Evaluation of SAMHD1 role as a predictive and prognostic biomarker in solid tumours: deciphering its function in innate immune signalling

Abstract

El càncer és una de les principals causes de mort al món. A causa de la gran variabilitat tant intra com inter-tumoral i les característiques específiques de cada pacient, hi ha pocs dubtes que el futur de l'atenció oncològica dependrà d'una atenció personalitzada per a cada cas. En aquest context, la identificació de biomarcadors predictius i/o pronòstics fiables serà clau. Al llarg dels anys, cada vegada més evidències apunten a SAMHD1 com un d'aquests biomarcadors. SAMHD1 és una desoxinucleótid trifosfat (dNTP) trifosfohidrolasa que es va descriure per primera vegada com un factor de restricció viral, encara que el seu impacte en la biologia cel·lular i el metabolisme va molt més allà. Malgrat existeixen evidències que suggereixen una funció important d'aquesta proteïna en l'establiment i la progressió de tumors hematològics, el paper de SAMHD1 en els tumours sòlids continua sent objecte d'un intens debat, principalment a causa de la diversitat d'estudis que argumenten a favor d'un efecte tant de pro-tumorigènic com anti-tumorigènic.

Tenint en compte la necessitat d'estudis addicionals per a delinear millor com la funció de SAMHD1 pot influir en l'inici i l'evolució del càncer, en aquesta tesi doctoral ens hem centrat en descriure el paper de SAMHD1 com a biomarcador predictiu i pronòstic en tumours sòlids. Hem investigat els mecanismes subjacents de SAMHD1 a la inducció i regulació de la tumorigènesis, tenint en compte la seva possible funció inmunomoduladora.

En el primer capítol de la tesi, hem realitzat un primer estudi del paper de SAMHD1 en tumors sòlids tractats amb derivats de platins i/o antimetabòlits i hem desenvolupat nous models knock-out in vitro per a explorar els mecanismes que dirigeixen la funció de SAMHD1 en càncer. Els nostres resultats suggereixen que l'absència de SAMHD1 indueix dany en l'ADN que condueix a la mort cel·lular, indicant un efecte sinèrgic de la depleció de SAMHD1 i el tractament basat en platins.

A continuació, en el segon capítol de la tesi, ens hem centrat en la caracterització de l'ús de SAMHD1 com a biomarcador pronòstic en pacients amb càncer de mama en estadi primerenc. En aquest capítol, hem descrit i validat l'ús de l'expressió de SAMHD1 com biomarcador pronòstic en malaltia residual després de quimioteràpia neoadjuvant. A més, s'han desenvolupat models 3D d'esferoides per a dilucidar millor les conseqüències inmunomoduladores de l'eliminació de SAMHD1.

Finalment, en l'últim capítol de la tesi, hem avaluat el paper de l'expressió i la funció de SAMHD1 en càncer d'ovari, tant in vitro com en cohorts de pacients amb càncer d'ovari. Aquí, hem descobert que l'eliminació de SAMHD1 en línies cel·lulars derivades de càncer d'ovari modula tant els receptors de reconeixement de patrons (PRR, Pattern recognition receptor) com la senyalització immune innata. A més, les dades clíniques ens van permetre proposar SAMHD1 com un marcador pronòstic en el càncer d'ovari, ja que els tumors amb baixa expressió de SAMHD1 van mostrar una major supervivència lliure de progressió i supervivència global.

Els nostres resultats proporcionen proves sòlides de la implicació de la funció de SAMHD1 en càncer, indicant que l'expressió de SAMHD1 exerceix un efecte pro-tumorigènic en diversos tumors sòlids. No obstant això, les nostres dades demostren que la funció de SAMHD1 en el càncer pot variar depenent del tipus específic de càncer i de la línia cel·lular. En el càncer de mama, l'absència de SAMHD1 condueix a una inactivació de les vies de senyalització immunitàries innates, mentre que en les línies cel·lulars de càncer d'ovari hem demostrat que la resposta immunitària innata s'activa després de l'eliminació de SAMHD1. En conclusió, SAMHD1 podria utilitzar-se com biomarcador pronòstic i representa una prometedora diana terapèutica per al tractament del càncer.

El cáncer es una de las principales causas de muerte en el mundo. Debido a la gran variabilidad entre tumores y dentro de un mismo tumor y a las características específicas de cada paciente, cada vez está más claro que el futuro de la atención oncológica dependerá de una atención personalizada a cada paciente. En este contexto, la identificación de biomarcadores predictivos y/o pronósticos fiables será clave. A lo largo de los años, cada vez más evidencias apuntan a SAMHD1 como un importante biomarcador. SAMHD1 es una desoxinucleótido trifosfato (dNTP) trifosfohidrolasa que se describió por primera vez como un factor de restricción viral, aunque su impacto en biología celular y metabolismo va mucho más allá. A pesar de las evidencias que sugieren una función importante de esta proteína en los tumores hematológicos y en la progresión del cáncer, el papel de SAMHD1 en los tumores sólidos sigue siendo objeto de un intenso debate. Teniendo en cuenta la necesidad de estudios adicionales para delinear mejor cómo la función de SAMHD1 puede influir en el inicio y la evolución del cáncer, en esta tesis doctoral nos hemos centrado en describir el papel de SAMHD1 como biomarcador predictivo y pronóstico en tumores sólidos. Hemos investigado los mecanismos subyacentes de SAMHD1 en la inducción y regulación de la tumorigénesis, teniendo en cuenta su posible función inmunomoduladora. En el primer capítulo de la tesis, realizamos un primer estudio del papel de SAMHD1 en tumores sólidos tratados con derivados de platinos y/o antimetabolitos y desarrollamos nuevos modelos knock-out in vitro para explorar los mecanismos que dirigen la función de SAMHD1 en cáncer. Nuestros resultados sugieren que la ausencia de SAMHD1 induce daño en el ADN que conduce a la muerte celular, indicando un efecto sinérgico de la depleción de SAMHD1 y el tratamiento basado en platinos. A continuación, en el segundo capítulo de la tesis, nos centramos en la caracterización del uso de SAMHD1 como biomarcador pronóstico en pacientes con cáncer de mama en estadio temprano. Describimos y validamos el uso de la expresión de SAMHD1 como biomarcador pronóstico en enfermedad residual tras quimioterapia neoadyuvante. Además, desarrollamos modelos 3D de esferoides para dilucidar mejor las consecuencias inmunomoduladoras de la eliminación de SAMHD1. Finalmente, en el último capítulo de la tesis, evaluamos el papel de la expresión y la función de SAMHD1 en cáncer de ovario, tanto in vitro como en cohortes de pacientes con cáncer de ovario. Descubrimos que la eliminación de SAMHD1 en líneas celulares derivadas de cáncer de ovario modula tanto los receptores de reconocimiento de patrones (PRR, Pattern recognition receptor) como la señalización inmune innata. Además, los datos clínicos nos permitieron proponer SAMHD1 como un marcador pronóstico en el cáncer de ovario, ya que los tumores con baja expresión de SAMHD1 mostraron una mayor supervivencia libre de progresión y supervivencia global. Nuestros resultados proporcionan pruebas sólidas de la implicación de la función de SAMHD1 en el cáncer, indicando que la expresión de SAMHD1 ejerce un efecto pro-tumorigénico en varios tumores sólidos. Nuestros datos demuestran que la función de SAMHD1 en el cáncer puede variar dependiendo del tipo específico de cáncer y de la línea celular. En el cáncer de mama, la ausencia de SAMHD1 conduce a una inactivación de las vías de señalización inmunitarias innatas, mientras que en las líneas celulares de cáncer de ovario hemos demostrado que la respuesta inmunitaria innata se activa tras la eliminación de SAMHD1. En conclusión, SAMHD1 podría utilizarse como biomarcador pronóstico y representa una prometedora diana terapéutica para el tratamiento del cáncer.

Cancer is still a major burden of disease worldwide. Due to the high variability between and within tumours and specific characteristics of each patient, it is becoming increasingly clear that the future of cancer care will be dependent on a personalized patient management. In this setting, the identification of reliable and robust predictive and/or prognostic biomarkers will be key. Over the years, growing evidence pointed towards SAMHD1 as one of these putatively valuable biomarkers. SAMHD1 is a dNTP triphosphohydrolase that was first described as a viral restriction factor, although its impact on cell biology and metabolism goes far beyond. Despite the evidence suggesting an important function in hematological tumours and cancer disease progression, SAMHD1 role in solid tumours is still a matter of intense debate. Considering the need of additional studies to further delineate how SAMHD1 function might influence onset and evolution of cancer disease, in this PhD thesis we have focused on describing the role of SAMHD1 as a predictive and prognostic biomarker in solid tumours. We investigated the underlying mechanisms of SAMHD1 in the induction and regulation of tumourigenesis, bearing in mind its putative immunomodulatory function. In the first chapter of the thesis, we performed the first in-depth study of SAMHD1’s role in advanced solid tumours treated with platinum derivatives and/or antimetabolites and developed novel in vitro knock-out models to explore the mechanisms driving SAMHD1 function in cancer. Our results show that low (or no) expression of SAMHD1 was associated with a positive prognosis in breast, ovarian, and non-small cell lung cancer patients. In addition, our in vitro results show that SAMHD1 knock-out cells present increased DNA damage and apoptosis, and treatment with platinum-derived drugs significantly enhance γ-H2AX and apoptotic markers expression in these SAMHD1 knock-out cells. Next, in the second chapter of the thesis, we focused on the characterization of the use of SAMHD1 as a prognostic biomarker in early-stage breast cancer patients. We described and validated the use of SAMHD1 expression as a prognostic biomarker in residual disease after neoadjuvant chemotherapy in vivo. Moreover, we developed in vitro 3D spheroid models to better elucidate the immunomodulatory consequences of SAMHD1 depletion. Whole-transcriptomic profiling of SAMHD1 knock-out tumour spheroids identified downregulation of IL-12 signalling pathway as the molecular mechanism determining breast cancer prognosis. Interestingly, the reduced interleukin signalling in SAMHD1-KO spheroids induced changes in immune cell infiltration capacity in 3D heterotypic in vitro culture models. Finally, in the last chapter of the thesis, we evaluated the role of SAMHD1 expression and function in ovarian cancer, both in vitro and in ovarian cancer patient cohorts. We found that SAMHD1 depletion modulates pattern recognition receptors, specifically RIG-I like receptor expression, and innate immune signalling in ovarian cancer cells. Moreover, clinical data allowed us to propose SAMHD1 as a prognostic marker in ovarian cancer, as SAMHD1-low expressing tumours showed increased progression free survival and overall survival. Overall, our results provide strong evidence of the involvement of SAMHD1 function in cancer, indicating that SAMHD1 expression exerts a pro-tumourigenic effect in several solid tumours. our data demonstrates that the function of SAMHD1 in cancer is context-dependent and may vary depending on the specific cancer type and cell line. In breast cancer, SAMHD1 depletion leads to a downregulation in innate immune signalling pathways, while in ovarian cancer cell lines we have demonstrated that innate immune response is activated upon SAMHD1 depletion. In conclusion, SAMHD1 could be used a prognostic biomarker and it represents a promising therapeutic target for cancer treatment. However, further research is needed to fully understand the mechanisms of SAMHD1 to understand its role in cancer and to optimize putative treatment strategies.