Putting the brakes on mammary tumorigenesis

Interferone sind wichtige Signalmoleküle des Immunsystems die es den Zellen eines Organismus ermöglichen zielgerecht auf Pathogene wie Viren, Parasiten, Bakterien aber auch Tumorzellen zu reagieren. Der Transkriptionsfaktor STAT1 (signaltransducer and activator of transcription 1) spielt eine zentrale Rolle in der Signalübertragung durch Interferone und ist daher Voraussetzung für ein voll funktionstüchtiges Immunsystem. STAT1 wird ebenfalls für die effiziente zytotoxische Aktivität von T Zellen (CTLs) sowie natürliche Killerzellen (NK Zellen) benötigt. Funktionelle Deletionen oder Mutationen des STAT1 Genes in Mäusen aber auch Menschen äußern sich in einer Hypersensibilität gegenüber viralen und bakteriellen Infektionen. Abgesehen von seiner Schlüsselfunktion im Immunsystem wird STAT1 aber auch eine wichtige Rolle als Tumor-Suppressor zugeschrieben. Eine Brustkrebsstudie an Frauen konnte eine hohe Expression und Aktivität von STAT1 mit einem längeren und rezidivfreien Überleben der Patientinnen positiv korrelieren. Mausmodelle mit ErbB2-induzierten Brusttumoren zeigten außerdem, dass die totale oder die gewebsspezifische Deletion von STAT1 zu einer verkürzten Latenz der Tumorentstehung führt. Diese Erkenntnisse weisen darauf hin, dass STAT1 eine wichtige Rolle in der Brustkrebsentstehung besitzt. Die genaue Funktion von STAT1 im Brustgewebe und der Mechanismus, wie STAT1 die Brustkrebsentstehung unterdrückt, konnten bislang jedoch noch nicht aufgeklärt werden. Im Rahmen meiner Dissertation konnte ich anhand von Mausmodellen zeigen, dass der Verlust von STAT1 ausreicht, um Brustkrebs auszulösen. Stat1-/- Mäuse entwickelten spontane schwangerschaftsvermittelte Brusttumore mit einer generell höheren Inzidenz und verkürzten Latenz als Stat1+/+ Kontrolltiere. Die Wichtigkeit von STAT1 in der Tumorentstehung wurde auch dadurch bestätigt, da STAT1-positive Brusttumore der Kontrollgruppe eine mosaikartige Expression und einen teilweisen Verlust des STAT1 Proteins aufwiesen. Stat1-/- Tumore zeigten eine heterogene Histopathologie und kein einheitliches Expressionsmuster des Estrogenrezeptors (ER) oder des humanen epithelialen Wachstumsfaktors 2 (HER2). Dies bedeutet, dass sich die tumorsuppressive Funktion von STAT1 nicht auf einen bestimmten onkogenen Treiber beschränkt, sondern dass STAT1 als globaler Brusttumorsuppressor wirkt. Die Transplantation von Stat1-/- Brustgewebe in Stat1+/+ Mäuse und vice versa zeigte, dass STAT1 im Immunsystem UND im Brustgewebe wichtig für die Unterdrückung der Krebsentstehung ist. Zytotoxische T Zellen wurden als Hauptmediatoren in der Überwachung von Brusttumoren identifiziert; NK Zellen spielen hierbei nur eine untergeordnete Rolle. Zusätzlich konnte ich zeigen, dass STAT1 im Brustepithel für die Aufrechterhaltung der Wachstumskontrolle zuständig ist - ein Effekt der über IRF1, einen Downstream-Faktor von STAT1 vermittelt wird. Sowohl transformierte als auch primäre Zellen des Brustepithels wiesen eine erhöhte Teilungsrate im Vergleich zu Wildtyp-Kontrollen auf. In 3D Kulturen bildeten Stat1-/- und Irf1-/- Brustepithelzellen unstrukturierte Mammospheren. Übereinstimmend damit fanden sich auffällig häufig sogenannte “mammary intraepithelial neoplasias” (MINs) in den Stat1-/- Mäusen. MINs zeichnen sich durch abnormes Zellwachstum aus und stellen ein präkarzinogenes Stadium dar, welches das Potential besitzt sich in invasiven Brustkrebs weiterzuentwickeln. Zusammenfassend kam ich durch meine Forschungsergebnisse zu dem eindeutigen Schluss, dass der Transkriptionsfaktor STAT1 die Brustkrebsentstehung über zwei unabhängige Mechanismen unterdrückt: Einerseits durch die Aufrechterhaltung einer effizienten Tumorüberwachung mittels zytotoxischer T Zellen, und andererseits durch die Wachstumskontrolle von Zellen des Brustepithels, welche über den Transkriptionsfaktor IRF1 vermittelt wird.Interferons are important signaling molecules of the immune system that allow cells of an organism to react specifically to pathogens such as viruses, parasites, bacteria but also tumor cells. The transcription factor STAT1 (signal transducer and activator of transcription 1) is an essential mediator of interferon signaling and therefore a prerequisite for a fully functional immune system. STAT1 is also required for the efficient cytotoxic activity of T cells (CTLs) and natural killer (NK) cells. Functional deficiency or mutation of STAT1 leads to hypersensitivity to viral and bacterial infections in both mice and men. Besides being a key factor in immune regulation, STAT1 is also considered as an important tumor suppressor. A breast cancer study correlated a high expression and activation of STAT1 positively with an overall longer and relapse-free survival of cancer patients. In mouse models of ErbB2-induced breast cancer the complete but also the tissue specific deletion of STAT1 results in a decreased latency of tumor formation. These observations indicate STAT1 as important safeguard in mammary cancer development. However, the exact role of STAT1 in the mammary gland tissue and the mechanism how STAT1 confers mammary tumor suppression had not yet been clarified. During my PhD thesis I revealed that loss of STAT1 suffices to promote mammary tumor formation in mice. Stat1-/- mice developed spontaneous pregnancy-induced mammary tumors with an overall higher incidence and shorter latency when compared to Stat1+/+ controls. The importance of STAT1 in tumor suppression was further confirmed as STAT1-positive tumors of the control group showed a mosaic expression and partially down-regulation of STAT1 protein. Stat1-/- tumors displayed a heterogeneous histopathology and did not show a particular pattern of expression of the estrogen receptor (ER) or human epidermal growth factor receptor 2 (HER2). This identifies STAT1 as a global mammary tumor suppressor that acts independent of a distinct oncogenic driver. The transplantation of Stat1-/- mammary tissue into wild type mice and vice versa linked the tumor suppressing role of STAT1 to both, the immune system AND the mammary tissue. Cytotoxic T cells were defined as the main executors of mammary tumor surveillance, whereas NK cells play only a marginal role. I further demonstrated that STAT1 is responsible for maintaining growth control in the mammary epithelium - an effect which is mediated by IRF1, a downstream-factor of STAT1. Both transformed and primary Stat1-/- mammary epithelial cells displayed increased growth rates compared to wild type controls. Further, STAT1- and IRF1-deficiency resulted in the formation of unstructured mammospheres in 3D cultures. Consistently, Stat1-/- mice developed mammary intraepithelial neoplasias (MINs) with high frequency. MINs are characterized by abnormal growth of mammary epithelial cells and represent a potential pre-carcinogenic stage as they have a high potential to develop into invasive breast cancer. In summary I unequivocally conclude from my data, that STAT1 controls mammary tumor formation in a dual way: On the one hand by sustaining efficient cytotoxic T cell surveillance and on the other hand by maintaining growth control of mammary epithelial cells. The growth inhibitory effect of STAT1 might be exerted via the transcription factor IRF1