Defining and modeling a unique molecular subclass of prostate cancer

Abstract

Back in 2011, when recurrent mutations in SPOP were first described in prostate cancer, nothing about the specific role of SPOP in prostate was known. Only one year later our group was able to investigate a few key characteristics of this newly emerged prostate cancer subgroup which still hold up till this day: 1) SPOP mutations occur in about 10-15% of primary prostate cancer 2) Mutations in SPOP cluster in the substrate-binding-cleft and the MATH domain 3) Striking mutual exclusivity between two common events, ERG rearrangement and SPOP mutations 4) Heterozygous nature of the mutations 5) Strong genomic instability of the SPOP mutant subclass. Speckle-type POZ protein, SPOP, acts as a substrate recognition and binding protein, serving as a bridge between the substrate and ubiquitin ligase Cullin-3 ultimately leading to ubiquitination and degradation of the substrate. Despite the hurdles we experienced generating prostate cell lines stably expressing mutant SPOP we were able to show SPOP mutation causes some oncogenic features such as increased invasion capability. I characterized the SPOP status in 720 prostate cancer samples from six international cohorts spanning Caucasian, African American, and Asian patients. This large scale screening effort of samples confirmed our initial number of SPOP mutant affecting about 10-15% prostate cancer patients and led to my first publication as first author in Neoplasia, 2014. We were able to affirm the statistically significant relationship between SPOP mutation and loss of CHD1, and the mutually exclusivity between ERG-rearrangement and SPOP mutation. Still struggling with the lack of any models recapitulating this subgroup we decided to generate a mouse model. In my second first author publication published in Cancer Cell, 2017, we describe the effect of mutant SPOP on multiple pathways in murine prostates as well as prostate cancer cell lines. Using a prostate specific probasin driven Cre system we generated mice expressing SPOP-F133V exclusively in the luminal cells of the prostate. Analyzing this model carefully we first described that mutant SPOP had a cancer initiating function in the setting of homozygous loss of Pten. In the background of heterozygous loss of Pten, mutant SPOP expressing prostate tissue develops high grade prostatic intraepithelial neoplasia. Comparing the SPOP mutant-specific transcriptional signature we retrieved from SPOP-F133V mouse prostate cells to a large human patient cohort (TCGA) confirmed the relevance and comparability of our murine model to human samples on molecular level. We also for the first time described an activation of the PI3K pathway in mutant SPOP cell lines and mouse tissue. Previous work has published a negative reciprocal feedback between PI3K pathway activation and AR activity. We were excited to take a further step towards a better understand of this new subclass when we first described that in murine prostate cell and tissue SPOP mutation causes simultaneous activation of two major prostate cancer pathways, AR and PI3K.

Im Jahr 2011, als erstmals wiederkehrende Mutationen in SPOP im Prostatakrebs beschrieben wurden, war nichts über die spezifische Rolle von SPOP in der Prostata bekannt. Nur ein Jahr später gelang es unserer Gruppe, einige Schlüsselmerkmale dieser neu definierten Prostatakrebs-Untergruppe zu formulieren: 1. SPOP Mutationen treten bei etwa 10-15% lokalen Prostatakarzinomen auf. 2. Mutationen in SPOP fallen in die Substrat-bindende MATH-Domäne. 3. Auffallendes gegenseitiges Ausschließen zwischen zwei häufigen genomischen Alteratione: ERG-Neuanordnung und SPOP-Mutationen. 4. Heterozygote Erscheinung der Mutationen. 5. Starke genomische Instabilität in der SPOP mutierten Unterklasse. Speckle-Typ POZ-Protein, SPOP, wirkt als Substraterkennungs- und Bindungsprotein und dient als Brücke zwischen dem Substrat und der Ubiquitin-Ligase Cullin-3. Dies führt letztendlich zur Ubiquitinierung und zum Abbau des Substrats. Trotz der Schwierigkeiten, die wir bei der Generierung von dauerhaft exprimierenden SPOP mutanten Prostatazelllinien erfuhren, konnten wir zeigen, dass Mutationen in SPOP einige onkogene Merkmale, wie eine erhöhte Invasionsfähigkeit, hervorrufen. Ich habe den SPOP Status von 720 Prostatatumorproben aus sechs internationalen Kohorten charakterisiert. Diese Kohorten umfassen Patienten von europäischer, afroamerikanischer und asiatischer Abstammung. Diese groß angelegte Charakterisierung bestätigte unsere anfängliche berichtete Prozentzahl von etwa 10-15% SPOP mutierten Tumoren und führte zu meiner ersten Veröffentlichung als Erstautor bei Neoplasia im Jahre 2014. Des Weiteren konnten wir die statistisch signifikante Beziehung zwischen SPOP-Mutation und dem Verlust von CHD1 und das gegenseitige Ausschließen von ERG-Neuanordnung und SPOP-Mutation bestätigen. Da wir immer noch mit dem Fehlen jeglicher Modelle, spezifisch für diese Untergruppe, zu kämpfen hatten, entschieden wir uns selber ein Mausmodell zu erstellen. In meiner zweiten Erstautoren- Publikation, die in Cancer Cell im Jahre 2017 veröffentlicht wurde, beschrieben wir die Auswirkung von mutiertem SPOP auf vielfältige Signalwege in der Prostata von Mäusen sowie in Prostatakrebszelllinien. Unter Verwendung eines prostataspezifischen Cre-Systems erzeugten wir Mäuse, welche SPOP-F133V ausschließlich in den Luminalzellen der Prostata exprimieren. Durch sorgfältige Analyse dieses Modells konnten wir zum ersten Mal beschreiben, dass mutiertes SPOP eine krebsauslösende Funktion in Kombination mit homozygotem Pten-Verlust hat. In Kombination mit einem heterozygoten Verlust an Pten entwickelt SPOP mutiertes Prostatagewebe hochgradige prostatische intraepitheliale Neoplasie. Ein Vergleich der SPOP-Mutanten spezifischen Transkriptionssignatur, die wir von SPOP-F133V exprimierenden Mausprostatazellen erhielten, zu einer großen humanen Patientengruppe (TCGA) bestätigte die Relevanz und Vergleichbarkeit unseres Mausmodels auf molekularer Ebene. Auch beschrieben wir zum ersten Mal eine Aktivierung des PI3K-Signalweges in mutierten SPOP-Zelllinien und Mausgewebe. Frühere Arbeiten wiesen auf eine negative reziproke Rückkopplung zwischen PI3K- Signalwegaktivierung und AR-Aktivität hin. Ein weiterer Schritt auf dem Weg zu einem besseren Verständnis dieser neuen Unterklasse gelang uns, als wir erstmals beschreiben konnten, dass Mutationen in SPOP in murinen Prostatazellen und -geweben gleichzeitig die Aktivierung von zwei bekannten Prostatakrebs relevanten Signalwegen, AR und PI3K, bewirken.