Transcriptional regulatory networks of telomere maintenance mechanism in MPNST

Abstract

A hallmark of complete oncogenesis is achieving cellular immortalization, which is implemented by telomere maintenance mechanisms (TMMs). To examine this process, neurofibroma (NF, a benign tumor) and malignant peripheral nerve sheath tumor (MPNST, a malignant tumor) associated with neurofibromatosis type 1 (NF-1) were compared as 21 pairs from 21 patients, where each NF-MPNST pair shared an identical genetic background and differentiation lineage and the changes that occurred during cellular transformation to overcome the Hayflick limit were structurally subtracted, since MPNST occurs in a preexisting NF. There was no difference in telomere length between NFs and MPNSTs, suggesting that MPNTs overcome replicative senescence (immortalization). 22 differently expressed genes (DEGs) were identified during immortalization. Only NELL2, BUB1, ２ FOXG1, and PRIMA1 among them activated TMM. NELL2 activated RAD51, LIG4, and SLX4IP; BUB1 activated BLM; FOXG1 activated TERC and RAD52 and repressed POLD3; PRIMA1 activated TIMELESS. As a second cascade RAD9B, DAXX, COILIN, CTCFL, and BRCA2 were activated. These activated genes in TMM formed transcriptional regulation networks that transmitted DEGs-induced extrinsic signals to TMM through TIMELESS, COILIN, and CTCFL and activated RAD51-dependent homologous recombination (HR) machinery: BTR complex (BLM), Rad51 loader (BRCA2), and SLX complex (SLX4IP). In addition to, telomerase catalytic activation and repression of breakinduced replication (BIR) were identified during immortalization. As a result, WRN-SMC complex-mediated intratelomeric HR in NF was replaced by Rad51-dependent intertelomeric HR and Rad51/Rad52-independent BIR in NF was repressed during immortalization. Our results identified and validated the transcriptional regulatory architecture needed to achieve immortalization in TMMs, which has not been described previously.

발암 과정의 궁극적인 최종 단계는 텔로미어 유지 기전에 의해 구현되는 세포 불멸화를 달성하는 것이다. 이 과정을 밝히기 위해 신경섬유종과 악성 말초 신경초 종양 모두 수술받은 제1형 신경섬유종증 환자 21명을 대상으로 21쌍의 신경섬유종-악성 말초 신경초 종양을 비교하였다. 이 경우 각 신경섬유종-악성 말초 신경초 종양 쌍은 동일한 유전적 배경과 분화 계통을 공유하기 때문에 유전적 바이어스가 최소가 되며, 악성 말초 신경초 종양은 기존에 존재하는 신경섬유종으로부터 발생하기 때문에 Hayflick 한계를 극복하기 위해 세포 변환 중에 발생하는 변화도 구조적으로 제외되게 된다. 신경섬유종-악성 말초 신경초 종양 사이에 텔로미어 길이에는 차이가 없으며, 이는 악성 말초 신경초 종양이 텔로미어 길이 유지 기전의 활성화를 통해 세포 불멸화를 상공적으로 달성했음을 의미한다. 세포 불멸화 과정에서 22개의 차등 발현 유전자가 확인되었다. 그 중 NELL2, BUB1, FOXG1 및 PRIMA1이 텔로미어 길이 유지 기전을 활성화하는 것으로 확인되었다. NELL2는 RAD51, LIG4 및 SLX4IP를 활성화하고 BUB1는 BLM을 활성화하고 FOXG1은 TERC 및 RAD52를 활성화하고 POLD3을 억제하였다. PRIMA1은 TIMELESS를 활성화하였다. 두 번째 전사 조절 조직망 단계로 RAD9B, DAXX, COILIN, CTCFL 및 BRCA2가 활성화되었다. 결과적으로 세포 불멸화 과정에서 차등 발현 유전자들로부터 유도된 신호를 TIMELESS, COILIN 및 CTCFL을 통해 텔로미어 길이 유지 기전으로 전달하고 RAD51 의존성 상동 재조합 기전을 활성화하는 전사 조절 조직망을 형성했다. 또한 세포 불멸화 동안 텔로머라제 촉매 작용 활성화 및 절단 유도 복제 기전의 억제가 확인되었다. 그 결과, 신경섬유종에서는 WRN-SMC 복합체 매개 텔로미어 내 상동재조합이 주된 텔로미어 길이 유지 기전 이였으나 악성 말초 신경초 종양에서는 Rad51 의존성 텔로미어 간 상동재조합이 주된 텔로미어 길이 유지 기전으로 대체되었다. 또한 악성 말초 신경초 종양에서는 신경섬유종에서 관찰되던 Rad51/Rad52 독립적 절단 유도 복제 기전이 발견되지 않았다. 본 연구의 결과는 세포 불멸화 과정에서 텔로미어 길이 유전 기전에 대한 전사 조절 과정을 새롭게 발견하고 검증하였다.