On average, 65 Canadian men will be diagnosed with prostate cancer (PC) every day, making it the most common male cancer in Canada. Despite the prevalence, the etiology of PC is unknown. Evidence nonetheless supports the role of prostate cancer stem cells (PCSCs) in PC initiation and metastasis. In spite of almost a decade worth of research on PCSCs our knowledge on their biology remains fragmented. By taking advantage of the availability of DU145 cell-derived PCSCs in our laboratory, this thesis research focuses on investigating the unique properties of PCSCs and their function in promoting PC tumorigenesis. We identified two PCSC-specific proteins, ALDH3A1 and CNTN1. In mouse models of xenograft tumors, ALDH3A1 was expressed at higher levels in PCSC-derived tumors than in DU145 non-PCSC-produced tumors and in lung metastases than local tumors. In clinical settings, elevation of ALDH3A1expression was observed from normal prostate tissues to carcinomas and from local PCs to the paired lymph node metastases. Additionally, ALDH3A1 was clearly detected in bone metastases. Similar to ALDH3A1, CNTN1 expression associates with PC progression and biochemical recurrence following radical prostatectomy. The clear presence of CNTN1 in lymph node and bone metastases was also demonstrated. Furthermore, CNTN1 expression promoted PC metastasis to the lungs and tumor initiation in NOD/SCID mice. Mechanistically, CNTN1 increased AKT activation and reduced E-cadherin expression. Collectively, our research revealed important roles of both PCSC proteins in promoting PC tumorigenesis and progression. PC develops chemotherapy resistance in which PCSCs play a major role. In supporting this knowledge, we demonstrated that PCSCs are innately more resistant to the chemotherapeutic drugs, etoposide and docetaxel and that this resistance was in part attributable to their enhanced DNA damage response. Taken together, the findings of this thesis advances our knowledge on two specific PCSC markers and their association with prostate cancer progression and metastasis. As well as to the mechanism whereby PCSCs promote resistance to chemotherapeutic drugs. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第24317号 / 医博第4911号 / 新制||医||1062(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 小林 恭, 教授 溝脇 尚志, 教授 松田 道行 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Le cancer de la prostate (CaP) est caractérisé par un microenvironnement tumoral immunosuppresseur qui inhibe l'immunité antitumorale. Le traitement avec des immunomodulateurs, comme les cytokines (e.g. IL-12), pourrait modifier la réponse immunitaire. Cependant, l'administration systémique d'immunomodulateurs peut provoquer des toxicités. Pour éviter cela, les immunomodulateurs pourraient être produits dans la tumeur par un adénovirus assurant l'expression du transgène spécifiquement au CaP. Notre laboratoire a construit un tel adénovirus codant pour l'IL-12 murin (mIL-12) sous le contrôle du promoteur PCA3 et d'un système d'amplification appelé TSTA. Il a été démontré que cet adénovirus, nommé Adv-PCA3-TSTA-mIL-12, réduisait la croissance des tumeurs de prostate TRAMP-C2 chez les souris C57BL/6. Ici, nous avons cherché à vérifier un possible effet synergique de l'activation d'OX40 pour améliorer la réponse observée avec l'Adv-PCA3-TSTA-mIL-12. OX40 murin (mOX40), ainsi que son ligand (mOX40L), sont des points de contrôle immunitaires qui appartiennent à la superfamille des Tumor Necrosis Factors. Pour atteindre cet objectif, nous avons proposé deux approches. Dans la première, nous avons cherché à produire un Adv-PCA3-TSTA-mOX40L afin de l'utiliser en combinaison avec l'Adv-PCA3-TSTA-mIL-12. L'Adv-PCA3-TSTA-mOX40L a été construit, mais sa capacité à induire l'expression de mOX40L dans les cellules TRAMP-C2 n'a pas encore été confirmée. Dans la seconde, un anticorps monoclonal (AcMo) agoniste anti-mOX40 serait administré en combinaison avec l'Adv-PCA3-TSTA-mIL-12. Pour tester cette approche, des cellules TRAMP-C2 ont été implantées chez des souris et les tumeurs ont été traitées par injections d'Adv-PCA3-TSTA-mIL-12 seules ou en association avec des injections de AcMo anti-mOX40 ou anti-mPD-1, comme comparateur. Les résultats n'ont montré aucun effet synergique significatif des combinaisons. Les cellules immunitaires infiltrant les tumeurs ont montré peu de changements significatifs, à l'exception d'une diminution des cellules CD8⁺PD-1⁺ dans les tumeurs traitées avec les anti-mOX40 ou anti-mPD-1. La combinaison de la stimulation d'OX40 avec l'Adv-PCA3-TSTA-IL-12 ne semble pas avoir d'effet synergique. Des combinaisons plus efficaces devraient être recherchées. / Prostate cancer (PCa) is characterized by an immunosuppressive tumor microenvironment that inhibits antitumor immunity. Treatment with immunomodulators, such as cytokines (e.g., IL-12), could modify the immune response. However, systemic administration of immunomodulators can cause toxicities. To avoid these toxicities, the immunomodulators could be produced locally in the tumor using an adenoviral vector able to ensure PCa-specific expression of the transgene. Our laboratory previously constructed such an adenovirus encoding the murine IL-12 (mIL-12) under the control of the PCa-specific promoter PCA3 and an amplification system called TSTA. This adenovirus, named Adv-PCA3-TSTA-mIL-12, was shown to reduce the growth of TRAMP-C2 prostate tumor in C57BL/6 mice. Here, we aimed to test a possible synergistic effect of the activation of OX40 to improve the response observed with Adv-PCA3-TSTA-mIL-12. The murine OX40 (mOX40), along with its ligand (mOX40L), are immune checkpoints that belong to the Tumor Necrosis Factor superfamily. To achieve this goal, we proposed two approaches. In the first, we aimed to produce an Adv-PCA3-TSTA expressing mouse OX40L in order to use it in combination with Adv-PCA3-TSTA-mIL-12. The Adv-PCA3-TSTA-mOX40L was constructed, but its capacity to induce mOX40L expression in TRAMP-C2 cells has not been confirmed yet. In the second, agonistic anti-mOX40 monoclonal antibody (mAb) would be administered in combination with Adv-PCA3-TSTA-mIL-12. To test this approach, TRAMP-C2 cells were implanted in mice and tumors were treated by injections of Adv-PCA3-TSTA-mIL-12 alone or in combination with injections of anti-mOX40 or anti-mPD-1 (as comparator) mAbs. Results showed no statistically significant synergistic effects of the addition of treatment with anti-mOX40 to Adv-PCA3-TSTA-mIL-12. The immune cells infiltrating tumors showed few significant changes, except for a decrease in CD8⁺+D-1+ cells in tumors treated with anti-mOX40 or anti-mPD-1 mAbs. The combination of OX40 stimulation with Adv-PCA3-TSTA-IL-12 appears to have no synergistic effect. We conclude by suggesting that more effective combinations should be looked for.

Le cancer de la prostate (CaP) affecte 1 homme sur 7 au cours de sa vie. C’est le cancer numéro un diagnostiqué chez l'homme. Il s'agit du quatrième cancer le plus fréquent au Canada. Le CaP est une maladie hormonodépendante diagnostiquée chez l'homme. Les androgènes jouent un rôle vital dans la progression de la maladie. La première ligne de traitement, suivant une intervention chirurgicale ou un traitement de radiothérapie, est la thérapie de déprivation aux androgènes. Malgré une réponse initiale positive à l'inhibition des androgènes, la progression de la maladie vers un cancer de la prostate résistant à la castration (CRPC) est presque inévitable. Aux différentes étapes du CaP, le récepteur des androgènes joue un rôle majeur. Ainsi, cette thèse décrit les méthodes développées et utilisées pour mieux comprendre la biologie du CaP et le rôle joué par les androgènes dans cette maladie. Le travail démontré dans cette thèse se compose principalement d'analyses bioinformatiques effectuées sur des ensembles de données accessibles au public et d'un « pipeline » construit pour analyser des données RNA-Seq. Un pipeline RNA-Seq a été développé pour comprendre l'impact des androgènes et des gènes régulés lors du traitement aux androgènes dans les modèles de cellules de CaP. Ce pipeline bioinformatique se compose de divers outils qui ont été décrits ci-dessous dans le chapitre 1. L'objectif principal de ce projet était de développer un pipeline pour analyser les données RNA-Seq qui aide à comprendre et à définir les voies et les gènes métaboliques qui sont régulés par les androgènes, et qui jouent un rôle important dans la progression du CaP. Le flux de travail expérimental consistait en deux lignées cellulaires positives aux récepteurs aux androgènes LNCaP et LAPC4. Toutes les données utilisées dans ce projet ont été rendues publiques pour que la communauté de recherche puisse effectuer diverses autres études et analyses comparatives pour comprendre les fonctions des androgènes dans un sens beaucoup plus profond afin de développer de nouvelles thérapies pour traiter le CaP. Dans un autre projet décrit au chapitre 2, des analyses bioinformatiques ont été réalisées sur des données accessibles au public pour comprendre la fréquence de la perte et de l'altération génomique du gène PTEN localisé à 10q23. Ces analyses ont mis en évidence la fréquence d'altération génomique de PTEN qui est beaucoup plus élevée dans le CRPC que dans le CaP localisé. Ces analyses ont également aidé à identifier d'autres gènes altérés dans le CaP. Ces gènes n’ont pas été beaucoup étudiés dans la littérature, mais il semble que certains d’entre eux possèdent des caractéristiques de suppresseurs de tumeurs. Ces résultats pourraient être un bon début pour des analyses plus approfondies concernant la perte de gènes.La compréhension des fonctions de AR et de la suppression de PTEN aidera à développer de nouvelles stratégies et approches pour diagnostiquer et traiter le CaP. L'intégration des analyses bioinformatiques à la recherche clinique ouvre une nouvelle perspective dans le domaine de la recherche du CaP. / Prostate Cancer (PCa) affects 1 in 7 men in their lifetime and is the number one diagnosed cancer in men. It is the 4th most common cancer in Canada. PCa is a hormone-dependent disease diagnosed in men. Androgens play a vital role in the disease progression. The standard of care to treat PCa, following surgery or radiation therapy, is the androgen deprivation therapy (ADT). In spite of initial positive response to androgen inhibition, the progression of the disease to castration-resistant prostate cancer (CRPC) is almost inevitable. Across the various stages of PCa, the androgen receptor (AR) plays a major role. This thesis portrays the methods developed and used to understand PCa biology. The work demonstrated in this thesis majorly consists of bioinformatic analyses performed on publicly available data sets and a pipeline built to analyse RNA-Seq data. An RNA-Seq pipeline has been developed to understand the impact of androgens and the genes regulated upon androgen treatment in PCa cell models. This bioinformatic pipeline consists of various tools which have been described below in chapter 1. The major goal of this project was to develop a pipeline to analyse the RNA-Seq data which helps to understand and define the metabolic pathways and genes regulated by androgens which play an important role in PCa disease progression. The experimental workflow consisted of two androgen receptor positive cell lines LNCaP and LAPC4. All the data used in this project has been made publicly available for the research community to perform various other comparative studies and analyses to understand the functions of androgens in a much deeper sense to develop novel therapies to treat PCa. In another project described in chapter 2, bioinformatic analyses have been performed on publicly available data to understand the loss and genomic alteration frequency of the gene PTEN occurring at 10q23. These analyses highlighted that the genomic alteration frequency of PTEN is much higher in CRPC than in localised PCa, and also helped in identifying other genes which are lost along with PTEN. The lost genes have not been studied much in literature, but few studies demonstrated that they might possess tumor suppressor characteristics. These results might be a good start for further deeper analyses regarding the lost of genes. Understanding the functions of AR and the deletion of PTEN will help for the development of novel strategies and approaches to diagnose and treat PCa. Integration of bioinformatic analyses with clinical research open up a new perspective in the PCa research domain.

Le cancer de la prostate (CaP) est le cancer le plus commun chez les hommes de plus de 50 ans, représentant 20% de l'incidence de tous les cancers en 2021. Après l'approche initiale par chirurgie, environ 30% des patients ont une récurrence et suivent une thérapie de déprivation androgénique, qui mène éventuellement à l'atteinte d'un état de résistance à la castration pour lequel aucun traitement curatif n'existe. De récentes études ont montré un intérêt pour l'activation de la AMP-activated kinase (AMPK) comme traitement pour les CaP résistants à la castration. Cette stratégie repose sur la capacité de la AMPK à inactiver la mechanistic target of rapamycin (mTOR), une protéine impliquée dans une voie de signalisation associée à la prolifération des cellules cancéreuses. Contrairement au dogme établi, nos résultats indiquent que la AMPK n'inhibe pas mTOR dans différents modèles cellulaires de CaP, suggérant que ses fonctions y seraient différentes. En effet, l'activation de la AMPK par le A-769662 a démontré que son activité est nécessaire pour le maintien des fonctions mitochondriales en réponse aux androgènes. Pour étudier plus en profondeur les fonctions de la AMPK, nous avons développé un modèle n'exprimant pas les sous-unités catalytiques de la AMPK, à partir de cellules de CaP 22Rv1. Ce modèle a confirmé que l'activité de la AMPK est essentielle pour maintenir la production d'ATP maximale via la respiration mitochondriale dans les cellules de CaP. En fait, des essais de flux extracellulaire sont montré que le knockout de l'activité de la AMPK nuit à la respiration mitochondriale, à l'intégrité des mitochondries, à la flexibilité métabolique ainsi qu'à la prolifération cellulaire. Ces découvertes mettent de l'avant des fonctions oncogéniques associées à la AMPK et indiquent que l'inhibition des fonctions de la AMPK serait requise, plutôt que son activation, pour le traitement du CaP.

Tgf-β ligands induce cell cycle arrest in a variety of mammalian epithelia, including in the prostate. Genetic deregulation of the downstream canonical Smad-dependent pathway is an early well-studied event in tumorigenesis, yet, in prostate cancer such mutations are rare, leaving unexplained how Tgf-β represses prostate cell proliferation. Here, we adopted a variety of pharmacological and genetic approaches to dissect the pathways controlling proliferation in mouse prostate organoids. We found that Egf signalling is a potent proliferative stimulus through the concomitant activation of both Pi3k/Akt and Mapk/Erk pathways. However, the autocrine release of the Tgf-β family ligand Activin A has a dominant role over Egf-induced proliferation by promoting the non-canonical Tak1-p38α/β axis, which leads to Mapkapk2, p16, p21, and Stat1/2 activation and cell-cycle arrest. Bypass of the proliferation barrier can spontaneously occur upon long-term culture and it is associated to aberrant Activin A signalling and DNA replication stress. Finally, orthotopic transplantation of adapted organoids into immunocompetent hosts, leads to aberrant outgrowth and the emergence of prostatic intraepithelial neoplasia (PIN). Overall, our experiments unveil how Activin A limits mouse prostate progenitor cells proliferation and provide a rationale for the frequent MAP3K7 (TAK1) and ACVR2A (Activin A type II receptor) deletions observed in human primary prostate cancers (20% in the TCGA 2015 dataset).

La MMP2 est une protéinase stromale qui dégrade plusieurs éléments de la matrice extracellulaire et qui active d’autres MMPs dont la MMP9. La MMP14 active la MMP2 via l’inhibiteur de la pro-MMP2, le TIMP2. Cette étude avait pour buts de démontrer l’association entre la surexpression de la MMP2 et la récidive du CaP, d’évaluer l’influence de la MMP9, de la MMP14 et du TIMP2 sur cette association, puis de tester par un modèle murin l’influence de la MMP14 stromale sur la croissance tumorale. Nous avons analysé immunohistochimiquement 204 cas de CaP (T3NxM0) et avons étudié séparément les cellules cancéreuses, stromales et épithéliales bénignes (CEB), notamment selon le pourcentage d’expression des marqueurs (< 10% ou ≥ 10%). Le suivi médian est de 4,61 ans. La surexpression de la MMP9 dans les cellules cancéreuses est associée à un score de Gleason élevé (8-10) (p = 0,0009). Dans les CEB, la surexpression la MMP14 est associée au niveau de PSA sérique initial bas (≤ 20 ng/ml) (p = 0,0027). Le TIMP2 est protecteur (RR = 0,573, p = 0,0233) lorsque fortement exprimé dans les cellules stromales. La MMP2 augmente le risque de récidive lorsqu’exprimée par les cellules cancéreuses (RR = 1,549, p = 0,0027, test de tendance). L’étude de la croissance de tumeurs injectées à des souris nues/nues suggère que la MMP14 est associée à l’implantation tumorale. La MMP9 et la MMP14 seraient impliquées dans l’évolution du CaP alors que la MMP2 et le TIMP2 peuvent servir de marqueurs pronostiques pour les CaP T3NxM0. / Introduction: The matrix metalloproteinase 2 (MMP2) is associated with poor prognosis in many neoplasms. MMP14 activates MMP2 using pro-MMP2 specific inhibitor TIMP2 as a receptor. Activated MMP2 degrades extracellular matrix components such as collagen and gelatin, and activates other MMPs including MMP9 (gelatinase B). We therefore tested the influence of MMP9, MMP14 and TIMP2 expression on prostate cancer (Pca) disease-free survival and the association between MMP2, MMP9, MMP14 and TIMP2. Stromal MMP14 involvement in tumor growth was also tested. Material and methods: By immunohistochemistry, we analyzed 200 T3NxM0 Pca cases. We evaluated marker expression separately in cancer, stromal and benign epithelial (BE) cells according to a percentage scale (0, < 10, 10-50 and ≥ 50%) and to low (< 10%) or high (≥ 10%) expression of the markers. MCF7 cells were injected subcutaneously to nu/nu mice with MMP14 -/- fibroblasts and their growth was compared to MCF7 + MMP14 +/+ fibroblasts tumors. Results: Median follow-up was 4.61 years. MMP9 overexpression in cancer cells was associated with high Gleason score (8-10) (p = 0.0009). Low initial PSA serum levels (≤ 20ng/ml) were indirectly associated with MMP14 overexpression in BE cells (p = 0.0027) and with MMP9 overexpression in stromal (p = 0.0050) and BE cells (p = 0.0056). There was a decreased risk of Pca recurrence with high (≥ 10%) TIMP2 expression in stromal cells (hazard ratio (HR) = 0.573, p = 0.0233) and an increased risk of Pca recurrence with MMP2 expression by > 50% of BE cells (HR = 3.006, p = 0.0387). Increased risk of Pca recurrence was also observed with high MMP2 expression (HR = 1.549, p = 0.0027, trend test) and with the following combinations: low TIMP2 in stromal cells and high MMP2 in BE cells (HR = 4.121, p < 0.0001); high MMP2 in stromal cells and low TIMP2 in cancer cells (HR = 2.742, p = 0.0171). MCF7 studies suggest MMP14 stromal involvement in Pca implantation. Conclusions: MMP9 and MMP14 are involved mostly in Pca implantation. MMP2 and TIMP2 might be used as predictors of disease-free survival in T3NxM0 Pca.

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