Activator Protein-1 and Epidermal Growth Factor Receptor Interplay : In Vivo & In Vitro Studies

Abstract

Critical cellular decisions such as should the cell proliferate, migrate or differentiate, are regulated by stimulatory signals from the extracellular environment, like growth factors. These signals are transformed to cellular responses through their binding to specific receptors present at the surface of the recipient cell.

The epidermal growth factor receptor (EGF-R/ErbB) pathway plays key roles in governing these signals to intracellular events and cell-to-cell communication. The EGF-R forms a signaling network that participates in the specification of cell fate and coordinates cell proliferation. Ligand binding triggers receptor dimerization leading to the recruitment of kinases and adaptor proteins. This step simultaneously initiates multiple signal transduction pathways, which result in activation of transcription factors and other target proteins, leading to cellular alterations. It is known that mutations of EGF-R or in the components of these pathways, such as Ras and Raf, are commonly involved in human cancer.

The four best characterized signaling pathways induced by EGF-R are the mitogen-activated protein kinase cascades (MAPKs), the lipid kinase phosphatidylinositol 3 kinase (PI3K), a group of transcription factors called Signal Transducers and Activator of Transcription (STAT), and the phospholipase Cγ; (PLCγ) pathways. The activation of each cascade culminates in kinase translocation to the nucleus to stimulate various transcription factors including activator protein 1 (AP-1).

AP-1 family proteins are basic leucine zipper (bZIP) transcription factors that are implicated in the regulation of a variety of cellular processes (proliferation and survival, growth, differentiation, apoptosis, cell migration, transformation). Therefore, the regulation of AP-1 activity is critical for the decision of cell fate and their deregulated expression is widely associated with many types of cancers, such as breast and prostate cancers.

The aims of this study were to characterize the roles of EGF-R signaling during normal development and malignant growth in vitro and in vivo using different cell lines and tissue samples. We show here that EGF-R regulates cell proliferation but is also required for regulation of AP-1 target gene expression in fibroblasts in a MAP-kinase mediated manner. Furthermore, EGF-R signaling is essential for enterocyte proliferation and migration during intestinal maturation. EGF-R signaling network, especially PI3-K-Akt pathway mediated AP-1 activity is involved in cellular survival in response to ionizing radiation.

Taken together, these results elucidate the connection of EGF-R and AP-1 in various cellular contexts and show their importance in the regulation of cellular behaviour presenting new treatment cues for intestinal perforations and cancer therapy.

Solu jakaantuu, liikkuu, erilaistuu ja kuolee solun ulkopuolisten signaalien kuten kasvutekijöiden ohjaamana. Signaalit välittyvät soluun erityisten kasvutekijäreseptorien välityksellä. Yksi keskeinen signaalien välittäjä on epidermaalinen kasvutekijä reseptori (EGF-R). Sen ohjaama soluvastetta välittävä signaaliverkosto koostuu puolestaan useiden kinaasien ja transkriptiotekijöiden muodostamista ketjuista. Näistä keskeisimpiä ovat MAPK, PI3K, STAT ja PKC -reitit. Signaalireitit säätelevät lukuisia kohdeproteiineja, vaikuttaen niiden aktiivisuuteen ja sijaintiin solulimassa ja tumassa. Kohdeproteiineihin kuuluu myös transkriptiotekijä aktivaattori proteiini-1 (AP-1). Transkriptiotekijät säätelevät yhdessä muun transkriptiokoneiston kanssa geenien luentaa kiinnittymällä DNA:han. Tämän seurauksena solu tuottaa uusia proteiineja muuttaakseen toimintaansa ympäristön vaatimuksiin.

Tutkimukseni tavoitteena oli selvittää EGF-R:n ja AP-1:n rooli normaalin kehityksen ja pahanlaatuisen kasvun aikana. Tutkimusaineistona käytettiin sidekudossoluja, suolen epiteelisoluja (enterosyyttejä), eturauhasen syöpäsoluja, sekä kehittyvää ohutsuolta. Lisäksi selvitettiin MAPK ja PI3K -signaalireittien osuudet AP-1:n säätelyssä. Tulosten mukaan EGF-R säätelee AP-1:n toimintaa sidekudossoluissa MAPK ja PI3K -reittien kautta. Reittien estäminen vaikutti mm. matriksimetalloproteinaasigeenien ilmentymiseen. EGF-R signalointi kyseisten reittien kautta osoittautui myös tärkeäksi enterosyyteille. Signaloinnin estäminen hidasti tai esti niiden solujakautumista ja liikkumista. Soluvasteella on todennäköisesti vaikutusta suolen kehitykseen ja normaaliin solujen uusiutumiseen limakalvovaurioiden yhteydessä. Lisäksi tutkittiin EGF-R:n ja AP-1:n välistä signalointia eturauhasen syöpäsoluissa sädehoidon seurauksena. Erityisesti PI3K-reitin signaloinnin ja suora AP-1:n estäminen hidastivat tai estivät solujen jakautumista, sekä herkistivät solut sädehoidon aiheuttamalle solukuolemalle.

Yllämainitut tulokset selventävät EGF-R-signaloinnin ja AP-1 yhteyttä toisiinsa eri soluvasteiden aikana edellä mainituissa soluviljelymalleissa. Lisäksi ne osoittavat, että viestiketjun aktiivisuutta estämällä voidaan vaikuttaa soluvasteeseen. Tutkimus osoittaa näiden signaalireittien tärkeyden solujen fysiologiassa, ja avaa uusia näkökantoja syöpähoitoihin ja suolivaurioiden hoitoon tähtäävässä tutkimuksessa.