Characterization and targeting of ribosome biogenesis in cellular and tissue subtypes of pancreatic ductal adenocarcinoma

英语. Pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) remains a fatal disease with a five-year overall survival rate of only 12%. This is mainly because the efficacy of existing therapies is strongly restricted by tumor heterogeneity, emphasizing the importance of identifying robust therapeutic targets and applicable combinational treatment approaches. Oncogene-driven cancers often display hyperactivation of ribosome biogenesis (RiBi), allowing the cells to meet their increased demand for protein synthesis and thus maintain their abnormal proliferation rate. The present study investigated the level of RiBi in different PDAC model systems, including conventional PDAC cell lines, primary patient-derived cells (PDC), and a genetically engineered mouse model (CKP), and also analyzed gene expression data from PDAC patients. It was evaluated whether the inhibition of RNA polymerase I (Pol I)-mediated transcription of ribosomal DNA, as the first and rate-limiting step of RiBi, presents a potential treatment strategy for PDAC. High expression levels of multiple RiBi regulators were related to poor survival of PDAC patients, indicating that aggressive tumors may present a stronger dependence on RiBi. Conventional PDAC cell lines showed remarkable differences in the expression of ribosomal proteins (RP) and 45S ribosomal (r)RNA as well as in the nucleolar morphology depending on their molecular characteristics. In turn, pronounced nucleolar heterogeneity was observed within individual PDC populations as well as within endogenous tumors of CKP mice, pointing to RiBi as a highly dynamic process in PDAC. However, despite the observed variations in RP expression, 45S rRNA levels, and nucleolar organization, the RNA Pol I inhibitor BMH-21 effectively reduced cell viability in all investigated conventional PDAC cell lines and PDCs. As expected, BMH-21 treatment decreased the expression of 45S rRNA in PDAC cell lines and consequently caused nucleolar stress, as indicated by the translocation of multiple nucleolar proteins into the nucleoplasm or nuclear spots, respectively. This was followed by the activation of different stress response pathways, including apoptosis, cell cycle arrest, and pro-death autophagy. Additionally, RNA Pol I inhibition induced transcriptional and/or functional alterations in various metabolic pathways, including glycolysis, oxidative phosphorylation, and the tricarboxylic acid cycle. This suggests a potentially targetable connection between RiBi and metabolic reprogramming. Together, the findings of the study support RNA Pol I inhibition as a potential treatment approach in PDAC and open a perspective for future co-targeting strategies.

德语. Das duktale Adenokarzinom des Pankreas (PDAC) hat mit einer Fünfjahresüberlebens-rate von nur 12% eine schlechte Prognose, vor allem weil die Heterogenität der Tumore die Wirksamkeit verfügbarer Therapien stark einschränkt. Daher ist die Identifikation robuster Angriffsziele und geeigneter Kombinationstherapien essenziell. Onkogen-gesteuerte Krebsarten weisen häufig eine hohe ribosomale Biogenese (RiBi)-Rate auf, welche es den Zellen erlaubt, ihren erhöhten Bedarf an Proteinbiosynthese zu decken und so ihr schnelles Wachstum aufrechtzuerhalten. Die vorliegende Arbeit untersuchte das RiBi-Level in verschiedenen PDAC-Modellsystemen wie konventionellen PDAC-Zelllinien, aus Patientenproben abgeleiteten Zellen (PDC) sowie einem gentechnisch veränderten Mausmodell (CKP). Zudem wurden Genexpressionsdaten von PDAC-Patienten analysiert. Es wurde untersucht, ob die Inhibition der RNA Polymerase I (Pol I)-vermittelten Transkription ribosomaler DNA, als erster und geschwindigkeits-bestimmender Schritt der RiBi, eine mögliche Behandlungsstrategie für PDAC darstellt. Hohe Expressionslevel einiger RiBi-Faktoren sind mit einer verminderten Überlebens-rate von PDAC-Patienten assoziiert, was auf eine stärkere Abhängigkeit aggressiver Tumore von einer entsprechenden RiBi-Aktivität hindeutet. Konventionelle PDAC-Zelllinien zeigten je nach Subtyp deutliche Unterschiede in der Expression ribosomaler Proteine und der 45S ribosomalen (r)RNA sowie in der Morphologie des Nukleolus. Unterdessen wiesen PDC-Populationen sowie endogene CKP-Tumore eine starke nukleolare Heterogenität auf, was darauf hindeutet, dass die RiBi im PDAC einen äußerst dynamischen Prozess darstellt. Trotz der beobachteten Unterschiede in der RiBi reduzierte der RNA Pol I Inhibitor BMH-21 effektiv die Zellviabilität aller getesteten konventionellen Zelllinien und PDCs. Die Behandlung mit BMH-21 führte zu einer verminderten Expression der 45S rRNA in PDAC-Zelllinien sowie zu einer nukleolaren Stressantwort, die sich durch die Translokation nukleolarer Proteine abzeichnete. Infolgedessen kam es zur Aktivierung verschiedener Stress-assoziierter Signalwege (Apoptose, Zellzyklusarrest und Autophagie). Zudem führte die RNA Pol I-Inhibition zu einer transkriptionellen und/oder funktionellen Veränderung metabolischer Signalwege wie der Glykolyse, der oxidativen Phosphorylierung oder des Citratzyklus. Dies spricht für einen Zusammenhang zwischen RiBi und Stoffwechsel, welcher ein mögliches Angriffsziel für neue Behandlungen darstellt. Insgesamt deuten die vorliegenden Ergebnisse darauf hin, dass die Hemmung der RNA Pol I ein vielversprechender Therapieansatz für das PDAC ist und eröffnen zudem eine Perspektive für zukünftige Kombinationstherapien.