Identification and characterization of aryl hydrocarbon receptor (AHR) as a suppressor of non-small-cell lung cancer metastasis
Lung cancer is the leading cause of cancer-related deaths worldwide. Lung cancer mortality is mainly caused from metastatic progression. The majority of patients presents with metastatic disease at primary diagnosis. In addition, a substantial fraction of patients comes down with metastatic relapse despite potentially curative treatment of localized disease. Lung cancers are histologically classified as small cell (SCLC) and non-small-cell lung cancers (NSCLC). Adenocarcinomas and squamous cell carcinomas are the largest subgroups of NSCLC. Current strategies to reduce the risk of metastatic relapse in early stage NSCLC rely on adjuvant cisplatin-based chemotherapy and radiation though having only modest activity. There are no therapeutic or preventive approaches specifically tailored to modulation of metastasis. This is in part due to still limited understanding of the metastatic process itself and the lack of defined molecular targets for anti-metastatic interventions.
Against this background, we used an in vivo shRNA screening platform in an orthotopic mouse model of lung cancer to identify candidate metastasis-modulators. Among these, aryl hydrocarbon receptor (AHR), a ligand-regulated transcription factor and sensor of xenobiotics, was prioritized and subjected to functional and mechanistic validation in this thesis.
In the NCI-H1975 lung adenocarcinoma model, shRNA-mediated suppression of AHR expression increased metastatic potential in vitro and promoted metastases formation in an orthotopic lung cancer model in vivo. Importantly, low intratumoral AHR expression correlated with inferior survival and decreased time to progression in patients with locally or locally advanced lung cancer. Analysis of constitutive and AHR-ligand activated RNA expression profiles revealed a negative correlation of AHR expression and EMT signatures including several genes encoding matrix-metalloproteases. Activation of AHR by its ligand omeprazole induced expression of ASNS and ATF4, both encoding gene products that are involved in the cellular stress response. Interestingly, ASNS induction was ATF4-dependent and attenuated in AHR-deficient NCI-H1975 exhibiting increased metastatic potential. Moreover, AHR knockdown conferred increased resistance to glutamine-depleted growth conditions.
These findings identify AHR and AHR-regulated pathways as promising targets for rational anti-metastatic interventions in NSCLC.
Lungenkarzinome sind weltweit die Hauptursache der Krebs-assoziierten Todesfälle. Die hohe Mortalität bei Lungenkrebs wird hauptsächlich durch metastasierendes Fortschreiten der Krankheit verursacht. Die Mehrheit der Patienten weist bei der Erstdiagnose bereits ein Krankheitsstadium mit ausgebildeten Metastasen auf. Des Weiteren erleidet ein erheblicher Teil der Patienten mit lokalisiertem Tumor trotz potenziell kurativer Behandlung ein Rezidiv durch das Auftreten von Metastasen. Histologisch wird Lungenkrebs in das kleinzellige (SCLC) und das nicht-kleinzellige Lungenkarzinom (NSCLC) eingeteilt. Adenokarzinome und Plattenepithelkarzinome sind die größten Untergruppen des NSCLC. Gegenwärtige Strategien, um das Risiko eines Rezidivs durch Metastasierung bei Patienten in einem frühem Krankheitsstadium zu verringern, beruhen auf adjuvanter Cisplatin-basierter Chemotherapie und Strahlentherapie, welche dahingehend aber nur moderate Wirksamkeit aufweisen. Es gibt keine therapeutischen oder präventiven Ansätze, die speziell auf die Modulation der Metastasierung abzielen. Dies ist teilweise auf das noch immer eingeschränkte Verständnis des Metastasierungsprozesses sowie das Fehlen von spezifischen molekularen Ansatzpunkten für anti-metastatische Interventionen zurückzuführen.
Vor diesem Hintergrund haben wir eine in vivo shRNA-Screening-Plattform in einem orthotopen Mausmodell des Lungenkarzinoms genutzt, um potentielle Metastasierungsmodulatoren zu identifizieren. Von diesen wurde der Aryl-Hydrocarbon-Rezeptor (AHR), ein Liganden-regulierter Transkriptionsfaktor und Sensor von Xenobiotika, priorisiert und im Zuge dieser Arbeit einer funktionellen und mechanistischen Validierung unterzogen.
In dem Lungenadenokarzinom-Modell NCI-H1975 erhöhte die shRNA-vermittelte Suppression der AHR-Expression das Metastasierungspotential in vitro und förderte die Metastasenbildung in einem orthotopen Lungenkrebs-Modell in vivo. Bei Patienten mit lokalem oder lokal fortgeschrittenem Lungenkrebs korreliert eine niedrige AHR-Expression im Tumorgewebe mit einer verkürzten Zeit bis zur Progression. Die Analyse von konstitutiven und AHR-Liganden-aktivierten RNA-Expressionsprofilen ergab eine negative Korrelation zwischen AHR-Expression und EMT-Gensignaturen. Darunter befanden sich mehrere Gene, die für Matrix-Metalloproteasen kodieren. Die Aktivierung von AHR durch seinen Liganden Omeprazol induzierte die Expression von ASNS und ATF4, welche für Genprodukte codieren, die an der zellulären Stressantwort beteiligt sind. Interessanterweise war die ASNS-Induktion abhängig von ATF4 und war in AHR-defizienten NCI-H1975, die ein erhöhtes metastatisches Potential aufwiesen, vermindert. Darüber hinaus vermittelte die Herabregulation von AHR eine erhöhte Resistenz hinsichtlich Wachstum unter Glutaminentzug.
Diese Ergebnisse identifizieren AHR und AHR-regulierte Signalwege als vielversprechende Ansatzpunkte für zielgerichtete, anti-metastatische Interventionen bei NSCLC.