German Title: Analyse der High-mobility Group A Proteine in nichtalkoholischer Steatohepatitis (NASH) und Leberkrebs

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Abstract

Liver cancer is the sixth most common type of cancer worldwide and the second leading cause of cancer-related death. Despite the improved management of viral-induced liver cancer, the number of patients is increasing due to the rising incidence of nonalcoholic steatohepatitis (NASH) and NASH-HCC. Since curative treatments are limited, the therapy goal is the prolongation of life span, while maintaining the quality of life. Therefore, it is of high priority to understand the underlying molecular mechanisms and the contribution of genes involved in prolonging or shortening the life span. Bulk tissue expression analysis has revealed, that expression of HMGAs on mRNA level correlates with poor survival in a variety of solid tumors including HCC and CCA. High mobility group A proteins function as architectural transcription factors by binding to the AT-rich regions in the minor groove of DNA. They transcriptionally regulate proteins that are linked to cell cycle control, DNA repair, and epithelial-mesenchymal transition. However, a spatially and temporarily resolved expression analysis in liver cancer taking into account different subtypes and etiologies was still missing. Here I show that in liver cancers, HMGAs are expressed in different cell types (parenchymal/non-parenchymal) and subcellular localizations (cytoplasm/nuclear). In HCCs elevated mRNA levels of HMGAs are mainly expressed at advanced tumor stages. Elevated expression is associated with increased proliferation, the presence of liver progenitor cells, and immunosuppression. In iCCAs elevated mRNA levels of HMGAs are expressed irrespective of the tumor stage. In preclinical liver cancer models elevated expression of HMGAs was found in advanced-stage tumors driven by distinct tumor driver combinations. More important, in diet-induced NASH-HCC expression of HMGAs could not be detected. Functional analysis of the contribution of HMGAs by genetic gain and loss of function studies in preclinical mouse models reveal that HMGAs contribute to cancer progression only within a certain context. I found that HMGA2 loss in hepatocytes delays NASH to HCC transition in a western diet model, and has no significant impact on liver metabolism or inflammation during NASH development. The ectopic expression of HMGAs alone is not sufficient to initiate liver neoplasias, while ectopic expression of HMGAs in the myr-AKT1/NICD1 mouse model for iCCA accelerates tumor progression. In mixed HCC/iCCA Trp53KO/KRASG12D-driven liver tumors, the loss of HMGAs has no significant effect on tumor progression. In summary, (1) HMGAs show distinct but complex spatially and temporally differentiated expression patterns in liver cancer, (2) a context-dependent mode of action and lack antitumorigenic effect upon HMGA depletion. Thus, targeting HMGAs is most likely not a promising future strategy to prolong the survival of liver cancer patients. However, the FDA-approved minor groove binding agent trabectedin acts antitumorigenic by impairing HMGA function, but also via other mechanisms. Here I report that trabectedin treatment reduces tumor growth and prolongs survival in the mixed HCC/iCCA model Trp53KO/KRASG12D, and the iCCA model myr-AKT1/NICD1, but not the HCC model Trp53KO/cMyc. Mechanistically, I found that trabectedin directly targets tumor cells by reducing proliferation by transcriptionally downregulating gene sets involved in oncogenic signaling. Moreover, trabectedin modulates the tumor microenvironment, enabling T-cell infiltration of treated tumors. The antitumorigenic effect of trabectedin monotherapy implies that trabectedin could be a promising complementary component to improve iCCA therapy. Future research is needed to further understand the molecular mechanisms of trabectedin in liver cancer, and to identify synergistically or additively acting therapies.

Translation of abstract (German)

Leberkrebs ist die sechsthäufigste Krebserkrankung und die zweithäufigste mit Krebs in Verbindung stehende Todesursache. Trotz der verbesserten Behandlung von virusbedingtem Leberkrebs steigt die Zahl der Patienten aufgrund der zunehmenden Inzidenz von nichtalkoholischer steatohepatitis (NASH) und NASH-HCC. Da kurative Behandlungen nur begrenzt möglich sind, besteht das Therapieziel in der Verlängerung der Lebensspanne bei gleichzeitiger Erhaltung der Lebensqualität. Daher ist es von hoher Priorität, die zugrunde liegenden Mechanismen verstehen, wie Gene zur Verlängerung oder Verkürzung der Lebensspanne beitragen. Die Expression von HMGAs auf mRNA-Ebene ist in mehreren festen Tumorarten einschließlich HCC und CCA mit einer verkürzten Überlebenszeit assoziiert. High-mobility Group A Proteine wirken als architektonische Transkriptionsfaktoren, indem sie an AT-reiche Regionen in der kleinen Furche der DNA binden. Sie regulieren die Transkription von Proteinen, die an der Zellzyklus-Kontrolle, DNA-Reparatur und der epithelialen-mesenchymalen Transition beteiligt sind. Eine räumlich und zeitlich aufgelöste Expressionanalyse unter Berücksichtigung verschiedener Leberkrebs-Subtypen und Ätiologien stand jedoch noch aus. Hier zeige ich, dass HMGAs in Leberkrebs in unterschiedlichen Zelltypen und subzellulären Lokalisationen vorkommen. In HCCs werden erhöhte HMGA-Level vor allem zu späten Tumorstadien detektiert. Dies ist verbunden mit einer erhöhter Proliferation, dem Vorhandensein von Leber-Vorläuferzellen und Immunsuppression. In CCAs werden erhöhte mRNA-Level unabhängig vom Tumorstadium exprimiert. In präklinischen Leberkrebsmodellen habe ich erhöhte HMGA-Level in genetisch angetriebenen Lebertumoren in späten Tumorstadien gefunden, die durch bestimmte Onkogen-Kombinationen angetrieben werden, jedoch nicht durch Diät induzierte NASH-HCCs. Meine funktionellen Analysen durch genetische Funktionsgewinn und -verlust Studien in präklinischen Mausmodellen zeigen, dass HMGAs in einem bestimmten Kontext zur Tumorprogression beitragen. Der HMGA2 Verlust in Hepatozyten verzögert zwar den Übergang von NASH zu NASH-HCC, hat aber keinen signifikanten Einfluss auf den Metabolismus oder Entzündungsprozesse während der NASH Entstehung. Die ektopische Expression von HMGAs allein ist nicht ausreichend, um Neoplasien in der Leber zu erzeugen. Die zusätzliche Expression von HMGAs im myr-AKT1/NICD1 Modell wirkt verstärkend auf die Tumorprogression. Dennoch ist der Verlust von HMGAs in Hepatozyten unzureichend, um die Tumorprogression im Trp53KO/KRASG12D-Modell zu hemmen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass (1) HMGAs ein komplexes räumlich und zeitlich differenziertes Expressionsmuster bei Leberkrebs aufweisen, (2) eine kontextabhängige Wirkungsweise haben und bei einer HMGA-Depletion keine antitumorigene Wirkung zeigen. Daher ist die gezielte Hemmung von HMGAs höchstwahrscheinlich keine vielversprechende zukünftige Strategie zur Verlängerung der Überlebenszeit von Leberkrebspatienten. Der von der FDA zugelassene „Minor groove bindende“ Wirkstoff Trabectedin wirkt antitumorös indem er die HMGA-Funktion beeinträchtigt, aber auch über andere Mechanismen. Hier demonstriere ich, dass Trabectedin die Überlebenszeit im gemischten HCC/iCCA Modell Trp53KO/KRASG12D und dem iCCA-Modell myr-AKT1/NICD1 verlängert, aber nicht im HCC Modell Trp53KO/cMyc. Mechanistisch habe ich beobachtet, dass Trabectedin Tumorzellen direkt angreift und deren Proliferation durch transkriptionelle Herunterregulation von Gensets, die an onkogenen Signalwegen beteiligt sind, reduziert. Zusätzlich moduliert Trabectedin die Tumormikroumgebung und ermöglicht es, dass mehr T-Zellen behandelte Tumore infiltrieren. Der antitumorigene Effekt der Trabectedin Monotherapie zeigt, dass Trabectedin ein wichtiges komplementäres Therapeutikum in der Behandlung von iCCAs darstellen könnte. Weitere Nachforschungen sind nötig, um die molekularen Mechanismen von Trabectedin in Leberkrebs besser zu verstehen und um synergistisch oder additiv wirkende Therapien zu finden.