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Role of EGFR signaling during epithelial development and tumor formation
Beate Maria Lichtenberger
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Maria Sibilia
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DOI
10.25365/thesis.3816
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30466.85520.401354-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Epidermaler Wachstumsfaktorrezeptor (EGFR)-defiziente Mäuse sterben in unterschiedlichen Stadien der embryonalen und frühen postnatalen Entwicklung und weisen verschiedene epitheliale Defekte sowie eine Neurodegeneration auf. Neben seiner Funktion in der Regulation der normalen Entwicklung von Astrozyten und Epithelzellen wird der EGFR in vielen humanen Karzinomen und Glioblastomen, welche Tumore epithelialen beziehungsweise glialen Ursprungs sind, überexprimiert. Transgene Mäuse, die eine aktivierte Form des Ras-Aktivators Son of Sevenless unter dem Epithel-spezifischen Keratin 5 Promotor exprimieren (K5-SOS), entwickeln EGFR-abhängige Hauttumore. In diesen Tumoren stellt der EGFR ein essentielles Überlebenssignal für die Tumorzellen dar, was vermutlich durch die Aktivierung von Akt erfolgt. Deswegen ist es sehr wichtig, die physiologischen Signaltransduktionskaskaden des EGFR in Epithelzellen genau zu untersuchen, um besser zu verstehen, wie abweichende EGFR Signalisierung zur Tumorbildung und zum Tumorwachstum führen. Aufgrund der frühen postnatalen Letalität der EGFR-null Mäuse konnte die Funktion des EGFR während der Haut- und Haarfollikelentwicklung nicht untersucht werden. Deshalb wurden Mäuse mit konditionellen EGFR (floxed) Allelen mit der K5-Cre oder der Tamoxifen-induzierbaren K5-CreERT transgenen Linie gekreuzt, um Mäuse zu generieren, in denen der EGFR spezifisch in den basalen Schichten der Epidermis während der Embryogenese (EGFRDep) bzw. in adulten Mäusen (EGFRDepER) deletiert werden kann. Überraschenderweise führte die Epidermis-spezifische Inaktivierung des EGFR während der Embryonalentwicklung oder der ersten postnatalen Tage zum frühen Tod. Die Deletion des EGFR in der Haut zu einem späteren Zeitpunkt verursachte hingegen nur geringe Anomalien der Haarfollikel, und die Mäuse waren überlebensfähig. Die Bildung der lebenswichtigen Hautbarriere war in EGFR-defizienten sowie EGFRDep Mäusen verzögert, wobei die Haut kurz nach der Geburt impermeabel wurde. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass das Fehlen des EGFR in der Epidermis die Morphogenese der Haarfollikel sowie deren Eintritt in den Haarzyklus verzögert. Darüber hinaus spielt der EGFR offenbar eine Rolle in der Immunantwort der Haut, da Langerhans Zellen, αbT-Zellen, dendritische Zellen, Granulozyten und Mastzellen die Haut von EGFR-mutanten Mäusen infiltrieren unabhängig davon, ob Haarfollikel vorhanden sind oder nicht. Meine Studien haben auch gezeigt, dass in der Abwesenheit des EGFR die Wundheilung verzögert ist, da die Reepithelialisierung und Wundkontraktion beeinträchtigt sind. Neben der essentiellen Funktion in der Entwicklung und Erhaltung der Haut und ihrer Anhänge ist der EGFR in die Hauttumorigenese involviert. Wie bereits erwähnt, stellt der EGFR im K5-SOS-abhängigen Tumormodell einen wichtigen Überlebensfaktor für Tumorzellen dar. Interessanterweise exprimieren epidermale Zellen von K5-SOS transgenen Mäusen große Mengen an Vaskular-Endothelialem Wachstumsfaktor (VEGF) und b1 Integrin, welche bedeutende Regulatoren der Tumorangiogenese bzw. Tumorzellmigration sind. Um die Mechanismen zu untersuchen, wie die Signale ausgehend von EGFR, VEGF oder b1 Integrin zur Tumorbildung und zum Tumorwachstum führen, wurden Mäuse generiert, in denen VEGF oder b1 Integrin spezifisch in der Epidermis deletiert werden können (VEGFDep und b1intDep), und mit K5-SOS Mäusen gekreuzt. K5-SOS transgene epidermale Zellen besitzen ein verstärktes Migrationspotenzial sowie weniger fokale Kontakte, was durch den Src-Kinase Inhibitor SU6656 aufgehoben werden kann. Interessanterweise entwickeln K5-SOS transgene Mäuse ohne b1 Integrin Expression in der Epidermis im Gegensatz zu Kontrollmäusen keine Tumore, und diese Tatsache konnte in Zusammenhang mit Signal-Effektoren von b1 Integrin und EGFR gebracht werden. Die Expression von K5-SOS in den Hautzellen von b1intDep Mäusen hat den Phänotyp dieser Mäuse dramatisch verschlechtert, was sich hauptsächlich durch eine verdickte, hyperproliferative Epidermis und degenerierende Haarfollikel zeigte. Weiters hat eine Epidermis-spezifische Deletion von b1 Integrin in Mäusen mit bereits bestehenden Tumoren das Tumorwachstum signifikant verzögert. Diese Ergebnisse demonstrieren eine entscheidende Funktion von b1 Integrin in der Krebsentstehung, Tumorhomeostase und Tumorwachstum, und belegen eine Wechselwirkung zwischen EGFR und b1 Integrin in vivo. Die Epidermis-spezifische Deletion von VEGF hat ebenfalls das K5-SOS-abhängige Hauttumorwachstum beeinträchtigt. Überraschenderweise hat das Fehlen von VEGF in einem EGFR-mutanten (waved-2; wa2) Hintergrund die Tumorentwicklung komplett inhibiert, was darauf hinweist, dass VEGF und EGFR in neoplastischen Zellen zusammenarbeiten, um das Tumorwachstum zu fördern. Mechanistisch konnte ich zeigen, dass K5-SOS die Expression von VEGF und seinen Rezeptoren Flt1 und Neuropilin-1 in einer Erk-abhängigen Weise hochreguliert, wobei ein autokriner Proliferationskreis aktiviert wird. Währenddessen fungiert der EGFR als Überlebensfaktor für Tumorzellen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass Flt1 in einer Vielzahl von humanen Plattenepithelkarzinomen exprimiert ist, und dass die Inhibierung von Flt1 in Plattenepithelkarzinom-Zelllinien deren Proliferation beeinträchtigt, was die medizinische Relevanz meiner Ergebnisse unterstreicht. Somit sollte VEGF neben seiner regulatorischen Funktion in der Angiogenese als sehr potenter Wachstumsfaktor für epidermale Tumore angesehen werden. Zusammenfassend demonstrieren meine Studien, dass der EGFR essentiell für die Hautentwicklung während der Embryogenese und der ersten Zeit nach der Geburt ist, um ein späteres Überleben zu gewährleisten. Weiters hat der EGFR eine Schlüsselfunktion in der Regulation des Haarfollikelzyklus und in den komplexen Prozessen der Wundheilung. Außerdem spielt der EGFR eine entscheidende Rolle in der Entstehung und dem Wachstum epithelialer Tumore. Im Wesentlichen demonstriert diese Studie zum ersten Mal, dass EGFR und VEGF in Tumorzellen kooperieren, und bietet eine molekulare Erklärung dafür, warum kombinierte anti-EGFR und anti-VEGFR Therapien viel effizienter als Einzeltherapien in der Behandlung von humanen Tumoren sind.
Abstract
(Englisch)
Epidermal growth factor receptor (EGFR) deficient mice die at different stages of embryonic and early postnatal development and develop epithelial phenotypes and a neurodegenerative disease. Besides controlling the normal development of astrocytes and epithelial cells, EGFR overexpression has been detected in many human carcinomas and glioblastomas, which are tumors of epithelial and glial origin, respectively. Transgenic mice expressing an activated form of the Ras activator Son of Sevenless from the epithelial-specific keratin 5 promoter (K5-SOS) develop skin tumors in an EGFR-dependent manner. In these tumors the EGFR provides an essential survival signal to tumor cells most likely by activating Akt. The study of the physiological signaling pathways of the EGFR in epithelial cells is therefore of fundamental importance for understanding how aberrant EGFR signaling can lead to tumor formation and progression. Due to the early postnatal lethality of EGFR-null mice the role of EGFR signaling during skin and hair follicle development could not be studied. Therefore, mice carrying conditional EGFR (floxed) alleles were crossed with the K5-Cre or the tamoxifen-inducible K5-CreERT transgenic lines to generate mice which would allow EGFR deletion specifically in the basal layers of the epidermis both during embryogenesis (EGFRDep) and in adult mice (EGFRDepER), respectively. Surprisingly, epidermis-specific EGFR inactivation during embryogenesis or within the first postnatal days resulted in early postnatal lethality. In contrast, EGFR deletion in the skin at later time points led only to mild derangements of hair follicles and mice were viable. The formation of the pivotal skin barrier was delayed in EGFR deficient as well as EGFRDep mice, but became impermeable shortly after birth. Moreover, I could demonstrate that the lack of EGFR in the epidermis and the outer root sheath of hair follicles delayed both hair follicle morphogenesis and the entry into the hair growth cycle. In addition, EGFR signaling is involved in the inflammatory response of the skin, as Langerhans cells, αbT-cells, DCs, granulocytes and mast cells infiltrate independently of the presence of hair follicles. Importantly, my studies also revealed that in the absence of EGFR wound healing of full-thickness punch wounds is delayed by affecting reepithelialization and wound contraction. Besides its crucial role in the development and maintenance of the skin and its appendages, the EGFR has been shown to be implicated in skin tumorigenesis. As mentioned previously, in a K5-SOS-dependent tumor model EGFR was identified as a survival factor for tumor cells. Interestingly, epidermal cells isolated from K5-SOS transgenic mice expressed high levels of the vascular endothelial growth factor (VEGF) and b1 integrin, which are major regulators of tumor angiogenesis and tumor cell migration, respectively. To address the mechanisms by which signaling events downstream of EGFR and/or VEGF or b1 integrin lead to tumor formation and progression, mice in which VEGF or b1 integrin could specifically be deleted in the epidermis (VEGFDep and b1intDep) were generated and crossed to K5-SOS mice. K5-SOS transgenic epidermal cells exhibited an enhanced migratory potential as well as reduced numbers of focal contacts, which could be reversed by the Src kinase-specific inhibitor SU6656. Interestingly, K5-SOS transgenic mice lacking b1 integrin in the epidermis did not develop any tumors when compared to littermate controls, and this phenotype could also be related to downstream signaling effectors of b1 integrin and the EGFR. Expression of K5-SOS in epidermal cells of b1intDep mice dramatically exacerbated the phenotype of these mice, which is mainly characterized by a thickened and hyperproliferative epidermis and regressing hair follicles. Furthermore, epidermis-specific deletion of b1 integrin in mice with already existing tumors significantly delayed tumor growth. These findings demonstrate a pivotal role for b1 integrin in tumor initiation as well as tumor maintenance and progression, and provide evidence for a crosstalk between the EGFR and b1 integrin in vivo. Epidermis-specific deletion of VEGF also delayed K5-SOS-dependent skin tumor growth. Surprisingly, complete inhibition of tumor development was found in the absence of VEGF in a mutant EGFR (waved-2; wa2) background, demonstrating that VEGFR and EGFR signaling synergize in neoplastic cells to promote tumor growth. Similar results were obtained with therapeutics inhibiting EGFR and VEGFR. Mechanistically, I could show that K5-SOS upregulates VEGF and its receptors Flt1 and Neuropilin-1 in an Erk-dependent manner thereby activating an autocrine proliferation loop, whereas EGFR acts as a survival factor for tumor cells. Furthermore, Flt1 was found to be expressed in the majority of human squamous cell carcinomas (SCC) and its inhibition in human SCC cell lines impairs proliferation emphasizing the medical relevance of these findings. Thus, in addition to regulating angiogenesis, VEGF has to be considered as a potent growth factor for epidermal tumors. Taken together, my studies demonstrate that EGFR is indispensable for the development of the skin during embryogenesis and early postnatal life to guarantee later survival, and that it is a key player in regulating the hair cycle clock and the complex processes of wound repair. Moreover, EGFR plays a major role in the initiation and progression of epithelial cancer development. Importantly, this study represents the first demonstration of a synergistic action of EGFR and VEGF signaling in tumor cells and provides a molecular explanation why combined anti-EGFR and anti-VEGFR therapies might be more efficient than single therapies for the treatment of human cancer.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
EGFR VEGF b1 integrin SOS epithelial development skin tumor development transgenic mice
Schlagwörter
(Deutsch)
EGFR VEGF b1 Integrin SOS Epithelentwicklung Hauttumorbildung transgene Mäuse
Autor*innen
Beate Maria Lichtenberger
Haupttitel (Englisch)
Role of EGFR signaling during epithelial development and tumor formation
Paralleltitel (Deutsch)
Funktion des EGFR während der Epithelbildung und Hauttumorbildung
Publikationsjahr
2008
Umfangsangabe
176 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Reinhard Fässler ,
Fritz Aberger
Klassifikation
42 Biologie > 42.20 Genetik
AC Nummer
AC05039831
Utheses ID
3357
Studienkennzahl
UA | 091 | 441 | |
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