Identification and functional analysis of molecular mechanisms involved in the latency of ER positive breast cancer

Abstract

Breast cancer is the most frequently diagnosed cancer and remains the second leading cause of death among women in Europe and United States. In this malignancy, metastasis remains to be an incurable condition, and therefore the major cause of death. Metastatic lesions can appear within a wide time ranging from months to years or decades after primary tumor resection. In particular, in the estrogen receptor (ER) positive breast cancer subgroup metastatic latency continues to be a major challenge for the researchers, clinicians and patients.

This thesis reports the identification and functional analysis of molecular mechanisms involved in the latency of ER positive breast cancer. For that purpose we based our research on a comprehensive approach that relies on genetically engineered human breast cancer cells, experimental mouse models, unbiased whole- genome screen and clinical data. The first part of the thesis describes a novel mouse model of breast cancer dormancy. We showed that metastatic cells home the bone and enter the latency phase as micrometastatic lesions where tumor growth is restricted mainly due to the equilibrated ratios of cell proliferation and cell death. This experimental mouse model was used to identify genes relevant for long- latent relapse. To this end, we performed in vivo loss-of- function shRNA screening. In the screening we challenged a whole-genome library of shRNA to uncover genes whose depletion negatively regulates dormancy. Among the candidate genes revealed by the screen we focused on MSK1 as a long-latent metastasis regulator. The in vivo and in vitro validation results indicate that MSK1 plays a role in homing and differentiation of metastatic cells. We showed that MSK1 promotes the expression luminal transcription factors - FOXA1 and GATA-3. Therefore, MSK1 depletion is beneficial for metastatic cells leading to a partial phenotype shift towards a more aggressive and poorly differentiated basal population. Furthermore, our data suggest that MSK1 may be involved in metastatic cell plasticity by remodeling the chromatin. Importantly, low MSK1 gene expression levels associate with early metastasis in ER positive breast cancer.

El cáncer de mama es el tipo de cáncer más frecuentemente diagnosticado, siendo la segunda causa de muerte entre las mujeres de Europa y Estados Unidos. En esta enfermedad, la metástasis sigue siendo incurable, y por ello es la principal causa de muerte. Las lesiones metastásicas pueden aparecer dentro de un amplio periodo de tiempo que va desde meses hasta años o incluso décadas después de la extirpación del tumor primario. Concretamente, en el subgrupo de cáncer de mama RE positivo, este largo periodo de latencia es el principal desafío para investigadores, médicos y pacientes.

En esta tesis se muestra la identificación y el análisis funcional de mecanismos moleculares implicados en la latencia del cáncer de mama RE positivo. Para este propósito, nuestros estudios se han llevado a cabo mediante una estrategia experimental basada en líneas celulares de cáncer de mama genéticamente modificadas, modelos experimentales de ratón, análisis global del genoma y datos clínicos. La primera parte de la tesis describe un novedoso modelo de ratón de dormancia de cáncer de mama. Observamos que, en nuestro modelo, las células metastásicas llegan al hueso y entran en una fase de latencia en forma de lesiones micrometastásicas en la que el crecimiento del tumor se ve impedido, principalmente debido a que la tasa de proliferación celular se iguala a la tasa de muerte celular. Este modelo experimental de ratón se usó para identificar genes relevantes en el proceso de latencia y por tanto en la recurrencia a largo plazo. Para ello, llevamos a cabo un análisis in vivo de pérdida de función con shRNA. En este análisis utilizamos una amplia librería de shRNA para descubrir genes cuya eliminación regula la dormancia de manera negativa. Entre los genes candidatos identificados en este análisis nos focalizamos en MSK1 como un regulador de la metástasis latente. La validación in vitro e in vivo indica que MSK1 juega un papel en el anidamiento y la diferenciación de las células metastásicas.