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Functional characterization of prostate cancer biomarkers


Gerhardt, Josefine. Functional characterization of prostate cancer biomarkers. 2011, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

With the onset of prostate-specific antigen (PSA) screening two decades ago the number of prostate cancer suspicious cases has markedly increased. Due to the lack of specificity men with elevated PSA levels need to be biopsied to confirm the diagnosis. In order to reduce the number of the unnecessary taking of biopsies, new specific and non-invasive biomarkers are required to facilitate prostate cancer diagnosis. Here, we suggest calcium-activated nucleotidase (CANT) 1 as a novel serum marker candidate for further validation.
As a result of serum PSA measurement, also the number of confirmed prostate cancer cases has risen. Especially more insignificant carcinomas are detected, which would never have affected the patients’ life. Thus, overtreatment of these cases and the therapy-induced morbidity is a big issue in clinical prostate cancer management. Within this study, we identify two potential prognostic biomarkers to predict the risk of disease recurrence. This risk is reduced in patients with very high CANT1 protein levels in their prostatectomy specimens. Applying the histochemical score to quantify CANT1 protein levels, CANT1 is shown to be an independent prognostic biomarker. In contrast, strong forkhead box (FOX) A1 expression is prognostically unfavourable. Since an ideal prognostic marker should be applied to pre- treatment samples, analysis of both immunohistochemical markers in large biopsy cohorts is strongly recommended.
Once the tumor has recurred, progression to castration-resistance is likely. Further elucidation of the underlying mechanisms is necessary to progress in the development of life- prolonging therapies for these patients. Here, we show that despite ubiquitous overexpression of Golgi membrane protein (GOLM) 1 in prostate carcinomas, this protein has no functional relevance for the analyzed cancer cells. In contrast, knockdown of FOXA1 reduces in vitro tumorigenicity. Moreover, FOXA1 expression increases with prostate cancer progression and is associated with poor prognosis, especially in cases with low androgen receptor levels. Thus, we conclude that FOXA1 upregulation is a novel mechanism of castration-resistance for prostate cancer cells. Additionally, we reveal that CANT1 expression is already elevated in the precursor lesion prostatic intraepithelial neoplasia. In vitro experiments establish the secretion of CANT1 as well as the reduction of in vitro tumorigenicity accompanied by G1 cell cycle arrest upon CANT1 knockdown. Furthermore, induction of selected unfolded protein response target genes and enhancement of CANT1 mRNA expression upon stress induction in the endoplasmic reticulum (ER) are indicated. We thus propose that CANT1 is upregulated in prostate carcinomas to counteract tumor- associated ER stress. According to our model, this might be achieved by the interplay between soluble truncated CANT1, which prevents calcium release from the ER, and full- length CANT1, which regulates protein folding. Since knockdown of CANT1 heavily impaired proliferation of the hormone-independent cell line PC-3, which is a model for castration- resistant prostate carcinomas, CANT1 might be an interesting therapeutic target for this group of prostate carcinomas. Zusammenfassung Seit Beginn des prostata-spezifischen Antigen (PSA)-Screenings vor zwei Jahrzehnten ist die Zahl der Prostatakrebs-Verdachtsfälle deutlich angestiegen. Aufgrund der fehlenden Spezifität müssen Männer mit einem erhöhten PSA-Level biopsiert werden, um die Diagnose zu bestätigen. Zur Reduktion der unnötigen Entnahmen von Biopsien werden neue spezifische und nicht-invasive Biomarker benötigt, die die Prostatakrebsdiagnose vereinfachen. In der vorliegenden Arbeit schlagen wir Calcium-aktivierte Nukleotidase (CANT) 1 als neuen Serummarkerkandidaten für die weitere Evaluierung vor.
Als Folge der Serum-PSA-Messung ist auch die Zahl bestätigter Prostatakarzinomfälle gestiegen. Dabei werden hauptsächlich mehr insignifikante Karzinome detektiert, die niemals das Leben der Patienten beeinträchtigt hätten. Daher ist die Überbehandlung dieser Fälle und die therapieinduzierte Morbidität ein großes Thema im klinischen Management von Prostatakrebs. In dieser Studie identifizieren wir zwei potentielle prognostische Biomarker zur Vorhersage des Rezidivrisikos. Dieses Risiko ist in Patienten, deren Prostatektomie- präparate sehr hohe CANT1-Proteinmengen aufweisen, reduziert. Es wird gezeigt, dass CANT1 unter Anwendung des histochemischen Scores für die Quantifizierung von CANT1- Proteinmengen ein unabhängiger prognostischer Biomarker ist. Im Gegensatz dazu ist eine starke Expression von Forkhead Box (FOX) A1 prognostisch ungünstig. Da ein idealer prognostischer Marker an Proben, die vor der ersten Behandlung entnommen wurden, angewendet werden sollte, wird die Analyse von beiden immunhistochemischen Markern in großen Biopsiekohorten empfohlen.
Sobald ein Rezidiv des Tumors auftritt, ist die Progression zur Kastrationsresistenz sehr wahrscheinlich. Die weitere Aufklärung der darunterliegenden Mechanismen ist notwendig, um die Entwicklung lebensverlängernder Therapien für diese Patienten voranzutreiben. Hier zeigen wir, dass Golgimembranprotein (GOLM) 1 trotz ubiquitärer Überexpression in Prostatakarzinomen keine funktionelle Relevanz für die analysierten Krebszellen hat. Im Gegensatz dazu reduziert die Herunterregulierung von FOXA1 die in vitro-Tumorigenität. Darüber hinaus steigt die Expression von FOXA1 mit der Progression des Prostatakarzinoms und ist mit einer schlechten Prognose assoziiert, besonders in Fällen mit niedrigen Androgenrezeptormengen. Daher schlussfolgern wir, dass FOXA1-Aufregulation einen neuartigen Mechanismus der Kastrationsresistenz von Prostatakrebszellen darstellt. Zusätzlich weisen wir eine erhöhte CANT1-Expression schon in der Vorläuferläsion der prostatischen intraepithelialen Neoplasie nach. In vitro-Experimente zeigen die Sekretion von CANT1 sowie eine Reduktion der in vitro-Tumorigenität nach CANT1-Herunterregulierung, die von einem G1-Zellzyklusarrest begleitet wird. Weiterhin deutet sich eine Induktion von ausgewählten Zielgenen der sogenannten „unfolded protein response“ sowie eine Verstärkung der CANT1-mRNA-Expression nach Stressinduktion im endoplasmatischen Retikulum (ER) an. Daher postulieren wir, dass CANT1 in Prostatakarzinomen aufreguliert ist, um dem tumorassoziierten ER-Stress entgegenzuwirken. Unserem Modell zufolge könnte dies erreicht werden durch ein Zusammenspiel zwischen löslichem abgespaltenem CANT1, welches die Calcium-Freisetzung im ER verhindert, und membranverankertem CANT1, welches die Proteinfaltung reguliert. Da die Herunterregulierung von CANT1 die Proliferation der hormonunabhängigen Zelllinie PC-3, welche als Modell für kastrationsresistente Prostatakarzinome gilt, sehr stark beeinträchtigt, könnte CANT1 ein interessantes therapeutisches Zielprotein für diese Gruppe von Prostatakarzinomen sein.

Abstract

With the onset of prostate-specific antigen (PSA) screening two decades ago the number of prostate cancer suspicious cases has markedly increased. Due to the lack of specificity men with elevated PSA levels need to be biopsied to confirm the diagnosis. In order to reduce the number of the unnecessary taking of biopsies, new specific and non-invasive biomarkers are required to facilitate prostate cancer diagnosis. Here, we suggest calcium-activated nucleotidase (CANT) 1 as a novel serum marker candidate for further validation.
As a result of serum PSA measurement, also the number of confirmed prostate cancer cases has risen. Especially more insignificant carcinomas are detected, which would never have affected the patients’ life. Thus, overtreatment of these cases and the therapy-induced morbidity is a big issue in clinical prostate cancer management. Within this study, we identify two potential prognostic biomarkers to predict the risk of disease recurrence. This risk is reduced in patients with very high CANT1 protein levels in their prostatectomy specimens. Applying the histochemical score to quantify CANT1 protein levels, CANT1 is shown to be an independent prognostic biomarker. In contrast, strong forkhead box (FOX) A1 expression is prognostically unfavourable. Since an ideal prognostic marker should be applied to pre- treatment samples, analysis of both immunohistochemical markers in large biopsy cohorts is strongly recommended.
Once the tumor has recurred, progression to castration-resistance is likely. Further elucidation of the underlying mechanisms is necessary to progress in the development of life- prolonging therapies for these patients. Here, we show that despite ubiquitous overexpression of Golgi membrane protein (GOLM) 1 in prostate carcinomas, this protein has no functional relevance for the analyzed cancer cells. In contrast, knockdown of FOXA1 reduces in vitro tumorigenicity. Moreover, FOXA1 expression increases with prostate cancer progression and is associated with poor prognosis, especially in cases with low androgen receptor levels. Thus, we conclude that FOXA1 upregulation is a novel mechanism of castration-resistance for prostate cancer cells. Additionally, we reveal that CANT1 expression is already elevated in the precursor lesion prostatic intraepithelial neoplasia. In vitro experiments establish the secretion of CANT1 as well as the reduction of in vitro tumorigenicity accompanied by G1 cell cycle arrest upon CANT1 knockdown. Furthermore, induction of selected unfolded protein response target genes and enhancement of CANT1 mRNA expression upon stress induction in the endoplasmic reticulum (ER) are indicated. We thus propose that CANT1 is upregulated in prostate carcinomas to counteract tumor- associated ER stress. According to our model, this might be achieved by the interplay between soluble truncated CANT1, which prevents calcium release from the ER, and full- length CANT1, which regulates protein folding. Since knockdown of CANT1 heavily impaired proliferation of the hormone-independent cell line PC-3, which is a model for castration- resistant prostate carcinomas, CANT1 might be an interesting therapeutic target for this group of prostate carcinomas. Zusammenfassung Seit Beginn des prostata-spezifischen Antigen (PSA)-Screenings vor zwei Jahrzehnten ist die Zahl der Prostatakrebs-Verdachtsfälle deutlich angestiegen. Aufgrund der fehlenden Spezifität müssen Männer mit einem erhöhten PSA-Level biopsiert werden, um die Diagnose zu bestätigen. Zur Reduktion der unnötigen Entnahmen von Biopsien werden neue spezifische und nicht-invasive Biomarker benötigt, die die Prostatakrebsdiagnose vereinfachen. In der vorliegenden Arbeit schlagen wir Calcium-aktivierte Nukleotidase (CANT) 1 als neuen Serummarkerkandidaten für die weitere Evaluierung vor.
Als Folge der Serum-PSA-Messung ist auch die Zahl bestätigter Prostatakarzinomfälle gestiegen. Dabei werden hauptsächlich mehr insignifikante Karzinome detektiert, die niemals das Leben der Patienten beeinträchtigt hätten. Daher ist die Überbehandlung dieser Fälle und die therapieinduzierte Morbidität ein großes Thema im klinischen Management von Prostatakrebs. In dieser Studie identifizieren wir zwei potentielle prognostische Biomarker zur Vorhersage des Rezidivrisikos. Dieses Risiko ist in Patienten, deren Prostatektomie- präparate sehr hohe CANT1-Proteinmengen aufweisen, reduziert. Es wird gezeigt, dass CANT1 unter Anwendung des histochemischen Scores für die Quantifizierung von CANT1- Proteinmengen ein unabhängiger prognostischer Biomarker ist. Im Gegensatz dazu ist eine starke Expression von Forkhead Box (FOX) A1 prognostisch ungünstig. Da ein idealer prognostischer Marker an Proben, die vor der ersten Behandlung entnommen wurden, angewendet werden sollte, wird die Analyse von beiden immunhistochemischen Markern in großen Biopsiekohorten empfohlen.
Sobald ein Rezidiv des Tumors auftritt, ist die Progression zur Kastrationsresistenz sehr wahrscheinlich. Die weitere Aufklärung der darunterliegenden Mechanismen ist notwendig, um die Entwicklung lebensverlängernder Therapien für diese Patienten voranzutreiben. Hier zeigen wir, dass Golgimembranprotein (GOLM) 1 trotz ubiquitärer Überexpression in Prostatakarzinomen keine funktionelle Relevanz für die analysierten Krebszellen hat. Im Gegensatz dazu reduziert die Herunterregulierung von FOXA1 die in vitro-Tumorigenität. Darüber hinaus steigt die Expression von FOXA1 mit der Progression des Prostatakarzinoms und ist mit einer schlechten Prognose assoziiert, besonders in Fällen mit niedrigen Androgenrezeptormengen. Daher schlussfolgern wir, dass FOXA1-Aufregulation einen neuartigen Mechanismus der Kastrationsresistenz von Prostatakrebszellen darstellt. Zusätzlich weisen wir eine erhöhte CANT1-Expression schon in der Vorläuferläsion der prostatischen intraepithelialen Neoplasie nach. In vitro-Experimente zeigen die Sekretion von CANT1 sowie eine Reduktion der in vitro-Tumorigenität nach CANT1-Herunterregulierung, die von einem G1-Zellzyklusarrest begleitet wird. Weiterhin deutet sich eine Induktion von ausgewählten Zielgenen der sogenannten „unfolded protein response“ sowie eine Verstärkung der CANT1-mRNA-Expression nach Stressinduktion im endoplasmatischen Retikulum (ER) an. Daher postulieren wir, dass CANT1 in Prostatakarzinomen aufreguliert ist, um dem tumorassoziierten ER-Stress entgegenzuwirken. Unserem Modell zufolge könnte dies erreicht werden durch ein Zusammenspiel zwischen löslichem abgespaltenem CANT1, welches die Calcium-Freisetzung im ER verhindert, und membranverankertem CANT1, welches die Proteinfaltung reguliert. Da die Herunterregulierung von CANT1 die Proliferation der hormonunabhängigen Zelllinie PC-3, welche als Modell für kastrationsresistente Prostatakarzinome gilt, sehr stark beeinträchtigt, könnte CANT1 ein interessantes therapeutisches Zielprotein für diese Gruppe von Prostatakarzinomen sein.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Wenger Roland H, Kristiansen Glen, Becher Burkhard
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2011
Deposited On:24 May 2019 13:30
Last Modified:07 Apr 2020 07:16
Number of Pages:145
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod006954749&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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