Malignancy associated expression of microRNA in canine mammary tumors

Abstract

Canine mammary tumors are the most common neoplasms in the bitch. Approximately 50 % of the CMT are histologically diagnosed as malignant. Lymphogenous and haematogenous metastatic spread is common and metastatic disease is the most frequent cause of death in these patients. On the basis of their histological features according to the World Health Organization tumor classification, benign adenomas and malignant carcinomas can easily be distinguished in most cases. Despite worldwide research on mammary cancer, molecular details of the complex metastatic cascade remain unclear. Moreover, the question if the metastatic capacity displays an early inherent feature or a property a tumor acquires in the course of malignant progression remains unanswered. Thus the differentiation between metastasizing and non- metastasizing carcinomas before metastasis is clinically detectable still poses an unresolved challenge. This study investigated the malignancy associated expression of 16 miRNAs and 4 snoRNAs quantitatively in both non- neoplastic mammary gland and mammary tumors at different stages of malignancy. The mammary tumors were diagnosed histologically and grouped into adenomas, non-metastasizing carcinomas, metastasizing carcinomas and lymph node metastases. The following main hypothesis was tested: Particular miRNA and snoRNA species are specifically expressed in canine mammary tumors at different stages of malignancy. Thus, their expression pattern allows a differentiation between non-neoplastic mammary gland and neoplastic mammary tissue, benign tumors and malignant tumors as well as between nonmetastasizing and metastasizing carcinomas. Differentially expressed miRNA and snoRNA represent potential biomarkers for cancer diagnosis. In total nine miRNAs and one snoRNA showed a significantly altered expression in different tissue types. In detail, the expression of five miRNAs (miR-203, miR-143, miR-21, miR-194, miR-210) was increased in at least one primary tumor group versus non-neoplastic mammary gland. Thus, these up-regulated miRNA species might function as oncogenic oncomirs. In contrast, only one snoRNA (U24) was down- regulated in a primary tumor (metastasizing carcinoma) when compared to non- neoplastic mammary gland and therefore might function as a tumor suppressor. In the group of lymph node metastases, three miRNAs (miR-143, miR-145, miR-101) were down-regulated versus non-neoplastic tissue and all primary tumors. One further miRNA (miR-29b) showed a decreased expression in lymph node metastases versus all other groups but non-neoplastic tissue. An increased expression in the group of metastases was only identified for two miRNAs (miR-210, miR-125a). Intriguingly, discrimination of primary tumors at different stages of malignancy was only enabled by miR-125a, which showed a down-regulation in metastasizing carcinomas versus adenomas. Thus, miR-125a allows the differentiation between malignant and benign primary mammary tumors and therefore exhibits the potential for a predictive biomarker in cancer diagnosis. However, the study failed to identify biomarkers for metastatic behavior, which would enable the early differentiation between non- metastasizing and metastasizing carcinomas. In conclusion, the main hypothesis was supported since the expression of some miRNA and snoRNA was specifically deregulated depending on tumor malignancy. The specific oncogenic or tumor suppressive function of the deregulated RNA species has to be validated in further studies. Although the identification of a biomarker for metastatic behavior failed, this study helps to elucidate the molecular carcinogenesis of canine mammary tumors.

Mammatumoren stellen mit einer Prävalenz von 0,2 % die häufigsten Tumoren der Hündin dar. Circa 50 % der kaninen Mammatumoren werden histologisch als bösartig diagnostiziert. Eine lymphogene und hämatogene Streuung ist typisch und Metastasen stellen die häufigste Todesursache für die Patienten dar. Anhand ihrer histologischen Eigenschaften können gutartige Adenoma und bösartige Karzinome gemäß WHO Tumor Klassifizierung in den meisten Fällen gut differenziert werden. Trotz intensiver Forschung auf dem Gebiet der Mammatumoren sind jedoch noch viele Details der komplexen metastatischen Kaskade unklar. So ist bis heute ungeklärt, ob Tumoren bereits sehr früh in ihrer Entwicklung bestimmte Malignitäts-assoziierte Genexpressionsmuster aufweisen oder ob die Fähigkeit zur Metastasierung erst im Verlauf der malignen Progression entsteht. Weiterhin stellt die Prognose zukünftiger bzw. klinisch noch nicht identifizierbarer Metastasierung immer noch eine große Herausforderung dar. Die vorliegende Studie untersuchte deshalb, ob 16 miRNAs und 4 snoRNA eine Malignitätsabhängige Expression in histologisch definiertem, nicht-neoplastischem Mammagewebe, Adenomen, nicht metastasierenden Karzinomen, metastasierenden Karzinomen und Lymphknotenmetastasen zeigen. Die folgende Hypothese wurde getestet: Einzelne miRNA und snoRNA Spezies zeigen eine spezifische Expression in kaninen Mammatumoren unterschiedlicher Dignität. Ihr Expressionsmuster ermöglicht somit die Unterscheidung von nicht-neoplastischem Mammagewebe und Mammatumoren, von gutartigen und bösartigen Mammatumoren sowie von nicht metastasierenden Karzinomen und metastasierenden Karzinomen. Somit stellen diese miRNA und snoRNA Spezies potenzielle Biomarker für die Tumordiagnostik dar. Neun miRNAs und eine snoRNA zeigten eine signifikant unterschiedliche Expression in verschiedenen Gewebetypen. Im Detail war die Expression von fünf miRNA Spezies (miR-203, miR-143, miR-21, miR-194, miR-210) in mindestens einer Gruppe der Primärtumoren im Vergleich zum nicht- neoplastischen Gewebe erhöht, was auf eine onkogene Funktion hinweisen könnte. Im Gegensatz dazu zeigte nur eine snoRNA (U24) eine verminderte Expression in den Primärtumoren (metastasierende Karzinome) gegenüber dem nichtneoplastischen Mammagewebe und könnte demnach die Funktion eines Tumorsuppressors aufweisen. In der Gruppe der Lymphknotenmetastasen zeigten drei miRNA Spezies (miR-143, miR-145, miR-101) eine verminderte Expression im Vergleich zum nichtneoplastischem Gewebe und allen Primärtumoren. Die Expression einer weiteren miRNA (miR-29b) war in der Gruppe der Metastasen erniedrigt, allerdings nur im Vergleich zu den Primärtumoren. Eine Expressionszunahme in der Gruppe der Metastasen konnte nur für zwei miRNAs (miR-210, miR-125a) festgestellt werden. Die unterschiedliche Malignität der Primärtumoren wurde nur durch das Expressionsmuster einer einzigen RNA- Spezies, miR-125a, reflektiert. Diese miRNA zeigte einen Expressionsrückgang in der Gruppe der metastasierenden Karzinome im Vergleich zu den Adenomen. Damit ermöglicht miR-125a eine Unterscheidung von gutartigen und bösartigen Mammatumoren und hat somit das Potential eines prognostischen Biomarkers für die Tumordiagnostik. Ein Biomarker zur Differenzierung metastasierender und nicht-metastasierender Tumoren konnte in dieser Studie nicht identifiziert werden. Abschließend kann die Hypothese soweit unterstützt werden, dass zumindest einzelne miRNA und snoRNA Spezies abhängig von der Tumor-Dignität spezifisch dereguliert sind. Die Identifizierung eines miRNA- oder snoRNA- basierten Biomarkers für metastatisches Verhalten von kanine Mammatumoren war jedoch nicht möglich. Dennoch gibt diese Studie einen weiteren Einblick in die molekulare Karzinogenese kaniner Mammatumoren.