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The Forkhead factor FoxQ1 influences epithelial plasticity and modulates TGF-beta1 signalling

Feuerborn, Alexander

German Title: Der Forkhead Faktor FoxQ1 beeinflusst die epitheliale Plastizität und moduliert die TGF-beta1 Signalwirkung

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Abstract

Cytokines belonging to the TGF-beta family ubiquitously participate in several cellular processes and elicit cell-context specific responses in various cell types. In recent years, attention has been drawn to understand the TGF-beta1-dependent signalling cascades which alter the differentiation state of epithelial cells, especially the de-differentiation of an epithelial cell into a mesenchymal-like cell type, also referred to as EMT (epithelial-mesenchymal transition). EMT-processes, characterized by the loss of E-cadherin expression, loss of cell-cell adhesion, and an enhanced cellular mobility have originally been described as developmental processes, essential for gastrulation and mesoderm development as well as the formation of migratory neural crest cells. Nowadays, regardless of the original description known from developmental biology, the term ‘EMT’ is used to describe several changes of epithelial cells into fibroblastoid-like cells. Partially, this is due to the use of equivocal markers that aim to define an EMT-process. Under pathological conditions, EMT-like processes have been proposed to result in organ fibrosis and to participate in cancer progression, though this is still a matter of intense scientific debate. Nevertheless, in-vitro as well as in-vivo studies of cytokine induced EMT-associated processes have critically contributed to the identification and characterization of factors that regulate cell plasticity and to a better understanding of the complex cytokine-induced changes in epithelial differentiation. In this work, using high-throughput microarray techniques, the Forkhead factor FoxQ1 was identified as transcriptionally induced in a TGF-beta1-responsive cell culture model of cytokine-induced EMT-like progression, suggesting a potential impact of FoxQ1 expression in the modulation of epithelial plasticity. Subsequent RNAi-based functional analyses revealed that FoxQ1 influences epithelial plasticity by affecting the arrangement of cytoskeletal proteins, the formation of cell-cell contacts, and junction protein expression (e.g. E-cadherin and Occludin). In addition, FoxQ1 was found to regulate cell proliferation by affecting the expression of Cyclin-dependent kinases and to modify the migratory capacity of epithelial cells. In relation to TGF-beta1 signalling, this work provides evidence that FoxQ1 is induced in a Smad4-independent manner and is a putative downstream target of the transcription factor Zeb1. Transient repression as well as stable overexpression of FoxQ1 remodelled TGF-beta1-dependent alterations of cell morphology and provided evidence that FoxQ1 is a potent mediator of TGF-beta1 signalling. Microarray-based gene expression analyses of TGF-beta1-induced epithelial cells with an impaired FoxQ1 induction indicates that FoxQ1 is a potent mediator of TGF-beta1-dependent gene expression changes, including the differential expression of transcription factors that have previously been linked to the regulation of epithelial plasticity and EMT-like progression.

Translation of abstract (German)

Zytokine der TGF-beta Familie sind wichtige Vermittler zahlreicher zellulärer Prozesse und agieren zelltyp-spezifisch. In den letzten Jahren wurde vor allem Gewicht auf das Verständnis von TGF-beta1 abhängigen Signalkaskaden gelegt, die die Differenzierung von Epithelzellen beeinflussen, insbesondere die De-differenzierung einer Epithelzelle in eine mesenchymal-ähnliche Zelle, ein Vorgang der auch als EMT (epithelial-mesenchymale Transdifferezierung) bezeichnet wird. EMT-Prozesse, die durch den Verlust der Expression von E-cadherin, den Verlust von Zelladhäsion und einer erhöhten zellulären Mobilität gekennzeichnet sind, wurden ursprünglich als entwicklungsbiologische Prozesse beschrieben, die unerlässlich für die Gastrulation und die Mesoderm-Entwicklung, als auch für die Ausbildung migrierender Zellen der Neuralleiste sind. Heute wird der Begriff ‚EMT’ vielfach verwendet, um verschiedenste Übergänge von Epithelzellen zu Fibroblasten-ähnlichen Zellen zu beschreiben. Dies ist teilweise auf die Verwendung von mehrdeutigen Markern zurückzuführen, die einen ‚EMT’-Prozess definieren sollen. Unter pathologischen Bedingungen sollen EMT-ähnliche Prozesse darüber hinaus an fibrotischen Veränderungen von Organen und dem Fortschreiten von Krebserkrankungen beteiligt sein. Dies ist wissenschaftlich nicht abschließend geklärt. Dennoch, in-vitro als auch in-vivo Studien über Zytokin-induzierte EMT-ähnliche Prozesse haben entscheidend zur Identifizierung und Charakterisierung von Faktoren beigetragen, die die Plastizität einer Zelle regulieren. Darüber hinaus haben jene Studien zu einem verbesserten Verständnis der komplizierten Zytokin-induzierten Vorgänge geführt, die die Differenzierung einer Epithelzelle beeinflussen. In dieser Arbeit wurde in einem TGF-beta1 sensitivem in-vitro EMT-Zellkultur-Modell mittels Hochdurchsatz-Mikroarray Technik der Forkhead-Faktor FoxQ1 als transkriptionell induziert identifiziert. Anschließende RNAi-basierte funktionelle Analysen ergaben, dass FoxQ1 die Plastizität von Epithelzellen beeinflusst und sowohl zu einer veränderten Anordnung zytoskeletaler Proteine, vermehrten Zell-Zell-Kontakten als auch einer verstärkten Expression von epithelialen ‚Junction’-Proteinen führt (z.B. E-cadherin und Occludin). Außerdem beeinflusst FoxQ1 sowohl die Zellproliferation, vermutlich über die Regulation Zyklin-abhängiger Kinasen, als auch die Migration epithelialer Zellen. In Bezug auf TGF-beta1 abhängige Signalkaskaden zeigt diese Arbeit, dass FoxQ1 unabhängig von Smad4 induziert wird und in seiner Expression vom Transkriptionsfaktor Zeb1 moduliert werden kann. Die transiente Repression, als auch die stabile Überexpression von FoxQ1 führten zu einer veränderten TGF-beta1-abhängigen Zellmorphologie und legt nahe, dass FoxQ1 ein bedeutender Vermittler der TGF-beta1 Signalkaskade ist. Mikroarray-basierte Analysen der Genexpression von TGF-beta1 induzierten Epithelzellen mit verhinderter FoxQ1-Induktion zeigten, dass FoxQ1 die Expression von TGF-beta1 Zielgenen wesentlich beeinflusst. Dazu zählen unter anderem Transkriptionsfaktoren, die bereits mit der Regulation epithelialer Plastizität, als auch EMT-ähnlichen Prozessen in Verbindung gebracht wurden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Angel, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 3. August 2010
Date Deposited: 12. Aug 2010 14:23
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Transforming Growth Factor beta 1
Uncontrolled Keywords: FoxQ1Transforming Growth Factor beta 1 , FoxQ1
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