Computational analysis of prostate cancer tumor microenvironment

Abstract

Prostate cancer is one of the most frequently diagnosed cancers in men worldwide. If the cancer is detected at an early stage, the prognosis is usually good. However, some prostate cancers are more aggressive and develop resistance to standard treatments such as androgen deprivation therapy (ADT). This type of castration-resistant prostate cancer (CRPC) can not be cured with currently available treatment options. In search of effective new treatment strategies, research has expanded from cancer cells to the surroundings of the tumor. This so-called tumor microenvironment (TME) hosts a number of different cell types that have been found to contribute to cancer progression through various mechanisms. Many of these mechanisms are likely still unknown, so an improved understanding of the processes that occur in the prostate cancer TME could help to find a cure for aggressive forms of the disease.

The first objective of this Master's thesis was to characterize the transcriptional effect of co-culture with monocytes or cancer-associated fibroblasts (CAFs) on LNCaP prostate cancer cells. The second objective was to compare this effect with gene expression changes in DVL3 prostate cancer cells that were grown either in vitro or in vivo in syngeneic mice. The third and final objective was to study changes in androgen receptor (AR) chromatin binding in LNCaP cells that were co-cultured with monocytes or CAFs.

Several statistically significant transcriptional changes were observed in LNCaP co-culture compared to LNCaP monoculture. The results showed strong response to hypoxia and activation of several processes that are induced by it, such as angiogenesis, epithelial-mesenchymal transition, and NF-kB signaling. All of these are known to contribute to cancer progression. Down-regulation of genes that are involved in cell proliferation and cellular metabolism was also observed, which would suggest that the co-cultured cancer cells are in a hypoxia-induced low activity state.

The effect of TME cell presence on LNCaP and DVL3 prostate cancer cell gene expression was not identical, although similar changes in malignant processes, cell proliferation, and metabolism were observed in both models. Of note, hypoxia was not among the processes that were significantly enriched in DVL3 graft samples.

The co-culture of LNCaP cells with monocytes or CAFs was associated with a reduced activity of AR, as both the intensity of AR chromatin binding and the number of AR chromatin binding sites were decreased in co-culture.

Overall, the results of this thesis support the current consensus that TME induces changes in prostate cancer cell transcription and AR activity, some of which may provide them a survival advantage. This highlights the importance of studying the prostate cancer TME also in the future.

Eturauhassyöpä on maailmanlaajuisesti yksi yleisimmistä miehillä diagnosoitavista syövistä. Varhaisessa vaiheessa todetun syövän parantumisennuste on yleensä hyvä. Osa eturauhassyövistä on kuitenkin aggressiivisempia ja tulee vastustuskykyiseksi tavallisesti käytetyille hoitomenetelmille, kuten androgeenideprivaatiohoidolle. Tällaista kastraatiolle resistenttiä eturauhassyöpää ei vielä pystytä parantamaan. Uusia, tehokkaampia hoitokeinoja on alettu etsiä laajentamalla tutkimusta syöpäkasvainta ympäröiviin soluihin. Nämä lukuisat syöpäsolujen lähettyvillä olevat eri solutyypit muodostavat niin kutsutun kasvaimen mikroympäristön, jonka on havaittu kykenevän edistämään syövän kasvua erilaisten mekanismien kautta. Monia näistä mekanismeista ei todennäköisesti vielä tunneta, joten kasvaimen mikroympäristön ja sen roolin parempi ymmärtäminen voisi auttaa löytämään parannuskeinon aggressiivisimpiin eturauhassyöpiin.

Tämän tutkielman ensimmäisenä tavoitteena oli tutkia, millaisia vaikutuksia yhteisviljelyllä monosyyttien tai syöpään liittyvien fibroblastien kanssa on LNCaP-eturauhassyöpäsolujen geeniekspressioon. Toisena tavoitteena oli verrata LNCaP-solujen yhteisviljelyssä havaittuja geeniekspression muutoksia laboratoriossa ja hiirissä kasvatettujen DVL3-eturauhassyöpäsolujen geeniekspressioon. Kolmas ja viimeinen tavoite oli tutkia LNCaP-solujen ja monosyyttien tai fibroblastien yhteisviljelyn mahdollisia vaikutuksia androgeenireseptorin (AR) sitoutumiseen kromatiiniin.

LNCaP-solujen yhteisviljelyn havaittiin aiheuttavan useita tilastollisesti merkittäviä muutoksia geenien transkriptiossa. Tuloksissa näkyi voimakas hypoksiaan viittaava geenivaste ja siihen liittyvien prosessien, kuten angiogeneesin, epiteeli-mesenkymaalisen siirtymän ja NF-kB -signaloinnin aktivoituminen. Näiden prosessien tiedetään edistävän syövän etenemistä. Solun jakautumiseen ja metaboliaan liittyvien geenien aktiivisuus sen sijaan väheni yhteisviljelmässä. Tämä viittaisi siihen, että vuorovaikutus monosyyttien tai fibroblastien kanssa vähensi syöpäsolujen aktiivisuutta.

Kasvaimen mikroympäristön solujen läsnäolo ei vaikuttanut täysin samalla tavalla LNCaP- ja DVL3-eturauhasyöpäsolujen geeniekspressioon, vaikka tuloksissa havaittiinkin samankaltaisia muutoksia muun muassa syövän etenemiseen sekä solun jakautumiseen ja metaboliaan liittyvissä prosesseissa. Yhtenä erona oli se, että hypoksiaan viittaavia geeniekspression muutoksia ei havaittu hiirissä kasvatetuissa DVL3-soluissa.

Kasvaimen mikroympäristö oli yhdistettävissä vähäisempään AR:n aktiivisuuteen, sillä sekä AR:n kromatiiniin sitoutumisen vahvuus että sitoutumiskohtien lukumäärä vähenivät LNCaP-solujen ja monosyyttien tai fibroblastien yhteisviljelmissä.

Tämän pro gradu -tutkielman tulokset tukevat vallitsevaa käsitystä, jonka mukaan kasvaimen mikroympäristö aiheuttaa muutoksia eturauhassyöpäsolujen transkriptiossa ja AR:n aktiivisuudessa. Osa muutoksista voi edistää syövän kasvua, mikä korostaa aiheen jatkotutkimustarpeita.