Protein dynamics in responder and non-responder solid tumor xenografts during oncolytic viral therapy

• Main Author: Le, Thu Ha
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2008
• Subjects: ddc:570
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/2697; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-32016; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-32016; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/2697/ThuHa_Le_Thesis.pdf

VACV GLV-1h68 was reported as a diagnostic/therapeutic vector which enters, replicates in, and reveals the locations of tumors in mice. Furthermore, the effect on tumor colonization, on tumor growth, regression and eradication by VACV GLV-1h68 without the need of any known genes with anti-tumoral activities was determined. To investigate differential protein expression between infected tumor cells and corresponding tumors, as well as between infected tumor cells, between infected tumors, proteomics is particularly used, possibly contributing to the understanding oncolytic ability on the protein level of VACV GLV-1h68. The given effects of VACV GLV-1h68 infection on cellular protein expression support tumor cell killing. In this study, differential protein expression was analyzed at different time points with two-dimensional gel electrophoresis (2DE) followed by MALDI-TOF/TOF identification. Comparative analysis of multiple 2-DE gels revealed that the majority of protein expression changes appeared at 48 hours post infection in cell cultivation and at 42 days post infection in tumors. Mass spectrometry identified 68, 75, 159 altered cellular proteins in the GI-101A, HT-29, PC-3 infected cells, respectively, including 30, 23, 49 up-regulated proteins and 38, 52, 110 down-regulated proteins 12 to 48 hours after infection. For xenografts, mass spectrometry identified 270, 101, 91 altered cellular proteins in the infected GI-101A, HT-29, PC-3 tumors, respectively, including 89, 70, 40 up-regulated proteins and 181, 31, 51 down-regulated proteins 7 to 42 days after infection. In general, in the cell lines, the proteins found to be differentially regulated are most often associated with metabolic processes, in particular with primary energy metabolism (glucose catabolism, TCA and lactate production). VAVC GLV 1h68 infection results in hijacking of the host translation apparatus, alteration of cytoskeleton networks, induce ubiqitin proteasome pathway (UPP) disorders. Particularly in tumors, the responses cover a much broader panel of cellular processes, including signalling (e.g., cell death), transport (in particular of iron ions) and migration. A common pathway to be up-regulated in both tumors and cell lines is the "unfolded protein response". Notably, VACV GLV-1h68 affected the anti-apoptosis pathways in GI-101A and PC-3 cancer cells but not in HT-29 xenografts. For example, GI-101A xenografts in mice appear 12 proteins associated with anti-apoptosis function. They were found down-regulated, including tumor protein-translationally-controlled (H-TPT1), rho-GDP-dissociation inhibitor alpha (H-GDIa), ywhaq protein (M-1433T), H-PRDX4, serine/threonine-protein phosphatase-2A-catalytic subunit beta isoform PP2A (M-Ppp2cb), eukaryotic translation initiation factor 2-subunit 1 alpha-35kDa (H-eIF2), H-actinin-α1 (ACTN1 ), Annexin A1 (H-A1), annexin A5 (H-A5), Mouse albumin 1 (M-Alb1), dimethylarginine dimethylaminohydrolase 2 (H-DDAH2). In PC-3 xenografts, anti-apoptosis expression is lesser than those in GI-101A cells, however 3 anti-apoptosis associated proteins were down-regulated such as ARP3 actin-related protein-3-homolog (H-ARP3), Human FLNA protein, Rho GDP dissociation inhibitor (GDI) alpha (H-GDIa). In contrast, in HT-29 xenografts, there are several anti-apoptosis-associated proteins that show even to be up-regulated; they mostly belong to peroxiredoxin proteins. Lesson from HT-29 had been given what various means the HT-29 cells use to escape their apoptosis fate. This suggests that VAVC GLV1h68 infection may induce unbalance of unfolded protein response (UPR) but tending to anti-apoptosis-mediated proteins and promote the destructive elements of UPR, including caspase-12 cleavage and apoptosis. Taken together in this thesis research I have tried to compare protein profiles obtained from responder cell line and from regressing solid tumors colonized by VAVC GLV-1h68 with that of non-responding tumors. I also compared these data with PC-3 prostate cell line and tumor data on intermediate responder which alter mouse protein profiling in tumors similarly to the highly efficacious GI-101A breast tumor cell line. From these comparisons I have deduced exciting protein pattern signature characteristic for a responder or distinctly different from non-responder system. Combining these few crucial genes involved with the transcriptional test data obtained by fellow graduate student at NIH a novel national designed VACV GLV-1h68 strains with enhanced efficacy in many today non-responder cancer cell lines will be available to be tested into ongoing clinical trials. === Es ist bekannt, dass sich VACV GLV-1h68 sowohl als diagnostischer als auch therapeutischer Vektor eignet, der sich in Tumoren ansiedelt, darin repliziert und dass mit dessen Hilfe die Lokalisation von Tumoren bestimmen werden kann. Weiterhin konnte bereits gezeigt werden, dass der Effekt von GLV-1h68 auf die Tumor-Kolonisierung, das Tumorwachstum, die -regression und -vernichtung zustande kommt, ohne dass irgendwelche bekannten Gene mit anti-tumoraler Aktivität dazu notwedig wären. Um die differentielle Proteinexpression vergleichend sowohl zwischen uninfizierten und infizierten Tumorzellen als auch zwischen den korrespondierenden uninfizierten und infizierten Tumoren zu untersuchen, wurden proteomische Methoden angewandt. Ziel dieser Arbeit war es, mehr über die onkolytische Fähigkeit von GLV-1h68 auf Proteinebene zu erfahren. Die dargestellten Effekte der VACV GLV-1h68 Infektion auf die zelluläre Proteinexpression legen eine selektive Vernichtung von Tumorzellen nahe. In dieser Arbeit wurde die differentielle zelluläre Proteinexpression zu verschiedenen Zeitpunkten nach Infektion mit Hilfe der zweidimensionalen Gelelektrophorese (2-DE) gefolgt von MALDI-TOF/TOF-Identifikation der Proteine analysiert. Die vergleichende Analyse mehrerer 2-DE Gele zeigte, dass sich das Proteinexpressionsmuster bei Zellen aus in vitro Kulturen 48 hpi dramatisch verändert. Bei Zellen aus solidem Tumorgewebe erfolgen 42 Tage nach Infektion ebenfalls derartige dramatische Veränderungen. Mittels Massenspektroskopie wurden in GI-101A-Zellen 68, in HT-29-Zellen 75 und in PC-3-Zellen 159 alteriert exprimierte zelluläre Proteine nach VACV-Infektion beobachtet. Davon werden 30, 23 bzw. 49 hochreguliert und 38, 52 bzw. 110 niederreguliert. Diese „up“- bzw. „down“-Regulation erfolgte zwischen 12 und 48 h nach Virusinfektion. In Virus-besiedelten Xenograft-Tumoren wurden mittels Massenspektroskopie in GI-101A-, HAT-29- bzw. PC-3-Tumoren 270, 101 bzw. 91 alteriert exprimierte Proteine festgestellt. Von diesen wurden zwischen 7 und 42 Tagen nach Infektion 89, 70 bzw. 40 „up“-reguliert und 181, 31 bzw. 51 „down“-reguliert. Interessanterweise sind die in den Zelllinien differentiell regulierten Proteine meist mit metabolischen Prozessen, besonders mit dem primären Energiemetabolismus wie Glucose-Katabolismus, Zitronensäurezyklus und der Milchsäure-Produktion assoziiert. Eine VACV GLV-1h68-Infektion generall führt zur Umfunktionierung des Wirts-Translationsapparates zur Synthese von Virusproteinen, zur Umgestaltung des Zytoskeletts und zur Derangierung des Ubiquitin-anhängigen Proteasom-Abauweges. Insbesondere in Virus-infizierten Tumor-Xenograften ist eine weitere Palette von zellulären Prozessen alteriert. Dies umfasst die Signaltransduktion (einschließlich derjenigen, die zum Zelltod führen), Transportprozesse (hier ist vor allem der Eisentransport betroffen) und die Zellmigration. Ein gemeinsamer Signalweg, der sowohl in Zelllinien als auch in den Tumoren hochreguliert ist, ist die „unfolded protein response (UPR)“. Bemerkenswerterweise beeinflusst die VACV GLV-1h68-Infektion die anti-apoptotischen Signalwege in GI-101A und PC-3-Zellen, deren korrespondierende Tumoren nach Virusinfektion eine Regression aufweisen (regressive Tumoren), nicht jedoch in HT-29-Xenograften, die nach Infektion nicht mit Regression reagieren (nicht-regressive Tumoren). So werden z.B. in Virus-infizierten GI-101A-Xenograften 12 Proteine mit Anti-Apoptose-Funktion vermindert exprimiert, darunter tumor protein-translationally-controlled (H-TPT1), rho-GDP-dissociation inhibitor alpha (H-GDIa), ywhaq protein (M-1433T), H-PRDX4, serin/theronin-protein phosphatase-2A-catalytic subunit beta isoform PP2A (M-Ppp2cb), eukaryotic translation initiation factor 2-subunit alpha-35kDA (H-eIF2), H-actinin-α1 (ACTN1), annexn A1 (H-A1), annexin A5 (H-A5), mouse albumin 1 (M-Alb1), dimethylarginine dimethylaminohydrolase 2 (H-DDAH2). In PC-3-Xenograften werden lediglich drei anti-apoptotisch aktive Proteine, ARP3 actin-related protein-3-homolog (H-ARP3), human FLNA protein und rho GDP dissociation inhibitor (GDI) alpha (H-GDIa), niederreguliert. Im Gegensatz dazu werden in den nicht-regressiven HT-29-Tumoren anti-apoptotische Proteine sogar verstärkt exprimiert. Diese gehören vor allem zu den Peroxiredoxin-Proteinen. Diese Erkenntnisse geben Hinweise darauf, mit welchen Mechanismen HT-29-Tumorzellen der Apoptose entgehen. Die Vaccinia-Virus-Infektion scheint vor allem die UPR und Anti-Apoptose-Proteine zu beeinflussen. Weitere Untersuchungen sind in Zukunft nötig, um im Detail herauszufinden, wie die VACV-Infektion die UPR in Tumorzellen induziert und ob einige Elemente der UPR möglicherweise neue Ansätze zu einer verbesserten Tumortherapie darstellen könnten.