Actin- and adhesion-mediated regulation of cell states : from cancer to stem cells

Abstract

Actin cytoskeleton and cell adhesion regulate cell shape, contractility and motility, all of which play important roles in development of normal tissues and diseases. Integrins are adhesion receptors that are connected to the actin cytoskeleton. However, it remains unclear how integrin-mediated adhesions and actin dynamics regulate different cell states in early development, stem cells and cancer progression. The aims of my thesis are to investigate on a mechanistic level how MASTL, a known cell cycle regulating kinase, regulates breast cancer cell adhesion and movement, and how it influences cancer stemness and pluripotency. Further, we wanted to investigate adhesion and actin-mediated transitions between pluripotent stem cell states.

This thesis reveals earlier unknown kinase-independent functions of MASTL as a transcriptional regulator of cancer cell spreading, actin organization and contractility, thus bringing new mechanistic insights into MASTL-mediated cancer progression. In more detail, MASTL facilitates activity of transcription factors SRF and MRTF-A by associating with and supporting the nuclear localization of MRTFA. This leads to gene expression patterns that facilitate formation of adhesions, actin stress fibers and contractility. Further, we show that MASTL is highly expressed in cancer stem cells and pluripotent stem cells, and regulates expression of transcription factors OCT1 and OCT4, which are essential in stemness and pluripotency maintenance, respectively. In addition, MASTL supports TGF-β signaling, which is known to facilitate stemness maintenance. Finally, we reveal new functions of integrin β1 and actomyosin contraction in regulation of naïve and primed states in human induced pluripotent stem cells.

Taken together, this thesis reveals new adhesion- and actin-mediated mechanisms, that are important in cancer, stemness and pluripotency, and may help to guide development of new cancer treatment strategies and stem cell -based modeling of diseases and development.

KEYWORDS: Actin cytoskeleton, contractility, motility, adhesion, MASTL, cancer, stemness, hiPSC

Aktiini- ja adheesiovälitteinen solutilojen säätely – syövästä kantasoluihin

Aktiinitukiranka ja solujen adheesio säätelevät solujen muotoa, supistumiskykyä ja liikkumista, joista kaikki ovat tärkeitä tavallisten kudosten sekä sairauksien kehittymisessä. Integriinit ovat solujen tarttumisreseptoreita, jotka ovat yhteydessä aktiinitukirankaan. On kuitenkin vielä epäselvää, miten integriinivälitteiset adheesiot sekä aktiinidynamiikka vaikuttavat solujen tiloihin alkioiden, kantasolujen sekä syövän kehittymisessä. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena on tutkia mekaanisella tasolla, miten MASTL, tunnettu solusykliä säätelevä kinaasi, vaikuttaa rintasyöpäsolujen adheesioon ja liikkumiseen, sekä syövän kantaisuuteen ja solujen monikykyisyyteen. Lisäksi halusimme tutkia adheesioiden sekä aktiinin säätelemää monikykyisten kantasolujen tilojen välistä siirtymistä.

Tämä väitöskirja paljastaa uusia aiemmin tuntemattomia kinaasi-riippumattomia MASTL:n tehtäviä, joilla se vaikuttaa syöpäsolujen leviämiseen, aktiinin järjestäytymiseen ja supistumiskykyyn transkriptionaalisella tasolla, ja tuo täten esiin uusia näkökulmia MASTL:n toimintaan syövän kehittymisen säätelijänä. Tarkemmin kuvailtuna, MASTL edesauttaa transkriptiotekijä SRF:n ja MRTF-A:n aktiivisuutta vuorovaikuttamalla MRTF-A:n kanssa ja edesauttamalla sen tumalokalisaatiota. Tämä johtaa geeni-ilmentymiskaavoihin, jotka edesauttavat adheesioiden, aktiinistressisäikeiden ja kontraktiliteetin muodostumisessa. Lisäksi osoitamme, että MASTL:ää ilmentyy runsaasti syöpäkantasoluissa sekä monikykyisissä kantasoluissa, joissa se säätelee kantaisuuden ylläpidossa tärkeiden transkriptiotekijöiden OCT1 and OCT4 ilmentymistä. Lisäksi MASTL tukee TGF- β-signalointia, joka on myös tärkeä kantaisuuden säätelyssä. Paljastamme myös uusia integriini β1:n ja aktomyosiinikontraktiliteetin vaikutuksia monikykyisten kantasolujen tilojen säätelyssä.

Yhteenvetona, tämä väitöskirja tuo esiin uusia adheesioiden ja aktiinin säätelemiä mekanismeja, jotka ovat tärkeitä syövässä, kantaisuudessa ja monikykyisyydessä, ja voivat auttaa uusien syöpähoitostrategioiden kehittämisessä ja tautien sekä aikaisen kehityksen mallintamisessa.

AVAINSANAT: Aktiinitukiranka, supistumiskyky, liikkumiskyky, adheesio, MASTL, syöpä, kantaisuus, hiPSC