Breast cancer is the most common malignancy and the leading cause of cancer deaths in women due to metastasis. Metastasis is a complex mechanism causing the distant dissemination of cancer cells, and the underlying mechanism is not fully understood. The bone morphogenetic protein (BMP) pathway is a key regulator of development and tissue homeostasis. Its aberrant activity has both inhibitory and promoting roles in malignancies. Increased level and nuclear translocation of β-CATENIN, the core mediator of the Wingless/Integrated (WNT)/β-CATENIN pathway, are observed in most malignancies, contributing to metastasis. However, current strategies targeting β-CATENIN are not as effective as desired. The WNT/β-CATENIN and BMP pathways crosstalk in the development and tissue homeostasis of different organs, either cooperating or balancing each other. This is most evident in colorectal cancer, where the BMP pathway inhibits WNT-driven tumorigenesis. However, it remains elusive whether a similar mechanism exists in breast cancer. In the first part, human breast cancer cell lines were stimulated with BMP2 or BMP6, which were significantly downregulated in the TCGA breast cancer datasets, to understand whether they have an effect on β-CATENIN. The data revealed that BMP simulation in MCF7 and T47D cells induces phosphorylation of β-CATENIN at residues that cause decrease in protein stability. This requires SMAD4 and the kinase activity of BMP type 1 receptors. In contrast, β-CATENIN protein level decreased exclusively in MCF7 cells, exerting a limited effect on the target gene expression. Intriguingly, BMP stimulation did not induce β-CATENIN phosphorylation in two other breast cancer cell lines, MDA MB 231 and MDA MB 468, independent of SMAD4 status, suggesting that regulation may occur in a cell line-specific manner. The second part investigated the physical interaction between cancer and endothelial cells. Mutations/inhibition of BMP type 2 receptor (BMPR2) expression in endothelial cells cause pulmonary arterial hypertension (PAH) by disrupting endothelial cell homeostasis in lung arteries and increasing the adhesion of monocytes to the endothelium. Tumor vasculature shares similarities with the endothelium driven by BMPR2 deficiency. However, no study has examined whether endothelial BMPR2 deficiency affects cancer cell adhesion. Therefore, BMPR2-deficient endothelial cell model was used to study the interaction of cancer cells using in vitro assays, such as transmigration and cell adhesion assays in different conditions. Similar to PAH, BMPR2 deficiency increased the junctional permeability of endothelial cells and increased the intravasation potential of MDA MB 231 breast cancer cells. However, it decreased cancer cell adhesion to the apical side of the endothelium, suggesting that endothelial BMPR2 could have opposing effects at early and late stages of metastasis. RNA-seq data showed that most of the cell adhesion and endothelial junction-related markers were reduced in BMPR2-deficient cells, whereas siRNA-mediated silencing of BMPR2 in wild-type endothelium reduced a limited number of adhesion molecules and did not affect cancer cell adhesion, suggesting that impaired cancer cell adhesion to endothelium could be due to a long-term change in adhesion markers downstream of BMPR2-mediated BMP pathway activity. Taken together, the findings highlight the importance of the BMP pathway in cancer progression and metastasis by focusing on two independent, yet related, aspects in the context of breast cancer.
Brustkrebs ist die häufigste bösartige Erkrankung und die Hauptursache für Krebstodesfälle bei Frauen aufgrund von Metastasierung. Die Metastasierung ist ein komplexer Mechanismus, der die Fernausbreitung von Krebszellen verursacht, und der zugrunde liegende Mechanismus ist noch nicht vollständig geklärt. Der BMP-Signalweg (bone morphogenetic protein) ist ein wichtiger Regulator der Entwicklung und der Gewebehomöostase. Seine abnorme Aktivität kann eine hemmende and fördernde Rolle bei bösartigen Erkrankungen spielen. Bei den meisten bösartigen Erkrankungen wird eine erhöhte Konzentration und Kerntranslokation von β-CATENIN, dem zentralen Mediator des Wingless/Integrated (WNT)/β-CATENIN-Signalwegs, beobachtet, was zur Metastasierung beiträgt. Die derzeitigen Strategien, die auf β-CATENIN abzielen, sind jedoch nicht so wirksam wie gewünscht. Der WNT/β-CATENIN- und der BMP-Signalweg überschneiden sich bei der Entwicklung und der Gewebehomöostase verschiedener Organe, wobei sie entweder zusammenarbeiten oder sich gegenseitig ausgleichen. Am deutlichsten zeigt sich dies bei Darmkrebs, wo der BMP-Weg die WNT-gesteuerte Tumorigenese hemmt. Es bleibt jedoch unklar, ob ein ähnlicher Mechanismus auch bei Brustkrebs existiert. Im ersten Teil wurden menschliche Brustkrebszelllinien mit BMP2 oder BMP6 stimuliert, die in den TCGA-Brustkrebsdatensätzen signifikant herunterreguliert wurden, stimuliert um zu verstehen, ob diese Faktoren einen Einfluss auf β-CATENIN haben. Die Daten zeigten, dass die BMP-Simulation in MCF7- und T47D-Zellen die Phosphorylierung von β-CATENIN an Resten induziert, die eine Abnahme der Proteinstabilität bewirken. Dies erfordert SMAD4 und die Kinase-Aktivität von BMP-Typ-1-Rezeptoren. Im Gegensatz dazu verringerte sich der β-CATENIN-Proteingehalt ausschließlich in MCF7-Zellen, die eine begrenzte Wirkung auf die Expression des Zielgens ausübten. Interessanterweise induzierte die BMP-Stimulation keine β-CATENIN-Phosphorylierung in zwei anderen Brustkrebszelllinien, MDA MB 231 und MDA MB 468, unabhängig vom SMAD4-Status, was darauf hindeutet, dass die Regulierung möglicherweise zelllinienspezifisch erfolgt. Im zweiten Teil wurde die physikalische Interaktion zwischen Krebs- und Endothelzellen untersucht. Mutationen bzw. die Hemmung der Expression des BMP-Typ-2-Rezeptors (BMPR2) in Endothelzellen verursachen pulmonale arterielle Hypertonie (PAH), indem sie die Homöostase der Endothelzellen in den Lungenarterien stören und die Adhäsion von Monozyten am Endothel erhöhen. Die Tumorgefäße weisen Ähnlichkeiten mit dem Endothel auf, das durch BMPR2-Mangel geschädigt wird. In keiner Studie wurde jedoch untersucht, ob ein BMPR2-Mangel im Endothel die Adhäsion von Krebszellen beeinflusst. Daher wurde ein BMPR2-defizientes Endothelzellmodell verwendet, um die Interaktion von Krebszellen mit Hilfe von In-vitro-Tests wie Transmigrations- und Zelladhäsionstests unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen. Ähnlich wie bei PAH erhöhte der BMPR2-Mangel die Durchlässigkeit der Endothelzellen und steigerte das Intravasionspotenzial von MDA MB 231 Brustkrebszellen. Allerdings verringerte sich die Adhäsion der Krebszellen an der apikalen Seite des Endothels, was darauf hindeutet, dass endotheliales BMPR2 in frühen und späten Stadien der Metastasierung gegensätzliche Wirkungen haben könnte. RNA-seq-Daten zeigten, dass die meisten Marker für Zelladhäsion und endotheliale Verbindungen in BMPR2-defizienten Zellen reduziert waren, während die siRNA-vermittelte Ausschaltung von BMPR2 in Wildtyp-Endothel eine begrenzte Anzahl von Adhäsionsmolekülen reduzierte und die Krebszelladhäsion nicht beeinträchtigte. Dies deutet darauf hin, dass die beeinträchtigte Krebszelladhäsion am Endothel auf eine langfristige Veränderung der Adhäsionsmarker zurückzuführen sein könnte, die der BMPR2-vermittelten Aktivität des BMP-Signalwegs nachgeschaltet ist. Insgesamt unterstreichen die Ergebnisse die Bedeutung des BMP-Signalwegs für das Fortschreiten von Krebs und die Metastasierung, indem sie sich auf zwei unabhängige, aber miteinander verbundene Aspekte im Zusammenhang mit Brustkrebs konzentrieren.
