Role of transforming growth factor beta in human glioblastoma multiforme cancer stem cells and in tumorigenesis

Kumar, Praveen; Wagner, Hermann; Beier, Christoph

doi:32752

Role of transforming growth factor beta in human glioblastoma multiforme cancer stem cells and in tumorigenesis = Die Rolle von TGF beta in Tumorstammzellen und bei der Entstehung von humanen Glioblastomen

Kumar, Praveen^RWTH*

2012 & 2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Praveen Kumar

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang125 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Prüfungsjahr: 2012. - Publikationsjahr: 2013

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Beier, Christoph (Thesis advisor)^RWTH* ; Wagner, Hermann (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-11-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-43506
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229736/files/4350.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Transforming Growth Factor beta (Genormte SW) ; Glioblastom (Genormte SW) ; Hirntumor (Genormte SW) ; Protein p53 (Genormte SW) ; Nervenstammzelle (Genormte SW) ; Krebs <Medizin> (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; TGF beta (frei) ; TGF-beta (frei) ; Tumorstammzelle (frei) ; Krebsstammzelle (frei) ; cancer stem cell (frei) ; neural stem cell (frei) ; p53 (frei) ; glioblastoma (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die Funktion von TFG-beta in Tumorstammzellen (TSZ) des Glioblastoms war zu Beginn der Doktorarbeit vollkommen unklar. Die Untersuchung einer Serie von 9 verschiedenen TSZ-Linien ergab unterschiedliche Effekte. Die meisten Zelllinien waren vollständig resistent gegenüber den Effekten von TGF-beta, in 2 TSZ Linien kam es zu einer Wachstumsverlangsamung, eine TSZ Linie wuchs dagegen besser. Eine genaue Analyse der TGF-beta Effekte zeigte, dass TGF-beta nicht die eigentlichen Tumorstammzelleigenschaften, sondern nur Proliferation und Migration in vitro beeinflusste. In vivo beeinflusste TGF-beta die Größe der gebildeten Tumoren nach orthotoper Implantation von behandelten TSZ. Die Effekte von TGF-beta auf TSZ waren allerdings nicht zufällig: Frühere Arbeiten der Arbeitsgruppe konnten bereits zeigen, dass mindestens zwei unterschiedliche Typen von TSZ zur Bildung von GBM führen können. Die beiden Gruppen haben spezifische transkriptionelle Profile und zeigen substantielle Unterschiede bezüglich der Expression von TGF-beta assoziierten Transkripten. Die Experimente in dieser Doktorarbeit zeigen nun, dass die Zuordnung zu einem TSZ Typ mit der Funktion von TGF-beta sowohl in vitro als auch in vivo assoziiert ist. Zusammenfasend wirkt TGF-beta in CD133+ proneuralen TSZ und GBM lokal immunsuppressiv während es in CD133- mesenchymalen TSZ und GBM als Tumorpromotor oder -suppressor wirkt. Diese Heterogenität der Wirkung von TGF-beta hat erhebliche Auswirkungen auf die verschiedenen gegen TGF-beta gerichteten Therapieansätze, die aktuell in der klinischen Erprobung sind. Dies gilt insbesondere für Tumoren, in denen TGF-beta tumorsuppressiv wirkt. Weiterhin sind mesenchymale GBM auf Grund der geringeren Immunsuppression ein optimales Ziel für Immuntherapien. Im zweiten Abschnitt der Arbeit wurde die Rolle von TGF-beta in neuralen Stammzellen (NSC) aus p53 defizienten Mäusen im Vergleich zu Kontrolltieren untersucht. Wie aus publizierten Vorarbeiten bekannt war, proliferierten p53-/- Zellen schneller als p53+/+ Zellen. Auffällig war, das nur die p53+/+ nicht aber die p53-/- Zellen einen Wachstumsarrest auf TGF-beta Behandlung zeigten. Dieser Verlust des TGF-beta Ansprechens war trotz des Vorhandenseins aller relevanten Komponenten des TGF-beta Signalwegs nachweisbar und ist auf das direkte Fehlen von p53 als Kofaktor für den SMAD2/4 Komplex zu erklären. Umgekehrt führt die Blockierung des TGF-beta Signalwegs nur in p53+/+ NSC nicht aber in p53-/- NSC zu einer erhöhten Proliferation, was einen autokrinen, negativen Rückkoppelungsmechanismus nahe legt, der zu der erhöhten Proliferationsfrequenz von p53-/- NSC beiträgt. Unter Berücksichtigung der Hinweise auf eine Entstehung von GBM aus NSC, liefern diese Ergebnisse mögliche Ansatzpunkte für den Ablauf der frühen Schritte in der Tumorigense von GBM aus NSC. Zusammenfassend zeigt die Arbeit, dass Veränderungen des TGF-beta Signalwegs ein früher Schritt in der Entstehung von GBM sind, die auch im Tumor von - wenngleich unterschiedlicher - Relevanz bleiben.

The function of TGF-beta in glioblastoma cancer stem cells (GBM CSC) was unknown at the beginning of this thesis. In a series of 9 different CSC lines, I observed varying response of the cell lines to TGF-beta incubation. Most of the cell lines were completely resistant, 2 cell lines showed growth inhibition and surprisingly in one of the cell lines there was growth promotion. A detailed characterization of the effects of TGF-beta showed that TGF-beta did not modulate bona fide stem cell properties but rather proliferation and migration in vitro. In vivo TGF-beta significantly modulated the tumor size of TGF-beta treated and orthotopcially implanted CSC. However, the responsiveness to TGF-beta was not random. Earlier reports of my group suggested that different types of CSC lead to the formation of GBM. These two groups show distinct transcriptional profiles and display substantial differences with respect to TGF-beta related transcripts. The experiments in this thesis now prove that the assignment to a specific CSC type was associated with the role of TGF-beta in the respective CSC lines in vitro and in derived GBM in vivo. In summary, TGF-beta acts either as paracrine immunosuppressor in CD133+ proneural-like CSC and GBM or as tumorpromoter/-suppressor in CD133- mesenchymal-like CSC and GBM. This heterogeneity in response to TGF-beta has substantial implication for various anti-TGF-beta therapies presently underway as it could be counter-productive in GBM in which it acts as tumor suppressor. In addition, the reduced immune-paralysis in mesenchymal GBM makes them optimal targets for immunotherapies. In the second part I focused on the role of TGF-beta in the NSC from SVZ of mice lacking p53 and compared the results with similar NSC from mice that had p53. In line with the published results it was observed that the p53-/- cells proliferated faster than p53+/+ cells. Importantly, the p53+/+ but not p53-/- cells showed proliferation arrest in response to TGF-beta treatment. This lack of response was observed even though the major components of TGF-beta signaling were intact. Conversely, the blocking TGF-beta signaling in p53+/+ cells showed enhanced proliferation whereas there was no change in case of p53-/- cells suggesting that the loss of inhibitory autocrine TGF-beta signaling on NSC contribute to the proliferation of NSC after loss of p53 activity. Given that mounting evidence suggest the origin of GBM CSC from NSC, this study provides cues to the initial steps in the origin of GBM from NSC. Taken together, alteration of TGF-beta signaling is an early event in the genesis of GBM and remain of relevance in GBM although with variable biological function.

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