Development of brain tumors from neural stem/progenitor cells

Abstract

Brain tumors are neoplasms of the central nervous system (CNS) and are classified according to their histopathology. Current therapies rely on this classification, but the exact factors specifying these tumor types are not known. Identifying the cellular origin and molecular basis of brain tumor development will contribute to the advancement of new targeted therapies. This thesis investigated the connection between normal neural stem/progenitor cells and brain tumors with respect to the cellular origin of brain tumors and molecular events contributing to their development. The first part of this work focused on surface markers of neural stem/progenitor cells in the lateral ventricle wall (LVW) and spinal cord (SC), which allowed the prospective isolation and investigation of such cells. CD133 was discussed as a “neural stem cell marker” and a phenotypic hint toward a possible lineage relationship between neural stem cells and CD133-positive brain tumor stem cells. A thorough investigation of neural stem cell types carrying this surface marker was however missing at the beginning of this thesis. In this work, CD133 was identified on two cell types in the postnatal LVW region: post-mitotic ependymal cells – the vast majority of CD133-positive LVW cells – and a subpopulation of ventricle-contacting astrocytic stem cells. In addition, CD133-positive ependymal cells in the adult SC were investigated. In contrast to ependymal cells in the LVW, SC ependymal cells showed in vitro self-renewal and multipotency. Comparative gene expression analysis of both cell types revealed that SC ependymal cells express certain genes which likely contribute to their stem cell properties. Furthermore, several genes were found upregulated in SC ependymal cells which have previously been reported as signature genes in ependymomas – i.e. tumors of the SC, which may originate from SC ependymal cells. The observed molecular and functional similarities between self-renewing stem cell types and tumor cells indicate a possible derivation of brain tumors from a normal stem/progenitor cell type. In the second part of this work, two main questions were addressed: 1) Which oncogenic factors are sufficient to induce brain tumor development from normal neural stem/progenitor cells of the LVW, and 2) Do genetic events direct brain tumor phenotypes? The combination and order of HRAS and MYC over-expression in Trp53-deficient neural stem/progenitor cells was found to instruct the development of gliomas, CNS PNETs or atypical teratoid/rhabdoid (AT/RT)-like tumors. AT/RT-like tumors histologically resembled human AT/RTs and the gene expression profile of both of these tumors indicated an activation of the unfolded protein response (UPR). This cellular pathway is induced upon stress conditions like hypoxia or nutrient-deprivation and has an essential and supportive role for rapidly growing tumors like AT/RTs. AT/RTs are characterized by the loss of function of the tumor suppressor SMARCB1 and investigations in this thesis demonstrate that this loss leads to an increased sensitivity toward eIF2alpha phosphorylation, which is a central UPR component. Based on these findings, an interference with the UPR is suggested as a novel strategy for the treatment of SMARCB1-deficient tumors. In contrast to MYC and HRAS, the over-expression of other candidate oncogenes, like Ezh2, FoxM1 or Bmi1 failed to induce tumor development. This work demonstrates that Bmi1 over-expression leads to an increased neurosphere cell self-renewal and proliferation and a decrease in cell death. These BMI1 effects are relevant for the maintenance of tumor cells. How BMI1 exerts its functions remains only partly understood, and in this thesis, four novel BMI1 target genes are identified, which – based on their known functions - could contribute to the described BMI1 effects.

Gehirntumore sind Neoplasmen des zentralen Nervensystems (ZNS) und werden nach ihrer Histopathologie klassifiziert. Aktuelle Therapien basieren auf dieser Einstufung, jedoch sind die genauen Faktoren die zur Ausprägung distinkter Gehirntumoren beitragen nicht bekannt. Die Aufklärung der molekularen Grundlagen sowie des zellulären Ursprungs von Gehirntumoren ist daher von grundlegender therapeutischer Relevanz. Die vorliegende Arbeit untersucht den Zusammenhang zwischen neuralen Stamm-/Vorläuferzellen und Gehirntumoren im Hinblick auf den zellulären Ursprung von Gehirntumoren und den Beitrag genetischer Veränderungen zu ihrer Entwicklung. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden Oberflächenmarker von neuralen Stamm-/Vorläuferzellen untersucht, um die Isolation und Untersuchung dieser Zellen zu ermöglichen. Der Oberflächenmarker CD133 wird in der Literatur als "neuraler Stammzellmarker" und potentieller phänotypischer Hinweis für eine Abstammung von Krebsstammzellen von ihren Ursprungszellen diskutiert. Die Präsenz von CD133 auf postnatalen Stammzellen des ZNS war zu Beginn dieser Arbeit jedoch nicht ausreichend geklärt. In dieser Arbeit wurden zwei CD133-positive Zelltypen in der postnatalen lateralen Ventrikelwand (LVW) identifiziert: post-mitotische Ependymzellen, die die Mehrheit der CD133-positiven Zellen der LVW darstellten, und eine Subpopulation von Ventrikel-kontaktierenden astrozytären Stammzellen. Zusätzlich wurden CD133-positive Ependymzellen im postnatalen Rückenmark (RM) untersucht. Im Gegensatz zu den CD133-positiven LVWEpendymzellen, wiesen die Ependymzellen des RMs Stammzelleigenschaften, wie in vitro Selbsterneuerung und Multipotenz, auf. Eine vergleichende Genexpressionsanalyse beider Ependymzelltypen identifizierte mehrere in RM-Ependymzellen stärker exprimierte Gene, die – basierend auf ihre bekannte Funktion - von potentieller Relevanz für ihre Stammzelleigenschaften sein könnten. Darüber hinaus wurden in RM-Ependymzellen hochregulierte Gene gefunden, die in der Literatur als RM-Ependymoma- spezifische Signaturgene bekannt sind. RM-Ependymzellen wurden als potentielle Ursprungszellen von adulten RM-Ependymomen vorgeschlagen. Die hier beobachteten molekularen und funktionellen Gemeinsamkeiten zwischen sich selbst-erneuernden Stammzellen und Tumorzellen, deuten auf eine potentielle Abstammung der Gehirntumore von Stamm-/Vorläuferzellen hin. Im zweiten Teil der Arbeit wurden zwei Fragen adressiert: 1) Welche onkogenen Faktoren initiieren die Entwicklung von Gehirntumoren aus neuralen Stamm-/Vorläuferzellen, und 2) Welchen Einfluss haben genetische Veränderungen bei der Spezifizierung des Tumorphänotyps? Diese Arbeit zeigte, dass die Kombination und Reihenfolge der HRAS und MYC Überexpression in Trp53-defizienten Zellen die Entstehung von drei distinkten Gehirntumortypen (Gliome, ZNS primitive neuroektodermale Tumore (PNETs) und atypische teratoid/rhabdoid (AT/RT)-artige Tumore) instruiert. In Genexpressionsprofilen der generierten murinen AT/RT-artigen Tumore sowie der humanen AT/RTs wurden Hinweise auf eine Aktivierung der „Unfolded Protein Response"(UPR) gefunden. Diese zelluläre Stressantwort wird unter bestimmten Konditionen wie Hypoxie oder Nährstoffmangel aktiviert und hat eine unterstützende Rolle für schnell wachsende Tumore wie AT/RTs. AT/RTs weisen typischerweise den funktionellen Verlust des Tumorsuppressors SMARCB1 auf. Untersuchungen in dieser Arbeit zeigen, dass eine reduzierte SMARCB1 Expression zu einer erhöhten Sensitivität der eIF2a Phosphorylierung führt, was charakteristisch für eine aktivierte UPR ist. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit, wird die UPR als neuartiges Target für die Therapie von SMARCB1-defizienten Tumoren vorgeschlagen. Im Gegensatz zu MYC und HRAS, war die Überexpression von anderen Onkogenen, wie Ezh2, FoxM1 oder Bmi1 nicht ausreichend um eine Tumorentstehung zu initiieren. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine Überexpression von Bmi1 in neuralen Stammzellen Selbsterneuerung und Proliferation fördert, sowie Zelltod unterdrückt. Diese Effekte sind von großer Relevanz für die Erhaltung von Tumorzellen, der genaue Mechanismus ist jedoch nur teilweise verstanden. In dieser Arbeit wurden vier neue BMI1-Targetgene identifiziert, deren bekannte Funktionen dazu beitragen die BMI1-vermittelten Effekte zu erklären.