Chromatin remodeling in neuroblastoma: BAF complex links epigenetics to metastasis

Abstract

La programació epigenètica de les cèl·lules durant el desenvolupament embrionari és essencial per a la determinació i manteniment dels diferents llinatges cel·lulars i la homeòstasi tissular. Els tumors embrionaris s’originen a partir d’alteracions moleculars durant etapes del desenvolupament que resulten en programes transcripcionals aberrants controlats per perfils epigenètics alterats. En el cas del neuroblastoma, progenitors de la cresta neural destinats a convertir-se en cèl·lules del sistema nerviós simpàtic bloquegen de forma aberrant el seu curs natural de diferenciació i inicien un procés neoplàsic que condueix a una malaltia oncològica pediàtrica potencialment agressiva i metastàtica. Per això, l’estudi dels reguladors epigenètics que determinen, interpreten o executen aquestes xarxes d’expressió gènica oncogèniques és crucial per a comprendre per complet el comportament d’aquest tipus de tumors, així com per a desenvolupar noves teràpies basades en l’epigenètica. En aquesta tesi doctoral es presenta una anàlisi sistemàtic i funcional del complex remodelador de la cromatina depenent d’ATP mSWI/SNF en cèl·lules de neuroblastoma. Aquest remodelador de la cromatina actua a nivell genòmic traduint senyals epigenètiques a estats oberts de la cromatina, facilitant la interacció de factors de transcripció i altres proteïnes reguladores amb l’ADN. Les cèl·lules de neuroblastoma contenen els tres principals subtipus de complexes mSWI/SNF, però només el complex BAF és rellevant per a la seva proliferació. La disrupció del complex BAF mitjançant el silenciament de les subunitats clau i específiques ARID1A i ARID1B produeix una reprogramació transcripcional en aquestes cèl·lules que afecta a gens relacionats amb la progressió del cicle cel·lular i amb el procés de metàstasi. La interrupció de l’assemblatge d’aquest complex produeix un fort bloqueig del cicle cel·lular així com a una reducció de l’adhesió a la matriu extracel·lular i capacitat d’invasió in vitro, a més de reduir dràsticament la formació de metàstasis in vivo, estenent la supervivència de models murins de neuroblastoma metastàtic. Per últim, una anàlisi de susceptibilitat d’unió a fàrmacs i un posterior cribratge virtual de molècules es va portar a terme sobre l’estructura d’ARID1A, identificant molècules candidates per a la disrupció farmacològica del complex BAF mitjançant la inhibició d’interaccions proteïna-proteïna. Un d’aquests candidats sembla exercir efectes sobre la diana molecular d’interès i una forta inhibició de la proliferació de les cèl·lules de neuroblastoma. Aquests resultats representen un punt de partida prometedor per al desenvolupament d’una estratègia terapèutica pionera basada en la disrupció del complex BAF per al tractament del neuroblastoma metastàtic d’alt risc.

La programación epigenética de las células durante el desarrollo embrionario es esencial para la determinación y mantenimiento de los diferentes linajes celulares y la homeóstasis tisular. Los tumores embrionarios se originan a partir de alteraciones moleculares durante etapas del desarrollo que resultan en programas transcripcionales aberrantes controlados por perfiles epigenéticos alterados. En el caso del neuroblastoma, progenitores de la cresta neural destinados a convertirse en células del sistema nervioso simpático bloquean de forma aberrante su curso natural de diferenciación e inician un proceso neoplásico que conduce a una enfermedad oncológica pediátrica potencialmente agresiva y metastásica. Es por ello que el estudio de los reguladores epigenéticos que determinan, interpretan o ejecutan estas redes de expresión génica oncogénicas es crucial para comprender por completo el comportamiento de este tipo de tumores, así como para desarrollar nuevas terapias basadas en la epigenética. En esta tesis doctoral se presenta un análisis sistemático y funcional del complejo remodelador de la cromatina dependiente de ATP mSWI/SNF en células de neuroblastoma. Este remodelador de la cromatina actúa a nivel genómico traduciendo señales epigenéticas a estados abiertos de la cromatina, facilitando la interacción de factores de transcripción y otras proteínas reguladoras con el ADN. Las células de neuroblastoma contienen los tres principales subtipos de complejos mSWI/SNF, pero sólo el complejo BAF es relevante para su proliferación. La disrupción del complejo BAF mediante el silenciamiento de las subunidades clave y específicas ARID1A y ARID1B produce una reprogramación transcripcional en estas células que afecta a genes relacionados con la progresión del ciclo celular y con el proceso de metástasis. La interrupción del ensamblado de este complejo produce un fuerte bloqueo del ciclo celular así como una reducción de la adhesión a la matriz extracelular y capacidad de invasión in vitro, además de reducir drásticamente la formación de metástasis in vivo, extendiendo la supervivencia de modelos murinos de neuroblastoma metastásico. Por último, un análisis de susceptibilidad de unión a fármacos y un posterior cribado virtual de moléculas se llevó a cabo sobre la estructura de ARID1A, identificando moléculas candidatas para la disrupción farmacológica del complejo BAF mediante la inhibición de interacciones proteína-proteína. Uno de estos candidatos parece ejercer efectos sobre la diana molecular de interés y una fuerte inhibición de la proliferación de las células de neuroblastoma. Estos resultados representan un punto de partida prometedor para el desarrollo de una estrategia terapéutica pionera basada en la disrupción del complejo BAF para el tratamiento del neuroblastoma metastásico de alto riesgo.

Epigenetic programming of cells during development is essential for the determination and maintenance of cell lineages and for tissue homeostasis. Embryonal tumors are originated by molecular alterations during developmental steps that result in aberrant transcriptional programs controlled by altered epigenetic landscapes. In the case of neuroblastoma, neural crest progenitors aimed at becoming cells of the sympathetic nervous system aberrantly block their natural differentiation course and initiate a neoplastic process leading to a potentially aggressive and metastatic pediatric oncologic disease. Thus, the study of the epigenetic regulators determining, interpreting or executing these oncogenic gene expression networks is crucial to fully understand these tumors and develop new epigenetic-based therapies. In this PhD thesis, a systematic and functional analysis of the ATP-dependent mSWI/SNF chromatin remodeling complex in neuroblastoma cells is presented. This chromatin remodeler acts genome-wide translating epigenetic signals into opened chromatin states, allowing the interaction of transcription factors and other regulatory proteins with DNA. Neuroblastoma cells contain the three main subtypes of mSWI/SNF complexes, but only BAF subcomplex is relevant for proliferation. BAF complex disruption through silencing of the specific and key structural subunits ARID1A and ARID1B promotes a transcriptional reprogramming of neuroblastoma cells affecting cell cycle progression and metastasis-related genes. This assembly disruption exerts a strong cell cycle blockade and a reduction of extracellular matrix adhesion and invasion in vitro, and drastically reduces metastasis formation in vivo, extending the survival of metastatic neuroblastoma mouse models. Finally, candidate molecules for the pharmacological disruption of BAF complex by inhibition of protein-protein interactions were identified in a druggability analysis and virtual screening of ARID1A structure. One of them seems to exert on-target effects and a strong proliferation inhibition on neuroblastoma cells. These findings represent a promising starting point for the development of a BAF disruption-based first-in-class therapeutic strategy against metastatic high-risk neuroblastoma.