Characterization of Novel Long Noncoding RNAs in Prostate Cancer

Abstract

Syöpä on maailman toiseksi yleisin kuolinsyy ja uusien syöpätapausten määrä on kasvanut jatkuvasti, mikä aiheuttaa merkittävää fyysistä, emotionaalista ja taloudellista taakkaa koko yhteiskunnalle. Miehillä eturauhassyöpä on Euroopan diagnosoiduin syöpä ja kolmanneksi yleisin syöpäkuoleman syy; Suomessa eturauhassyöpä aiheuttaa toiseksi eniten syöpäkuolleisuutta miehillä. Vaikka suurin osa eturauhassyöpäpotilaista paranee, 11–26 % eturauhassyövistä uusiutuu ja lopulta etenee tappavaan eturauhassyövän muotoon. Nykyiset diagnostiset menetelmät, etenkin prostataspesifinen antigeeni (PSA), ovat erittäin tehokkaita tunnistamaan eturauhassyöpiä, mikä on johtanut myös vaarattomien, vähäoireisten syöpätapausten diagnosoimiseen ja hoitamiseen. Tämä tuottaa tarpeetonta fyysistä ja henkistä kuormaa potilaille ja lisäksi rasittaa terveydenhuoltojärjestelmää. Siksi tarkemmille ja tehokkaammille menetelmille diagnosoida ja hoitaa aggressiivisia eturauhassyöpiä on suuri tarve.

Pitkät ei-koodaavat RNA:t (lncRNA) ovat suhteellisen hiljattain löydetty ryhmä RNA:ita, joista ei tuoteta proteiineja. Ne toimivat osana solujen geenisäätelyä, myös syövissä. LncRNA:t ilmentyvät erityisesti spesifeissä kudoksissa ja solukonteksteissa, ja monien lncRNA:iden on havaittu ilmentyvän syövissä normaalista poikkeavasti. Lisäksi useilla lncRNA:illa on osoitettu olevan rooli syövän kehittymisessä ja leviämisessä. Nämä ominaisuudet tekevät lncRNA:ista erinomaisia kandidaatteja biomarkkereiksi ja mahdollisiksi terapeuttisiksi kohteiksi syövissä.

Tämän väitöskirjan tavoitteena oli löytää aiemmin tuntemattomia lncRNA:ita, jotka ilmentyvät spesifisti eturauhassyövässä, ja selvittää näiden lncRNA:iden säätelyä, toimintaa ja biomarkkeripotentiaalia eturauhassyöpämalleissa. Tätä varten hyödynsimme julkisesti saatavilla olevia ja itse tuotettuja uuden sukupolven sekvensointimenetelmillä valmistettuja aineistoja ja monia solu- ja molekyylibiologian sekä bioteknologian tutkimusmenetelmiä. Näitä menetelmiä käyttämällä tutkimme uusien lncRNA:iden ilmentymistä erilaisissa solumalleissa ja kliinisissä potilasnäytteissä, sekä näiden lncRNA:iden normaalista poikkeavaa ilmentymistä ja toiminnan taustalla olevia molekyylimekanismeja. Yhteensä löysimme yli sata uutta eturauhassyöpään assosioituvaa lncRNA:ta, joita kutsuimme TPCAT:eiksi. Normaalista poikkeavan ilmentymisen havaittiin johtuvan isolla osalla TPCAT:eista eturauhassyöpäspesifisten transkriptiotekijöiden, etenkin androgeenireseptorin, poikkeavasta säätelystä. Havaitsimme, että kolmen TPCAT:n korkea ilmentyminen assosioi myös eturauhassyövän progression kanssa. Prognostisten TPCAT:ien joukosta erottautui EPCART, joka osoittautui myös androgeenien säätelemäksi ja assosioituvan eturauhassyövän yleisimmän geneettisen muutoksen, TMPRSS2-ERG-fuusion kanssa. EPCART:n toiminnallista roolia tutkittiin tarkemmin eturauhassyöpäsoluissa, joissa sen todettiin edistävän solujen jakautumista ja liikkumista. Tämän havaittiin ainakin osittain tapahtuvan proteiinien translaation säätelyn kautta, missä EPCART aktivoi PI3K/AKT/mTORC1 signalointireittiä. Tässä väitöskirjassa löysimme uusia potentiaalisia biomarkkereita eturauhassyövän toteamiseen ja aggressiivisuuden ennustamiseen, sekä tunnistimme uusia molekyylireittejä ja mahdollisia terapeuttisia kohteita eturauhassyövän hoitoon.

Cancer is the second leading cause of death globally, and the number of diagnosed cancer cases continues to grow, thus exerting substantial physical, emotional, and financial burdens on society as a whole. In men, prostate cancer (PC) is the most diagnosed cancer and the third leading cause of cancer death in Europe and the second most lethal cancer in Finland. While the majority of patients with PC are cured, 11–26% of PCs clinically relapse and eventually progress to lethal PC. Current diagnostic methods, most notably prostate-specific antigen (PSA), are very efficient at detecting PCs to the point where even nonthreatening, indolent PCs are diagnosed and treated. However, these treatments can cause unnecessary harm to patients and burden the health care system. Therefore, more specific and effective ways to diagnose and treat aggressive PCs are needed.

Long noncoding RNAs (lncRNAs) are a relatively recently identified group of RNAs that do not encode proteins. They participate in the regulation of genes in cells, including in cancers. LncRNAs are typically expressed specifically in certain tissues and cellular contexts, and many of them are aberrantly expressed in cancers. In addition, several lncRNAs have been shown to play roles in cancer development and progression. These attributes make lncRNAs ideal as prospective biomarkers and therapeutic targets in cancers.

The aim of this dissertation was to discover novel, unexplored lncRNAs that are specifically expressed in PC and to study their regulatory, functional, and biomarker potential in PC models. For this purpose, multiple next-generation sequencing datasets, both publicly available and produced by us, and several molecular, cellular, and biotechnological methods were used to evaluate both in vitro and clinical patient material. These methods were utilized to study the expression profiles of novel lncRNAs in different sample types and to understand the detailed molecular mechanisms underlying their aberrant expression and function. In total, we identified more than one hundred novel PC-associated lncRNAs, called Tampere PCATs (TPCATs). The aberrant expression of most TPCATs is caused by the dysregulation of PC-specific transcription factors, most notably androgen receptors. High expression levels of three TPCATs were independently associated with PC progression. The prognostic TPCATs include EPCART, which is androgen regulated and associated with TMPRSS2-ERG fusion, the most common genetic alteration in PC. The functional role of EPCART was studied in more detail in PC cells, and EPCART was found to promote PC cell proliferation and migration through the regulation of protein translation via the PI3K/AKT/mTORC1 pathway. Overall, the findings in this dissertation revealed novel diagnostic and prognostic biomarker candidates for PC and identified new molecular pathways and potential therapeutic targets for PC treatment.