Molecular mediators of breast cancer bone metastasis

• Main Author: Mourskaia, Anna
• Other Authors: Peter Siegel (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2013
• Subjects: Biology - Molecular
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=114138

Breast cancer is the most frequently diagnosed and the second leading cause of cancer deaths in Canadian women. The most devastating and deadly feature of the disease is the emergence of metastases. Breast cancer most commonly metastasizes to bone, often leading to a significantly decreased quality of life in affected patients. Despite progress in understanding the underlying molecular biology of breast tumors that relapse to bone, to date there are no therapies capable of curing the disease. Hence, it is essential to gain a more in-depth knowledge of the molecular mechanisms that underlie the emergence and growth of breast cancer skeletal metastases. Consequently, it was attempted to: 1) examine the efficacy of targeting a known pathway important for breast cancer metastasis to bone, 2) identify novel mediators of this process and 3) develop a stratification tool capable of identifying patients with breast cancer that possesses a high likelihood of spreading to bone. Transforming growth factor-beta (TGF-β) signaling is a potent modulator of the invasive and metastatic behavior of breast cancer cells. The work in this thesis demonstrates that expression of a TGF-β ligand trap, which neutralizes TGF-β1 and TGF-β3 in breast cancer cells, diminished their outgrowth in bone and reduced the severity of osteolytic lesion formation. It is further shown that a reduction or loss of host-derived TGF-β1 reduced the incidence of breast tumor outgrowth in the skeleton. Moreover, tumor cells capable of growing within the bone of a TGF-β1 deficient host up-regulated expression of all three TGF-β isoforms within the tumor cells themselves, effectively bypassing the host-deficiency. Next, a gene discovery approach was undertaken to identify novel candidate mediators of breast cancer skeletal metastasis. Invasive breast epithelium was selectively isolated by laser capture microdissection (LCM) performed on bone metastases and primary tumors from patients displaying breast cancer with subsequent recurrence to the skeleton. In this search, ABCC5 was found to be overexpressed in osseous metastases compared to primary mammary tumors metastatic to bone. Furthermore, this protein was detected at substantially higher levels in human and mouse breast cancer cells, which metastasize to bone in animal models. Importantly, removal of this protein from these cells resulted in their decreased ability to induce osteolytic bone lesions, which was correlated with a decreased recruitment of osteoclasts, cells responsible for the bone resorption process. Finally, the molecular changes occurring within the primary breast tumor were investigated in an attempt to identify a prognostic bone metastatic signature. Gene expression profiling was performed on estrogen receptor (ER)-positive primary breast tumors metastastatic to bone and breast cancers, which spread to soft tissue. A 25-gene signature was derived from the top 100 differentially expressed probes and was found to be capable of discriminating breast tumors metastatic to bone from cancers recurring to visceral sites in an independent gene expression dataset. === Le cancer du sein est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué et la deuxième cause de décès par cancer chez les femmes canadiennes. La caractéristique la plus dramatique et la plus mortelle de cette maladie est l'apparition de métastases. Le cancer du sein métastase le plus souvent au niveau des os, conduisant fréquemment à une qualité de la vie sensiblement diminuée chez les patients atteints. Malgré les progrès réalisés dans la compréhension de la biologie moléculaire sous-jacente des tumeurs du sein qui colonisent l'os, il n'existe, à ce jour, aucun traitement capable de guérir cette affection. Il est ainsi primordial d'acquérir une connaissance plus approfondie des mécanismes moléculaires qui sont à l'origine de l'émergence et de la croissance des métastases du cancer du sein au niveau du squelette. Par conséquent, il fut envisagé: d'examiner l'efficacité du ciblage d'une voie connue, importante pour que le cancer du sein puisse métastaser au niveau de l'os; d'identifier les nouveaux médiateurs de ce processus et de développer un outil de discrimination capable d'identifier les patients atteints d'un cancer du sein qui possède une forte probabilité de dissémination à l'os. La voie de signalisation du facteur de croissance transformant bêta (TGF-β) est un puissant modulateur du comportement invasif et métastatique des cellules cancéreuses du sein. Le travail présenté dans cette thèse démontre que l'expression d'une molécule leurre du ligand du TGF-β, qui neutralise le TGF-β1 et le TGF-β3 dans les cellules cancéreuses du sein, réduit leur développement dans les os et ainsi que la gravité de la formation des lésions ostéolytiques. Il est également démontré qu'une réduction, ou une perte, de l'hôte dérivé du TGF-β1 réduit la fréquence d'apparition d'une excroissance de la tumeur mammaire au niveau du squelette. Par ailleurs, les cellules tumorales capables de croître au sein d'un tissu osseux hôte déficient en TGF-β1 ont montré une augmentation de l'expression des trois isoformes du TGF-β dans les cellules tumorales elles-mêmes, court-circuitant ainsi efficacement cette carence de l'hôte. Une approche de découverte de gènes a été ensuite entreprise pour identifier des nouveaux médiateurs candidats des métastases squelettiques des cancers du sein. L'épithélium invasif du sein a été sélectivement isolé par microdissection à capture laser (LCM), et ceci a été réalisé sur les métastases osseuses et des tumeurs primaires de patientes présentant un cancer du sein avec récidive ultérieure au niveau du squelette. Dans cette recherche, ABCC5 fut montré comme étant surexprimé dans les métastases osseuses, par rapport à des tumeurs primaires mammaires métastasant au niveau l'os. De plus, cette protéine a été détectée à des niveaux nettement plus élevés dans des cellules cancéreuses mammaires d'origine humaine et murine qui métastasent dans l'os dans des modèles animaux. Une autre donnée importante fut que la suppression de cette protéine dans les cellules concernées conduisit à une réduction de leur capacité à induire des lésions osseuses ostéolytiques, ce qui fut corrélée avec une diminution du recrutement d'ostéoclastes, les cellules responsables du processus de résorption osseuse. Pour terminer, les changements moléculaires qui se produisent au sein de la tumeur primaire du sein ont été étudiées dans le but d'identifier une signature pronostiquant des métastases osseuses. Un profilage de l'expression génique a été réalisé sur les tumeurs mammaires primaires positives pour le récepteur aux œstrogènes (ER) et métastasant à l'os mais aussi sur les cancers mammaires, qui se propagent aux tissus mous. Une signature de 25 gènes a été sélectionnée à partir des 100 meilleures sondes exprimées différentiellement et a montré sa capacité à discriminer d'un coté les tumeurs du sein métastasant à l'os et de l'autre les cancers récurrents sur des sites viscéraux et ceci à partir d'un ensemble de données sur l'expression de gènes indépendants.