Düsseldorf, University, Diss., 2003. / Text engl.

Düsseldorf, University, Diss., 2003.

Fish of the genus Xiphophorus belong to the oldest animal models in cancer research. The oncogene responsible for the generation of spontaneous aggressive melanoma encodes for a mutated epidermal growth factor receptor (Egfr) and is called xmrk for Xiphophorus melanoma receptor kinase. Xmrk constitutive activation mechanisms and subsequent signaling pathways have already been investigated and charaterized but it is still unknown if Egfr ligands may also play a role in Xmrk-driven melanoma formation. To investigate the potential role of Egfr ligands in Xmrk-driven melanoma, I firstly analyzed the evolution of teleost and tetrapod Egfr/Egfr ligand systems. I especially focused on the analysis on the medaka fish, a closely related species to Xiphophorus, for which the whole genome has been sequenced. I could identify all seven Egfr ligands in medaka and could show that the two teleost-specific Egfr copies of medaka display dissimilar expression patterns in adult tissues together with differential expression of Egfr ligand subsets, arguing for subfunctionalization of receptor functions in this fish. Our phylogenetic and synteny analyses supported the hypothesis that only one gene in the chordate ancestor gave rise to the diversity of Egfr ligands found in vertebrate genomes today. I also could show that the Egfr extracellular subdomains implicated in ligand binding are not evolutionary conserved between tetrapods and teleosts, making the use of heterologous ligands in experiments with fish cells debatable. Despite its well understood and straight-forward process, Xmrk-driven melanomagenesis in Xiphophorus is problematic to further investigate in vivo. Our laboratory recently established a new melanoma animal model by generating transgenic mitf::xmrk medaka fishes, a Xiphophorus closely related species offering many more advantages. These fishes express xmrk under the control of the pigment-cell specific Mitf promoter. During my PhD thesis, I participated in the molecular analysis of the stably transgenic medaka and could show that the Xmrk-induced signaling pathways are similar when comparing Xiphophorus with transgenic mitf::xmrk medaka. These data together with additional RNA expression, protein, and histology analyses showed that Xmrk expression under the control of a pigment cell-specific promoter is sufficient to induce melanoma in the transgenic medaka, which develop very stereotyped tumors, including uveal and extracutaneous melanoma, with early onset during larval stages. To further investigate the potential role of Egfr ligands in Xmrk-driven melanoma, I made use of two model systems. One of them was the above mentioned mitf::xmrk medaka, the other was an in-vitro cell culture system, where the EGF-inducible Xmrk chimera HERmrk is stably expressed in murine melanocytes. Here I could show that HERmrk activation strongly induced expression of amphiregulin (Areg) and heparin-binding EGF-like growth factor (Hbegf) in melanocytes. This regulation was dependent on the MAPK and SRC signaling pathways. Moreover, upregulation of Adam10 and Adam17, the two major sheddases of Egfr ligands, was observed. I also could demonstrate the functionality of the growth factors by invitro analyses. Using the mitf::xmrk medaka model I could also show the upregulation of a subset of ligand genes, namely egf, areg, betacellulin (btc) and epigen (epgn) as well as upregulation of medaka egfrb in tumors from fish with metastatic melanoma. All these results converge to support an Xmrk-induced autocrine Egfr ligand loop. Interestingly, my in-vitro experiments with conditioned supernatant from medaka Egf- and Hbegf-producing cells revealed that not only Xiphophorus Egfrb, but also the pre-activated Xmrk could be further stimulated by the ligands. Altogether, I could show with in-vitro and in-vivo experiments that Xmrk is capable of inducing a functional autocrine Egfr ligand loop. These data confirm the importance of autocrine loops in receptor tyrosine kinase (RTK)-dependent cancer development and show the possibility for a constitutively active RTK to strengthen its oncogenic signaling by ligand binding. / Fische der Gattung Xiphophorus gehören zu den ältesten Tiermodellen für die Krebsforschung. Das im Xiphophorus-System für die Melanomentstehung verantwortliche Onkogen codiert für eine mutierte Version des epidermalen Wachstumsfaktorrezeptors (Egfr) und wird xmrk (für “Xiphophorus melanoma receptor kinase”) genannt. Die konstitutiven Aktivierungsmechanismen dieses Rezeptors und die daraus resultierenden aktivierten Signalwege sind bereits gut untersucht und charakterisiert. Dennoch war bisher unbekannt, ob Egfr-Liganden auch eine Rolle bei der Xmrk-vermittelten Melanomentstehung spielen. Um eine potenzielle Rolle dieser Egfr-Liganden im Xmrk-induzierten Melanom zu erforschen, habe ich zunächst die Evolution des Egfr/Egfr-Liganden-Systems in Teleostiern und Tetrapoden untersucht. Hierfür fokussierte ich mich im besonderen auf den Medaka- Fisch, der zum einen eine nahe evolutionäre Verwandtschaft zu Xiphophorus aufweist und zum anderen – im Gegensatz zu Xiphophorus - ein komplett sequenziertes und gut annotiertes Genom besitzt. Ich konnte alle sieben Egfr-Liganden in Medaka identifizieren und konnte weiterhin zeigen, dass die zwei Teleost-spezifischen Egfr-Kopien dieses Fisches ein unterschiedliches Expressionsmuster in adulten Geweben aufweisen, welches außerdem mit unterschiedlicher Egfr-Liganden-Expression einherging. Diese Daten sprechen für eine Subfunktionalisierung der Egfr-Funktionen in Medaka. Unsere phylogenetischen und Syntenie-Analysen unterstützen die Hypothese, dass nur ein einziges Egfr-Liganden-Gen des Chordaten-Vorfahren der genetische Ursprung für die zahlreichen Egfr-Liganden-Gene, die in heutigen Vertrebraten zu finden sind, darstellt. Ich konnte weiterhin zeigen, dass die an der Ligandenbindung beteiligten Domänen des Egfr nicht zwischen Tetrapoden und Teleostiern konserviert sind. Diese Daten sprechen somit gegen die Verwendung heterologer Liganden in Zellkulturexperimenten mit Fischzellen. Trotz der gut verstandenen Konsequenzen einer Xmrk-Expression auf die Pigmentzelle lässt sich die Xmrk-vermittelte Melanomentstehung in Xiphophorus relativ schwer in vivo untersuchen. In unserem Labor wurde daher kürzlich ein neues Tiermodell für Melanome entwickelt. Dabei handelt es sich um einen mitf::xmrk-transgenen Medaka. Diese Fische exprimieren xmrk unter der Kontrolle des Pigmentzell-spezifischen Mitf-Promoters. Während meiner Doktorarbeit trug ich zur molekularen Analyse der stabil transgenen Tiere bei und konnte zeigen, dass die Xmrk-vermittelte Signalgebung in mitf::xmrk-Medakas der von Xmrk-exprimierenden Xiphophorus-Fischen gleicht. Diese Daten, zusammen mit weiteren RNA-Expressions-, Protein- und histologischen Analysen, zeigten, dass die Expression von xmrk unter der Kontrolle eines Pigmentzellspezifischen Promoters ausreichend für die Melanomentstehung in Medaka ist. Eine Besonderheit dieses Melanommodelles ist die auffallend stereotype Tumorentstehung. Der Beginn der Hyperpigmentierung wird bereits in frühen Larvenstadien sichtbar und führt – je nach Fischlinie – anschließend zuverlässig zu extrakutanen Pigmentzelltumoren oder invasiven bzw. uvealen Melanomen. Um eine potenzielle Funktion der Egfr-Liganden für Xmrk-induzierte Melanome zu untersuchen, machte ich mir zwei Modellsysteme zunutze. Eines der beiden Modelle war der bereits oben erwähnte mitf::xmrk-transgene Medaka, das andere war ein in-vitro- Zellkultursystem, bei dem die EGF-induzierbare Xmrk-Chimäre HERmrk stabil in murinen Melanozyten exprimiert wird. Hier konnte ich zeigen, dass HERmrk-Aktivierung zu einer starken Genexpression der EGFR-Liganden Amphiregulin (Areg) und Heparin-binding EGFlike growth factor (Hbegf) in Melanozyten führte. Diese Regulierung war abhängig von den MAPK- und SRC-Signalwegen. Weiterhin wurde eine Induktion von Adam10 und Adam17, den zwei bedeutsamsten Proteasen zur Freisetzung von EGFR-Liganden (“Sheddasen”), festgestellt. Ich konnte die Funktionalität der so sezernierten Liganden durch in-vitro- Experimente nachweisen. Anhand des mitf::xmrk Medaka-Modelles konnte ich ebenfalls zeigen, dass sowohl mehrere Egfr-Ligandengene, nämlich egf, areg, betacellulin (btc) und epigen (epgn), als auch egfrb in Tumoren von Medaka-Fischen mit metastatischen Melanomen heraufreguliert wurden. All diese Daten lassen auf einen durch Xmrk induzierten autokrinen EGFR-Liganden-Loop schließen. Interessanterweise zeigte sich durch in-vitro- Experimente mit konditioniertem Überstand von Medaka Egf- und Hbegf-produzierenden Zellen, dass nicht nur Xiphophorus Egfrb, sondern auch das bereits aktivierte Xmrk durch beide Liganden weiter stimuliert werden konnte. Zusammengefasst zeigen meine in-vitro- und in-vivo-Daten, dass Xmrk in der Lage ist, einen funktionalen autokrinen Egfr-Liganden-Loop zu induzieren. Dieses Ergebnis unterstreicht die Bedeutung autokriner Loops in Rezeptortyrosinkinasen (RTK)-abhängiger Tumorentstehung und zeigt auf, dass selbst die onkogene Signalgebung prädimerisierter RTKs durch Ligandenbindung verstärkt werden kann.

Stuttgart, Univ., Diss., 2002.

Zsfassung in engl. Sprache. - Würzburg, Univ., Diss., 2008.

Regensburg, Univ., Diss., 2004.

Würzburg, Univ., Diss., 2004.

Universiẗat, Diss., 2005--Düsseldorf.

In a variety of established tumour cell lines, but also in primary mammary epithelial cells metalloprotease-dependent transactivation of the EGFR, and EGFR characteristic downstream signalling events were observed in response to stimulation with physiological concentrations of GPCR agonists such as the mitogens LPA and S1P as well as therapeutically relevant concentrations of cannabinoids. Moreover, this study reveals ADAM17 and HB-EGF as the main effectors of this mechanism in most of the cancer cell lines investigated. However, depending on the cellular context and GPCR agonist, various different members of the ADAM family are selectively recruited for specific ectodomain shedding of proAR and/or proHB-EGF and subsequent EGFR activation. Furthermore, biological responses induced by LPA or S1P such as migration in breast cancer and HNSCC cells, depend on ADAM17 and proHB-EGF/proAR function, respectively, suggesting that highly abundant GPCR ligands may play a role in tumour development and progression. Moreover, EGFR signal transactivation could be identified as the mechanistic link between cannabinoid receptors and the activation of mitogen activated protein kinases (MAPK) ERK1/2 as well as pro-survival Akt/PKB signalling. Depending on the cellular context, cannabinoid-induced signal cross-communication was mediated by shedding of proAmphiregulin and/or proHB-EGF by ADAM17. Most importantly, our data show that concentrations of THC comparable to those detected in the serum of patients after THC administration accelerate proliferation of cancer cells instead of apoptosis and thereby may contribute to cancer progression in patients. / Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass in verschiedenen etablierten Tumorzelllinien, aber auch in primären Brustepithelzellen sowohl physiologische Konzentrationen von GPCR Liganden, wie z.B. den Mitogenen LPA und S1P, als auch therapeutische Konzentrationen von Cannabinoiden zur metalloproteaseabhängigen Aktivierung des EGFRs führen. Abhängig von diesem Mechanismus konnte die Aktivierung der mitogenen Ras/MAPK-Kaskade als auch des antiapoptotischen Akt/PKB Signalweges beobachtet werden. Untersuchungen mit Hilfe der siRNA-Technik oder dominant-negativen Konstrukten identifizierten ADAM17 sowie den EGFR-Liganden HB-EGF als wichtigste Komponenten dieses Signalweges. Abhängig vom Zellsystem konnte aber auch eine Beteiligung anderer Mitglieder der ADAM Familie sowie des EGFR-Liganden Amphiregulin nachgewiesen werden. Weiterhin konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die durch LPA und S1P induzierten biologische Prozesse, wie z.B. die Migration in Brustkrebs- oder HNSCC-Zellen, vollständig von der Aktivität von ADAM17 und HB-EGF/AR abhängig waren. Außerdem konnte die ADAM17- und HB-EGF/AR-vermittelte EGFR-Transaktivierung als Bindeglied zwischen Cannabinoid-Rezeptoren und MAPK- und Akt-Aktivierung sowie erhöhter Zellproliferation identifiziert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen die Rolle der EGFR Signaltransaktivierung und dadurch induzierter biologischer Antworten wie Zellmigration oder –proliferation in Tumorzellen, und sollten darüber hinaus zu einer Neubewertung der Krebstherapie mit Cannabinoiden führen.

Das maligne Melanom ist ein Hauttumor mit steigender Inzidenz und hohen Mortalitätsraten. Da die molekularbiologischen Ereignisse, die der Melanomentwicklung zugrundeliegen, nur unzureichend bekannt sind, gibt es kaum spezifische Therapieansätze. Zur Untersuchung der Melanomentwicklung eignet sich das Xiphophorus-Modell. In diesem System ist die Anwesenheit der RTK Xmrk ausreichend, um durch Aktivierung proliferativer und entdifferenzierender Signalwege und Apoptoseinhibition Melanome zu verursachen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Xmrk auch die Migration der Melanozytenzellinie Melan a-Hm induzieren kann. Die Migration der durch Xmrk transformierten Zellen ist amöboid und unabhängig von MAPK- und PI3K-Signalwegen. Eine Funktion bei der Migration haben jedoch die Kinasen FAK und Fyn. Sie bilden möglicherweise einen Proteinkomplex, der für FAK und Src aus zahlreichen anderen Systemen bekannt ist und als Signalplattform für die Zellmigration fungiert. Diese Erkenntnisse können dazu beitragen, das Xiphophorus-Modell weiterzuentwickeln und die Grundlagen der Melanomgenese besser zu verstehen. / Malignant melanoma is a tumor of the skin with increasing incidence and high mortality rates. As the biomolecular events underlying melanoma development are poorly understood, specific therapeutics for this disease are few. The Xiphophorus system is suitable for studying melanoma development. In this model, presence of the RTK Xmrk is sufficient to initiate melanoma formation by activating proliferative and anti-apoptotic pathways and interfering with differentiation. This work demonstrates that Xmrk is also able to induce migration of the melanocytic cell line Melan a-Hm. Cells transformed by Xmrk migrate in amoeboid fashion, independently of MAPK or PI3K pathways. However, kinases FAK and Fyn are involved in Melan a-Hm migration, possibly as a signal-integrating protein complex similar to the role that has been described for FAK and Src in various systems. The results from this work serve to extend the Xiphophorus model to other aspects of melanoma development and may help to better understand the molecular basis of melanoma.