad behandling. Idag har klinikerna endast ett fåtal markörer till hjälp vid valet av behandling av en brösttumör; ÖR, progesteronreceptorn, tumörgrad, tumör storlek, lymfmetastaser och HER2. I framtiden kommer dessa sannorlikt att utökas med en mängd andra markörer, exempelvis cyklin D1 och HIF-1. Bröstcancer är alltså inte en specifik sjukdom, utan den består av flera subgrupper med olika prognos och behandlingsutfall. Med hjälp av nya markörer kommer det bli enklare att skräddarsy en behandling för varje patient.

• author: Kronblad, Åsa
• supervisor: Göran Landberg
• opponent: Professor van Diest, Paul, Department of Pathology, University Medical Center Utrecht, 3508 GA Utrecht, The Netherlands
• organization: Pathology, Malmö (research group)
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cancer and Oncology; Cell and Molecular Biology
• keywords: cancerology, Cytologi, onkologi, cancer, General pathology, breast cancer, hypoxia, cyclin D1, Cytology, oncology, estrogen receptor, pathological anatomy, Patologi (allmän), patologisk anatomi
• in: 2006:50
• pages: 93 pages
• defense location: Main lecture hall, Pathology building, entrance 78, Malmö University Hospital, Malmö
• defense date: 2006-05-05 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 91-85481-75-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Å Kronblad, K Helczynska, NH Nielsen, S Emdin, S Påhlman and G Landberg. 2003. Regional cyclin D1 overexpression or hypoxia correlate inversely with heterogeneous oestrogen receptor-alpha expression in human breast cancer. In Vivo., vol 17 pp 311-8.; M Stendahl, Å Kronblad, L Rydén, S Emdin, NO Bengtsson and G Landberg. 2004. Cyclin D1 overexpression is a negative predictive factor for tamoxifen response in postmenopausal breast cancer patients. Br J Cancer, vol 17;90 pp 1942-8.; K Helczynska, Å Kronblad, A Jögi, E Nilsson, S Beckman, G Landberg and S Påhlman. 2003. Hypoxia promotes a dedifferentiated phenotype in ductal breast carcinoma in situ. Cancer Res., vol 1;63 pp 1441-4.; Å Kronblad, I Hedenfalk, E Nilsson, S Påhlman and G Landberg. 2005. ERK1/2 inhibition increases anti-estrogen treatment efficacy by interfering with hypoxia-induced down-regulation of ER?. A novel combination therapy for breast cancer. Oncogene, vol 13;24 pp 6835-41.; Å Kronblad, K Jirström, L Rydén, B Nordenskjöld and G Landberg. 2006. Hypoxia inducible factor-1alpha is a prognostic marker in premenopausal patients with intermediate to highly differentiated breast cancer but not a predictive marker for tamoxifen response. Int J of Cancer, vol 15;118 pp 2609-16.
• id: d929eed1-4153-4b61-bcd6-a8974c107ce3 (old id 546584)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:22:21
• date last changed: 2019-05-21 08:41:01