Investigation of N-terminus MLL complexes on the reversion of taxane resistance in castration-resistant prostate cancer

Abstract

Prostate cancer (PC) typically relies on androgen for abnormal growth, and androgen deprivation therapy (ADT) is preferred as the primary treatment. However, patients frequently progress to a castration-resistant (CR) stage, where tumor growth becomes unresponsive to ADT. Despite the common use of conventional chemotherapeutics like Taxanes (Docetaxel-Dtx, Cabazitaxel-Cbz), either alone or in conjunction with hormone therapies, certain tumors may experience recurrence. This work focuses on the epigenetic regulations conferring Dtx resistance in CRPC. Firstly, the generation of Dtx-resistant cells was conducted using the dose increment method, and subsequently, our model was confirmed via in vitro and in vivo models. Epigenetic drug screening identified MLL-Menin and MLL-WDR5 inhibitors as hit molecules that effectively reverse drug resistance through G2/M arrest and apoptosis induction. N- and C-terminal binding partners of MLL were individually knocked out via CRISPR-cas9. Our analysis led to the discovery of sensitivity on DtxR cells upon Menin depletion, while no effect was observed on parental counterparts. On the other hand, parental cells lacking Menin expression showed reduced capacity to develop drug resistance, suggesting an indispensable role of Menin for the drug refractory phenotype. Restoring several Menin mutants led to the identification of another effective factor, LEDGF, which specifically diminishes colony growth on the DtxR model. RNA-seq analysis was conducted on parental and DtxR cells, upon Menin and LEDGF ablation. GSEA analysis revealed positively enriched mTOR signaling, E2F targets, and G2M checkpoints gene sets in DtxR cells. Interestingly, Menin and LEDGF depletion significantly reversed the enrichment profile of the interested gene sets. Initially, we revealed the essentiality of the mTOR pathway in DtxR maintenance and cell growth. Furthermore, mTOR expression was significantly reduced in Menin knockout cells. On the other hand, Menin depletion triggered a significant synergy with Torin (mTOR inhibitor) and Dtx in our resistant model. Recovering Menin also induced mTOR expression in our DtxR model and abolished the observed synergy. Menin and mTOR correlation was also increased in metastatic CRPC in patient-derived clinical data. Furthermore, our ChIP-qPCR experiments demonstrated Menin enrichment on mTOR promoter region in DtxR CRPC cells. Competition experiments exhibited significant domination by control cells; indicating Menin depletion results in a slower rate of cell division. A higher proportion of Menin knockout cells accumulated in the G1 cell cycle state. Furthermore, two important factors promoting G1-S transition, Cyclin D1 and CDK20 were significantly lower in Menin-depleted cells. Restoring Menin also rescued expression patterns of these targets; furthermore, Menin occupied the promoter region of Cyclin D1 and CDK20. This slow growth rate observed in Menin ablated cells also provided a slight resistance against CDK4/6 inhibitors. Overall, Menin appears as a key regulator that confers drug resistance through mTOR upregulation and controls G1-S progression via Cyclin D1 and CDK20 in our DtxR model. Menin and LEDGF both contribute to essentiality in DtxR cells, while Menin shows enrichment on the promoter regions of specific targets. Our study provides a detailed analysis of Dtx resistance in CRPC, through epigenetic regulation.

Prostat kanseri (PK) tipik olarak androjen hormonuna bağlı olarak anormal büyüme gösterir ve birincil tedavi olarak kastrasyon tedavisi (androjen yoksunluğu, KT) tercih edilmektedir. Bununla birlikte, hastalar sıklıkla tümör büyümesinin KT'ye yanıt vermediği kastrasyona dirençli (KD) aşamaya ilerler. Taksan (Dosetaksel-Dtx, kabazitaksel-Cbz) gibi geleneksel kemoterapötikler tek başına veya hormon tedavileriyle birlikte yaygın olarak kullanılmasına rağmen, bazı tümörler nüks edebilir. Bu çalışma KDPK'lerde Dtx direncine olanak sağlayan epigenetik düzenlemelere odaklanmaktadır. İlk olarak doz artırım yöntemi uygulanarak Dtx dirençli Du145 hücrelerimiz oluşturulmuş ve modelimiz doğrulanmıştır. Epigenetik ilaç taraması sonucunda MLL-Menin ve MLL-WDR5 inhibitörleri, G2/M tutulması ve apoptoz indüksiyonu yoluyla ilaç direncini etkili bir şekilde tersine çeviren isabetli moleküller olarak tanımlanmıştır. MLL proteinin farklı bağlanma ortakları (hem N, hem de C terminalinde) ayrı ayrı hedeflenmiş ve DtxR hücrelerinin Menin deplesyonuna karşı duyarlı olduğu, parental muadillerinde ise hiçbir etki gözlemlenmediği keşfedilmiştir. Öte yandan, Menin ekspresyonu olmayan parental hücrelerin, ilaca direnç geliştirme kapasitesinin azaldığı gözlemlenmiştir, bu durum Menin'in ilaca dirençli fenotip için vazgeçilmez rolünü ortaya koymaktadır. Farklı Menin mutantlarının geri kazandırılması, DtxR modelinde koloni büyümesini özellikle azaltan başka bir etkili faktör olan LEDGF'nin tanımlanmasına olanak sağlamıştır. Menin veya LEDGF nakavt ve kontrol parental ve DtxR hücreleri üzerinde RNA sekans analizi gerçekleştirilmiştir. GSEA analizi, edinilen ilaç direncinin ardından pozitif olarak zenginleşmiş mTOR sinyali, E2F hedefleri, ve G2/M kontrol noktaları gen setlerini göstermiştir. İlginç bir şekilde Menin ve LEDGF deplesyonu, bu bahsedilen gen setlerindeki zenginleşme profilini önemli ölçüde tersine çevirmiştir. Ayrıca, mTOR'un DtxR hücre büyümesindeki hayati rolü ortaya çıkarılmıştır. Öte yandan, Menin nakavt hücrelerinde mTOR ekspresyonu önemli ölçüde azalmış; ayrıca Menin deplesyonu, dirençli modelimizde Torin (mTOR inhibitörü) ve Dtx ile önemli bir sinerjiyi tetiklemiştir. Menin'in geri kazandırılması ayrıca DtxR modelimizde mTOR ifadesini uyarmış ve gözlemlenen sinerjiyi ortadan kaldırmıştır. Menin ve mTOR korelasyonu klinik verilere göre metastatik KDPK'de artmıştır, ayrıca ChIP-qPCR deneylerimiz DtxR KDPK hücrelerimizdeki mTOR promotör bölgesinde Menin zenginleşmesini göstermiştir. Rekabet deneylerinde, popülasyonda kontrol hücreleri önemli bir hakimiyet sağlamıştır; bu da Menin deplesyonunun yavaş hücre bölünmesi fenotipine neden olduğunu göstermektedir. Menin nakavt DtxR hücreleri yüksek oranda G1 hücre döngüsü fazında birikmiş, ayrıca G1-S geçişini teşvik eden iki önemli faktör olan Siklin D1 ve CDK20, Menin nakavt hücrelerde önemli ölçüde azalmıştır. Menin'in geri kazandırılması aynı zamanda bu hedeflerin ifade seviyelerini de kurtarmıştır; ayrıca Menin'in Siklin D1 ve CDK20'nin promotör bölgesine bağlanabildiği gösterilmiştir. Menin ablasyonlu hücrelerde gözlenen bu yavaş büyüme fenotipi, CDK4/6 inhibitörlerine karşı da bir direnç sağlamıştır. Özetle Menin, mTOR artışı üzerinden ilaç direnci sağlayan ve Siklin D1 ve CDK20 üzerinden G1-S geçişini kontrol eden önemli bir düzenleyici protein olarak karşımıza çıkmaktadır. Menin ve LEDGF'nin her ikisi de DtxR hücrelerinde hücre büyümesi için gerekli olduğu görülürken, Menin bahsi geçen hedeflerin promotör bölgelerinde zenginleşme göstermiştir. Çalışmamız KDPK'deki Dtx direncinin epigenetik açıdan ayrıntılı bir analizini sunmaktadır.