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Regulation of estrogen responsive genes by human Estrogen Receptor alpha

Bretschneider, Nancy

German Title: Regulation östrogen-modulierter Gene durch den Östrogenrezeptor alpha

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Abstract

In women, breast cancer is the most common cancer and accounts for most cancer deaths. The molecular mechanisms underlying this pathology are diverse and contribute to the complexity of the disease. Early diagnosis and detailed molecular characterization of tumours significantly increase the prognosis for the patients. A limited number of breast cancer markers are already used for diagnosis, characterization, and determination of the most promising therapy of breast cancer tumours. Although new therapeutic approaches such as herceptin antibodies are now available on the market, new markers that are specific for a subset of breast cancer patients are urgently needed. A major criterion in breast cancer diagnosis is the presence of the estrogen receptor alpha (ERα) which is associated with better prognosis and often sensitivity to anti-estrogen therapy. ERα is a ligand-inducible transcription factor that modulates expression of estrogen responsive target genes involved in both, physiological and pathological conditions such as breast cancer. Despite the complexity of the regulatory mechanisms, a variety of mechanisms resulting in transcriptional activation of target genes have been characterised. Although about 50 % of estrogen-responsive genes are repressed in response to estrogen treatment, the mechanisms underlying this regulation are just beginning to be discovered. This thesis aimed to study expression and regulation of the breast cancer and salivary gland expression gene (BASE). The evaluation of this gene was interesting for two reasons: firstly, its expression is strongly repressed by estrogen suggesting involvement of ERα, and secondly, previous studies indicate that the expression of this putative secreted protein is restricted to breast cancer cells and salivary gland. Therefore, BASE has the potential to function as a new breast cancer marker. One major finding of this study is the strong separation of expression and regulation of BASE. Expression of the gene is depending on the transcription factor FoxA1, which binds in a regulatory region about 2 kb upstream of the transcription start site. Although essential for expression, FoxA1 has no function in BASE regulation. Furthermore, this study shows that the BASE gene is rapidly repressed after estrogen-treatment and that ERα is required for this regulation. ERα can bind the BASE promoter in the same regulatory region as FoxA1, however, direct binding seems not to be a critical prerequisite. Based on the data obtained in this study, two molecular models for the mechanism of repression are proposed. Furthermore, analysis of normal and primary breast tumour samples in collaboration with M. Kerins group in Galway confirmed BASE expression in about 50 % of the samples. Therefore, BASE remains an interesting candidate as breast cancer marker. In a side project investigating the mechanism of estrogen mediated activation of target genes, the CTSD gene has been further characterized. Besides the well characterized proximal promoter, the functionality of two further ERα binding sites, located 9 kb and 33 kb upstream of the transcription start site, have been reported. This study confirmed binding of ERα and PolII to the 9 kb upstream enhancer and moreover, the ability of this site to convey estrogen-stimulation was confirmed. Whether the enhancer requires physical interaction with the proximal promoter to enable transcriptional activation remains to be further examined.

Translation of abstract (German)

Brustkrebs ist die häufigste Krebsart bei Frauen und verursacht die meisten krebsbedingten Todesfälle. Die molekularen Mechanismen dieser Krankheit sind vielschichtig und tragen zur Komplexität der Krankheit bei. Eine frühzeitige Diagnose und genaue Charakterisierung des Tumors verbessert die Prognose für die Patientin erheblich. Eine begrenzte Zahl von Brustkrebsmarkern wird bereits zur Diagnose, Charakterisierung und Bestimmung der vielversprechendsten Therapie herangezogen. Und obwohl neue Therapieansätze, wie zum Beispiel Herceptin-Antikörper, zur Verfügung stehen, besteht dringender Bedarf an weiteren, krebsspezifischen Markern. Ein Hauptkriterium für die Beurteilung eines Tumors ist das Vorhandensein des Östrogenrezeptors alpha (ERα). Patientinen mit ERα-positiven Tumoren haben eine bessere Prognose, da diese Tumore weniger aggressiv sind und oft auf die Anti-Östrogen Therapie ansprechen. ERα ist ein Östrogen-induzierbarer Transkriptionsfaktor, der die Expression von Östrogen-sensitiven Genen moduliert. Diese Gene spielen unter normalen physiologischen aber auch unter pathologischen Bedingungen, wie beispielsweise Brustkrebs, eine Rolle. Obwohl die Regulationsmechanismen sehr komplex sind, konnten verschiedene aktivierende Mechanismen identifiziert werden. Die Mechanismen der Genrepression werden erst langsam aufgedeckt, wenngleich etwa 50 % der Östrogen-sensitiven Gene reprimiert werden. Das Ziel dieser Promotionsarbeit bestand in der Untersuchung der Expression und Regulation des BASE Genes (Brustkrebs und Speicheldrüsen exprimiertes Gen). Die Untersuchung dieses Genes war aus zwei Gründen interessant: Erstens, seine Expression wird durch Östrogen stark unterdrückt, was auf eine Beteiligung des ERα bei der Regulation hinweist. Und zweitens deutet eine vorausgehende Studie darauf hin, dass dieses Gen hauptsächlich in Brustkrebszellen und der Speicheldrüse exprimiert wird. Damit könnte BASE eventuell als neuer Brustkrebsmarker fungieren. Eine Haupterkenntnis dieser Arbeit ist die strikte Trennung von Expression und Regulation von BASE. Während der Transkriptionsfaktor FoxA1 für die Expression unentbehrlich ist, spielt dieser in der Regulation keine Rolle. Diese Studie zeigt weiterhin, dass das BASE Gen in Abhänigkeit von ERα sehr schnell durch Östrogen reprimiert wird. Die direkte Bindung von ERα an die DNS scheint dabei nicht notwendig zu sein. Es ist denkbar, dass ERα auch über Protein-Protein-Interaktionen zum BASE Promoter rekrutiert wird. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Arbeit werden zwei Modelle für den Repressionsmechanismus von Östrogen am BASE Gen vorgeschlagen. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. M. Kerin (Galway, Irland) wurden Brustgewebeproben auf die Expression von BASE untersucht. Etwa 50 % der Proben waren postiv für BASE mRNA. Obwohl sehr geringe Mengen von BASE mRNA auch in nicht Tumorproben nachgewiesen werden konnte, bleibt BASE weiterhin ein interessanter Kandidat für einen neuen Brustkrebsmarker, da das Expressionlevel in gesundem Gewebe etwa 30-fach niedriger ist als in den Tumorproben. In einem Nebenprojekt wurde die Aktivierung von Genen durch Östrogen am Beispiel von Cathepsin D untersucht. Neben dem schon sehr gut charakterisierten proximalen Promoter wurden in früheren Studien bereits zwei weitere Bindestellen für ERα, 9 kb und 33 kb vom Transkriptionsstart entfernt, identifiziert. Diese Arbeit bestätigt die Bindung von ERα und DNS Polymerase II an das 9 kb entfernte Motif und dessen Fähigkeit, die Stimulation durch Östrogen zu vermitteln. Ob für die transkriptionelle Aktivierung eine physische Interaktion zwischen dem proximalen Promoter und dem ERα bindenden Motif notwendig ist, wird zur Zeit noch untersucht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Ladurner, Dr. Andreas,
Date of thesis defense: 10 July 2007
Date Deposited: 18 Jul 2007 07:26
Date: 2007
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Genregulation, Östrogenrezeptor
Uncontrolled Keywords: gene regulation , estrogen receptor alpha
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