The miR-17-92 cluster counteracts quiescence and chemoresistance of pancreatic cancer stem cells

Resumen

Pancreatic ductal adenocarcinoma is the fourth most frequent cause for cancer-related deaths due to late diagnosis and limited response to chemotherapy. As one of the identified drug resistance mechanism, a distinct subpopulation of cancer stem cells (CSCs) has not only been shown to promote tumor progression and metastasis, but has also been implicated in tumor relapse based on intrinsic drug-resistance. Therefore, advancing our understanding on the mechanism of drug resistance in CSCs versus non-CSCs could lead to more effective therapeutic strategies. Since CSCs and non-CSCs share an identical genetic background, we studied the epigenetic regulation of CSCs as the defining regulatory machinery of CSCs. Using high-throughput miRNA expression analysis; we identified a panel of common miRNAs to be consistently underrepresented in Gemcitabine-treated tumors compared to untreated tumors. Subsequent gain-of-function and loss-of-function experiments demonstrated that the miR-17-92 cluster encoding six related microRNAs as the most strikingly suppressed miRNA family in chemoresistant CSCs is of crucial relevance for CSC function. Specifically, lentivirus-mediated over-expression of the miR cluster in CSCs significantly reduced their self-renewal, in vivo tumorigenicity, and resistance to Gemcitabine by down-regulation of multiple key genes belonging to the Nodal/TGF-ß1 signaling cascade such as ALK4, TGFBR2, SMAD2, SMAD4 as well as direct inhibition of Nodal/TGF-ß1-responsive genes p21, p57 and TBX3. MiR-overexpression in CSCs also resulted in their enhanced proliferation, which eventually resulted in CSC exhaustion during serial transplantation via down-regulation of p21 and p57. Thus, our study identifies the miR-17-92 cluster as an important family of miRNAs that play a crucial role in CSC biology including chemoresistance. Our findings indicate potential for developing modulators of this cluster to overcome drug resistance in pancreatic CSCs and eventually improve the miserable outcome of patients with pancreatic ductal adenocarcinoma. El adenocarcinoma pancreático es la cuarta causa principal de muerte relacionada con el cáncer debido a su diagnostico tardío y su mala respuesta a la quimioterapia. Uno de los posibles mecanismos de quimioresistencia que ha sido descrito se basa en la existencia de un subconjunto de células tumorales con propiedades troncales, denominadas células troncales de cáncer (CSC), las cuales impulsan el crecimiento del tumor de páncreas, metástasis y quimioresistencia. Por lo tanto, si podemos progresar en el conocimiento del mecanismo de resistencia a la quimioterapa en las células troncales de cáncer, probablemente nos ayudaría a desarrollar terapias más eficientes. Debido a que las células troncales de cáncer y las células cancerígenas comparten un perfil genético idéntico, hemos estudiado la regulación epigenética de las CSCs para definir el mecanismo de regulación. Utilizando el análisis de expresión de los genes de miRNA, hemos identificado un grupo de miRNAs comunes que de manera consistente se encontraban poco expresados en aquellos tumores que habían sido tratados con Gemcitabina comparándolo con los tumores sin tratar. Los experimentos posteriores de ganancia y perdida de funcionalidad, demostraron que el miR-17-92 cluster codificaba seis microRNAs que se encontraban suprimidos en las CSCs quimioresistentes, lo cual era de crucial relevancia en la funcionalidad de las CSCs. Por consiguiente, al sobrexpresar el miR cluster mediante el uso de un lentivirus en las CSCs, observamos que se reducía de manera significativa la capacidad de auto-replicación, tumorigenicidad in vivo y se reducía la resistencia a la Gemcitabina via inhibición de la expresión de genes clave que pertenecen a la vía de señalizaciónn de Nodal/ TGF-ß1 como ALK4, TGFBR2, SMAD2, SMAD4, así como también otros genes que responden a la inhibición tales como p21, p57 y TBX3. La sobreexpresión de miR en las CSCs también resultó en un aumento de la proliferación, lo cual eventualmente resultó en una disminución de la capacidad de auto-replicación en pases seriados debido a la reducción de la expresión de los genes p21 y p57. En resumen, nuestro estudio identifica el miR-17-92 cluster como una familia de miRNAs muy importante que juega un rol crucial en la biología de las CSC incluida la quimioresistencia. Nuestros hallazgos muestran un fuerte potencial para el posible desarrollo de modulaodores de este cluster para poder suprimir la resistencia de las CSCs, y así finalmente, poder mejorar el pronóstico tan miserable de los pacientes con adenocarcinoma pancreático.