Evaluating DNA damage response (DDR) activation in human prostate cancer

Abstract

Introduction: Au Canada, le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les hommes et le plus mortel après les cancers du poumon et du côlon. Il y a place à optimiser le traitement du cancer de la prostate de manière à mettre en œuvre une médecine personnalisée qui s’adapte aux caractéristiques de la maladie de chaque patient de façon individuelle. Dans ce mémoire, nous avons évalué la réponse aux dommages de l’ADN (RDA) comme biomarqueur potentiel du cancer de la prostate. Les lésions potentiellement oncogènes de l'ADN déclenche une cascade de signalisation favorisant la réparation de l'ADN et l’activation des points de contrôle du cycle cellulaire pour préserver l’intégrité du génome. La RDA est un mécanisme central de suppression tumorale chez l’homme. La RDA joue un rôle important dans l’arrêt de la prolifération des cellules dont les génomes sont compromis, et donc, prévient la progression du cancer en agissant comme une barrière. Cette réponse cellulaire détermine également comment les cellules normales et cancéreuses réagissent aux agents utilisés pour endommager l'ADN lors du traitement du cancer comme la radiothérapie ou la chimiothérapie, en plus la présence d,un certain niveau de RDA dans les cellules du cancer de la prostate peuvent également influer sur l'issue de ces traitements. L’activation des signaux de la RDA peut agir comme un frein au cancer dans plusieurs lésions pré-néoplasiques de l'homme, y compris le cancer de la prostate. Il a été démontré que la RDA est augmentée dans les cellules de néoplasie intra- épithéliale (PIN) comparativement aux cellules prostatiques normales. Toutefois, le devient de la RDA entre le PIN et l’adénocarcinome est encore mal documenté et aucune corrélation n'a été réalisée avec les données cliniques des patients. Notre hypothèse est que les niveaux d’activation de la RDA seront variables selon les différents grades et agressivité du cancer de la prostate. Ces niveaux pourront être corrélés et possiblement prédire les réponses cliniques aux traitements des patients et aider à définir une stratégie plus efficace et de nouveaux biomarqueurs pour prédire les résultats du traitement et personnaliser les traitements en conséquence. Nos objectifs sont de caractériser l'activation de la RDA dans le carcinome de la prostate et corréler ses données avec les résultats cliniques. Méthodes : Nous avons utilisé des micro-étalages de tissus (tissue microarrays- TMAs) de 300 patients ayant subi une prostatectomie radicale pour un cancer de la prostate et déterminé le niveau d’expression de protéines de RDA dans le compartiment stromal et épithélial des tissus normaux et cancéreux. Les niveaux d’expression de 53BP1, p-H2AX, p65 et p-CHK2 ont été quantifiés par immunofluorescence (IF) et par un logiciel automatisé. Ces marqueurs de RDA ont d’abord été validés sur des TMAs-cellule constitués de cellules de fibroblastes normales ou irradiées (pour induire une activation du RDA). Les données ont été quantifiées à l'aide de couches binaires couramment utilisées pour classer les pixels d'une image pour que l’analyse se fasse de manière indépendante permettant la détection de plusieurs régions morphologiques tels que le noyau, l'épithélium et le stroma. Des opérations arithmétiques ont ensuite été réalisées pour obtenir des valeurs correspondant à l'activation de la RDA qui ont ensuite été corrélées à la récidive biochimique et l'apparition de métastases osseuses. Résultats : De faibles niveaux d'expression de la protéine p65 dans le compartiment nucléaire épithélial du tissu normal de la prostate sont associés à un faible risque de récidive biochimique. Par ailleurs, nous avons aussi observé que de faibles niveaux d'expression de la protéine 53BP1 dans le compartiment nucléaire épithéliale du tissu prostatique normal et cancéreux ont été associés à une plus faible incidence de métastases osseuses. Conclusion: Ces résultats confirment que p65 a une valeur pronostique chez les patients présentant un adénocarcinome de la prostate. Ces résultats suggèrent également que le marqueur 53BP1 peut aussi avoir une valeur pronostique chez les patients avec le cancer de la prostate. La validation d'autres marqueurs de RDA pourront également être corrélés aux résultats cliniques. De plus, avec un suivi des patients plus long, il se peut que ces résultats se traduisent par une corrélation avec la survie. Les niveaux d'activité de la RDA pourront éventuellement être utilisés en clinique dans le cadre du profil du patient comme le sont actuellement l’antigène prostatique spécifique (APS) ou le Gleason afin de personnaliser le traitement.

Background: Prostate cancer is the most frequently diagnosed cancer in Canadian men and is the third deadliest after lung and colon cancers. Currently, prostate cancer treatments are based on results obtained of digital rectal exam, Gleason scores from biopsy specimens and serum PSA (Prostatic Specific Antigen) levels. The identification of specific biomarkers for diagnosis and prognosis, as well as new therapeutic targets, is quickly paving the way for personalized medicine. Ideally, in the future, patient care will include molecular signature of a patient's disease to guide for a more efficient treatment. In this thesis, we evaluated the DNA damage response (DDR) as a potential biomarker in prostate cancer. DNA lesions in mammalian cells trigger the DDR signalling cascade that orchestrates DNA repair and activate cell cycle checkpoints to preserve genome integrity. Loss of genome stability is usually associated with cancer development, and activated DDR signalling in cells with genomic instability act as a cancer barrier in several pre-neoplastic human lesions, including prostate cancer. Thus, the DDR is an important cancer suppression mechanism. The DDR is also activated in response to anti- cancer agents including radiation therapy (RT) and DNA-damaging chemotherapies. Pre- existing DDR levels in prostate cancer cells may influence the outcome of these cancer treatments. DDR signalling has been detected during human prostate cancer progression from low levels in normal prostate cells to high levels in high-grade prostatic intraepithelial neoplasia (HG-PIN). However, DDR signalling variations detected from HG-PIN to adenocarcinoma remain unclear, and no correlations were performed with patient clinical outcome data. Our hypothesis is that the levels of persistent DDR signalling activity will be variable with different grades and aggressiveness of prostate cancer. The levels of this activity could be correlated with the clinical responses to treatments and could even predict this process. We believe that having new biomarkers will help personalizing cancer treatment and certainly increase treatments’ efficiency. Our objectives are to characterize the occurrence of DDR activation in prostate carcinoma and to correlate it with patients’ survival and responsiveness to treatment. Methods: We used tissue microarrays (TMAs) from human radical prostatectomy specimens of 300 men with prostate cancer and estimated the level of DDR protein expression in the stromal and epithelial compartments of normal and aggressive cancer tissues. The expression level of the DDR markers p53 binding protein-1 (53BP1), phosphorylated H2AX (p-H2AX), p65 (p65 subunit of Nuclear Factor (NF-κB) and phosphorylated checkpoint kinase-2 (p-CHK2) was quantified using immunofluorescence (IF) coupled to high-content automated imaging. The quantification of our DDR markers was first validated on an experimental TMA (TMA-cell) including normal and irradiated (to induce DDR signalling) cultured human fibroblasts. The data was quantified using binary layers commonly used to classify pixels in an image so areas could be analysed independently allowing the segregation of specific compartments including nuclei, epithelia and stroma. Arithmetic operations were performed to render values corresponding to DDR activation that were then correlated with clinical outcomes such as biochemical recurrence and occurrence of bone metastasis. Results: We found that low levels of p65 protein expression in the nuclear epithelial compartments of normal prostate tissue were associated with a reduced probability of biochemical failure (which corresponds to a rise in the serum level of PSA in prostate cancer patients following treatment, surgery in this cohort of patients). Moreover, we also observed that low levels of 53BP1 protein expression in the nuclear epithelial compartments of normal and cancerous prostate tissue were associated with a lower incidence of bone metastasis. Conclusion: These results confirm that p65 has prognostic value in patients with prostate adenocarcinoma. Based on our results, we suggest that 53BP1 marker may have a prognostic value as well. The validation of other markers and particularly DDR markers may correlate with patients’ outcome. With longer follow-up, it may translate into correlation with survival. Levels of DDR activity in cancer tissue could be used in daily clinic as part of the patient’s diagnostic profile as much as his prostatic specific antigen (PSA) or Gleason score in order to predict response and personalize the treatment in order to guide the patients towards the most appropriate treatment amongst all those available for their prostate cancer.