Wnt/beta-catenin signaling modulates salivary gland tumors and cancer stem cells by epigenetic mechanisms

Wnt/beta-Catenin-Signalgebung hat große Bedeutung für die Initiation und Progression verschiedener Krebsarten. Unser Labor hat kürzlich ein Mausmodell für Squamöse Speicheldrüsen-Karzinome etabliert, das menschliche Hals-Nasen-Ohren-Karzinome reflektiert, durch kombinierte Mutationen von beta-Catenin und dem Bmp-Rezeptor 1a. Diese Tumore enthielten hohen Level von sich selbst-erneuernden Krebs-Stammzellen. Behandlung mit den Wnt-Inhibitoren ICG-001 blockierte die Selbsterneuerung und induzierte die Differenzierung der Krebs-Stammzellen. In den Krebs-Stammzellen der Maus wurde eine globale Aufregulierung des Histonmarkers H3K4me3 beobachtet, was durch Wnt-Inhibition gehemmt werden konnte. Um die molekularen Mechnismen aufzuklären, wurden die Histon-Methyltransferasen für H3K4me3, d.h., Mitglieder der Mll-Proteinfamilie, in sphären-kultivierten Krebs-Stammzellen durch RT-PCR analysiert: Mll1 war hoch transkribiert, zusammen mit den Hoxa9- und Meis1-Zielgenen. Interessanterweise aktivierte die Expression von Mll1 durch Wnt-Signalgebung die distale Enhancer-Region von Mll1, was durch Luciferase-Reporter-Assays gemessen wurde. Immunopräzipitation zeigte weiter, dass Mll1 im beta-Catenin-Transcriptionsfaktor-Komplex involviert ist: shRNA-Behandlung von Mll1 reduzierte die Sphären-Bildung der Speicheldrüsen-Krebs-Stammzellen der Maus. In doppelt-mutanten Mäusen hat die zusätzliche genetische Ablation von Mll1 die Tumorbildung verhindert und die Selbsterneuerung der Krebs-Stammzellen reduziert. Diese Daten zeigen dass die beta-Catenin-Mll1-Achse die Selbsterneuerung der Stammzellen antreibt und deren Differenzierung verhindert, und zwar via epigenetische Mechanismen. Deshalb wird durch das Targeting von Mll1 und dessen Interaktion mit beta-Catenin und andern Komponenten den gesunden epigenetischen Zustand in den Stammzellen wieder herstellt, was eine neue und vielversprechende Möglichkeit für die Behandlung von Patienten mit Hals-Nasen-Ohren-Tumoren darstellt.Wnt/beta-catenin signaling has been implicated in the initiation and progression of various human cancers. Our lab has recently established a mouse model of salivary gland squamous cell carcinomas (SCCs), which resembles human head and neck cancer, by combined gain- and loss-of-function mutations of beta-catenin and the Bmp receptor 1a (double mutant tumors). These tumors contained highly self-renewing cancer stem cells (CSCs) that were Wnt-dependent. Treatment with the Wnt inhibitor ICG-001 (interferes with beta-catenin-CBP-Mll1 interaction) blocked the self-renewal and induced differentiation of CSCs. In the mouse salivary gland CSCs, a global up-regulation of the histone mark H3K4me3 was observed, which could be suppressed by Wnt inhibition. To study the potential molecular mechanisms, the H3K4me3 histone methyl-transferases, i.e., members of the Mll protein family were analyzed in freshly isolated, sphere-cultured CSCs by RT-PCR: Mll1 was highly transcribed, together with its target genes Hoxa9 and Meis1. Interestingly, the expression of Mll1 was upregulated by Wnt signaling by activating its distal enhancer regions, which was seen with Luciferase reporter assays. Immuno-precipitation further showed that Mll1 is involved in the beta-catenin/Tcf4 transcription factor complex: shRNA treatment against Mll1 reduced sphere formation of mouse salivary gland CSCs. In double mutant mice, additional genetic ablation of Mll1 (triple mutant tumors) abrogated tumor formation and affected the self-renewal ability of CSCs. Collectively, the data presented in this study show that the beta-catenin-Mll1 axis drives self‐renewal and fends off differentiation of CSCs via epigenetic mechanisms. Therefore, targeting Mll1 or its interaction with beta-catenin and other components may help to restore a healthy epigenetic state in the stem cells, which represent a novel and promising therapeutic approach for the treatment of head and neck SCCs