Perturbations of circadian rhythms are instrumental in carcinogenesis and facilitate the development of cancer hallmarks. TGFβ acts as a tumour suppressor in the early stages of tumourigenesis due to its growth inhibitory effect, and is able to prompt the tumour malignancy in the advanced stage. As a core component of the TGFβ canonical signal pathway, SMAD4 (DPC4) is frequently mutated in pancreatic cancer, usually causing poor prognosis for PDA patients. Despite current findings revealing the circadian rhythmicity of elements in the TGFβ pathway, the bidirectional interplay between the TGFβ pathway, the circadian clock, and its potential impact on cancer development remains largely uncharacterized. In this doctoral dissertation work, we used Pancreatic adenocarcinoma (PDA) as an experimental model and carried out a systematic analysis to investigate the mechanistic interplay between circadian rhythms and the TGFβ canonical signalling. Particularly, we explored its impact on tumour malignancy in PDA cells, and further verified the influence of genes involved in the crosstalk on patient survival. We identified oscillatory transcriptional expression of TGFβ1, SMAD3, SMAD4 and SMAD7, notably in SMAD4 wild-type (WT) PDA cells. Furthermore, the circadian perturbation via knockdown of BMAL1 and NR1D1 impaired mRNA dynamics of these TGFβ signalling components. In particular, we verified that possible mediators (DEC1, DEC2 and CRY1) among the crosstalk elements were altered depending on SMAD4 expression level. We further identified a link of the TGFβ signalling pathway toward the circadian clock in SMAD4-WT cells, which is altered in SMAD4-mutant (Del) cells. Remarkably, the activation of the TGFβ canonical pathway results in an altered clock with a shorter period, cell cycle arrest, accelerated apoptosis, increased metastatic ability and enhanced chemosensitivity. Taken together, our data indicate that SMAD4-WT and SMAD4-mutant pancreatic cancer cells upon the dysregulation of the circadian clock, result in a significant differential change in cell survival, invasiveness and drug response, highlighting the importance of the associations between the TGFβ pathway, the cellular clock and drug timing which affect chemosensitivity and patient prognosis in a cancer context. TGFβ modulates the circadian clock differentially via the canonical and non-canonical pathways in our model system. This work provides novel evidence concerning the crosstalk between the circadian clock and TGFβ signalling in PDA with an indispensable role for SMAD4 and further highlights new connections between both systems with possible roles in drug response, cancer progression and patients’ prognosis.
Gestörte zirkadianen Rhythmen sind maßgeblich an der Karzinogenese beteiligt und tragen zur Entwicklung von Krebsmerkmalen bei. TGFβ wirkt aufgrund seiner wachstumshemmenden Wirkung im Krebsfrühstadium als Tumorsuppressor und kann im fortgeschrittenen Krebsstadium die Tumormalignität auslösen. Als Kernkomponente im kanonischen TGFβ-Signalweg ist SMAD4 (DPC4) häufig bei Bauchspeicheldrüsenkrebs mutiert, was normalerweise schlechte Folgen für die Patienten hat. Trotz aktueller Erkenntnisse, welche die zirkadiane Rhythmizität von Elementen des TGFβ-Signalwegs offenbaren, ist das bidirektionale Zusammenspiel zwischen dem TGFβ-Signalweg, der zirkadianen Uhr und ihren möglichen Auswirkungen auf die Krebsentwicklung weitgehend uncharakterisiert. In dieser Dissertation verwendeten wir das Pankreas-Adenokarzinom (PDA) als experimentelles Modell und führten eine systematische Analyse durch, um das mechanistische Zusammenspiel zwischen zirkadianen Rhythmen und dem kanonischen TGFβ-Signalweg zu untersuchen. Insbesondere untersuchten wir die Auswirkungen auf die Malignität von Tumoren in PDA-Zellen und verifizierten die Einflüsse von Genen, die am Crosstalk beteiligt sind, auf das Überleben der Patienten. Wir identifizierten oszillatorische transkriptionelle Expression von TGFβ1, SMAD3, SMAD4 und SMAD7, insbesondere in SMAD4 Wild-Typ (WT) PDA-Zellen. Darüber hinaus beeinträchtigte die zirkadiane Störung durch Herunterregulieren von BMAL1 und NR1D1 die mRNA-Dynamik dieser TGFβ-Signalkomponenten. Insbesondere überprüften wir, ob die möglichen Mediatoren (DEC1, DEC2 und CRY1) im Crosstalk in SMAD4-abhängiger Weise verändert wurden. Wir haben ferner eine Verbindung der TGFβ-Signalübertragung zur zirkadianen Uhr in SMAD4-WT-Zellen identifiziert, die in SMAD4-Mutanten (Del) -Zellen verändert ist. Bemerkenswerterweise führt die Aktivierung des kanonischen TGFβ-Weges zu einer kürzeren Periode, einem Stillstand des Zellzyklus, einer beschleunigten Apoptose, einer erhöhten Metastasierungsfähigkeit und einer erhöhten Chemosensitivität. Insgesamt zeigen unsere Daten, dass SMAD4-WT und SMAD4-mutierte Pankreaskrebszellen bei einer Dysregulation der zirkadianen Uhr zu einer signifikanten unterschiedlichen Veränderung des Zellüberlebens, der Invasivität und der Arzneimittelantwort führen, was die Bedeutung der Verbindung zwischen der Uhr und dem TGFβ-Signalweg hervorhebt. Die zelluläre Uhr und der Zeitpunkt der Arzneimittelgabe beeinflussen die Chemosensitivität und das Patientenüberleben in einem Krebskontext. In unserem Modellsystem moduliert TGFβ die zirkadiane Uhr über die kanonischen und nichtkanonischen Pfade unterschiedlich. Diese Arbeit liefert neue Belege für das Zusammenspiel zwischen der zirkadianen Uhr und der TGFβ-Signalübertragung in PDAs, die für SMAD4 eine unverzichtbare Rolle spielen, und zeigt neue Verbindungen zwischen beiden Systemen auf, die möglicherweise eine Rolle bei der Reaktion auf Arzneimittel, dem Fortschreiten des Krebses und der Prognose der Patienten spielen.
