Role of the p53/miR-34a pathway in the response to tumor hypoxia

In colorectal cancer (CRC), hypoxia causes resistance to therapy and promotes metastasis. Mutation of the tumor suppressor TP53 provides a selective advantage to cancer cells under conditions of hypoxia, but little is known about the mediators of this effect. In this thesis I could show that the hypoxia inducible factor 1 alpha subunit (HIF1A) directly represses the MIR34A gene in TP53-defective CRC cells, whereas expression of MIR34A was induced in TP53-proficient CRC cells exposed to hypoxia. Down-regulation of MIR34A was required for hypoxia-induced epithelial to mesenchymal transition (EMT), invasion and migration, and activation of STAT3 in CRC cells. In this study the PPP1R11 (protein phosphatase 1 regulatory inhibitor subunit 11; INH3; HCGV; IPP3; HCG-V; TCTE5; TCTEX5; CFAP255), was identified and characterized as a target of MIR34A. PPP1R11 mediates phosphorylation (activation) of STAT3 by inhibiting protein phosphatase (PP1), so expression of MIR34A inhibited STAT3 activity in TP53-negative CRC cells. Ectopic expression of INH3 in CRC cells induced EMT, invasion, and migration, which all required STAT3. Increased expression of INH3 in TP53-negative CRC cells was required for hypoxia-induced EMT, invasion, migration, and chemo-resistance to 5-fluorouracil, as well as metastases of xenograft tumors to lungs of mice. Adenomas and derived tumoroids of ApcMin/+ mice with disruption miR34a, miR34b and miR34c expressed increased levels of INH3. Colorectal tumors from patients dispalyed increased levels of INH3 at areas of invasion, compared with other areas of the tumor. Increased INH3 levels associated with TP53 mutations and metastasis to liver. HIF1A represses, whereas p53 increases, expression of MIR34A in CRC cells. MIR34A reduces expression of INH3 to prevent activation of STAT3 and inhibit the EMT and metastasis. In the future strategies to target this pathway might be developed to inhibit CRC metastasis and overcome resistance to therapy associated with hypoxia.Hypoxie verursacht Therapieresistenz und fördert die Metastasierung von kolorektalen Karzinomen (KRK). Unter hypoxischen Bedingungen verleiht die Mutation des Tumorsuppressorgens TP53 den Krebszellen einen selektiven Vorteil. Die Mediatoren dieses Effektes sind jedoch weitgehend unbekannt. In der vorliegenden Arbeit konnte ich zeigen, dass unter Hypoxie der Hypoxie-induzierbare Faktor-1 (HIF1A) das MIR34A-Gen in TP53-defekten KRK-Zellen unterdrückt, während in TP53-kompetenten KRK-Zellen die Expression von MIR34A induziert wird. Die Herabregulierung von MIR34A in KRK-Zellen war für die Hypoxie-induzierte Epithelial-Mesenchymale-Transition (EMT), Invasion und Migration, sowie Aktivierung von STAT3 verantwortlich. In dieser Arbeit wurde die Protein Phosphatase 1 regulatorische Inhibitor Untereinheit 11 (PPP1R11; INH3; HCGV; IPP3; HCG-V; TCTE5; TCTEX5; CFAP255), welche einen Inhibitor der Protein Phosphatase 1 (PP1) kodiert, als eine durch MIR34A-regulierte mRNA identifiziert und charakterisiert. INH3 vermittelt die Phosphorylierung und damit Aktivierung des STAT3 Proteins durch Inhibition von PP1. Die Expression von MIR34A in TP53-negativen KRK-Zellen reduzierte daher die Aktivität von STAT3. Die ektopische Expression von INH3 in KRK-Zellen induzierte STAT3-abhängige EMT, Invasion und Migration. Die erhöhte Expression der INH3 in TP53-negativen CRC-Zellen war erforderlich für Hypoxie-induzierte EMT, Invasion, Migration und Chemo-Resistenz gegenüber 5-Fluorouracil, sowie für die Metastasierung von Xeno-transplantierten KRK-Zellen in Lungen von Mäusen. Adenome und abgeleitete Tumoroide von ApcMin/+ Mäusen mit Deletion von miR34a, miR34b und miR34c zeigten eine erhöhte INH3 Proteinexpression. Primäre KRKs von Patienten wiesen erhöhte INH3 Proteinexpression an der Invasionsfront im Vergleich zu anderen Bereichen des Tumors auf. Erhöhte INH3-Levels waren mit TP53-Mutationen und Lebermetastasen assoziiert. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die Expression von MIR34A in KRK-Zellen durch HIF1A inhibiert und durch p53 hingegen erhöht wird. MIR34A unterdrückt die Expression von INH3 und verhindert so die Aktivierung von STAT3 und hemmt EMT und Metastasierung. In der Zukunft könnten Strategien zur gezielten Beeinflussung dieses Signalwegs genutzt werden, um die Metastasierung von KRKs zu hemmen und die Hypoxie-induzierte Therapieresistenz beim KRK zu überwinden