The effects of selective estrogen receptor modulators on the death of breast cancer cells and osteoblastic cells

Abstract

<b>Selektiivisten estrogeenireseptorin muuntelijoiden (serm) vaikutus rintasyöpäsolujen ja luun solujen kuolemaan</b>

Selektiiviset estrogeenireseptorin muuntelijat (SERMit) ovat ryhmä kemialliselta rakenteeltaan erilaisia yhdisteitä jotka sitoutuvat solunsisäisiin estrogeenireseptoreihin toimien joko estrogeenin kaltaisina yhdisteinä tai estrogeenin vastavaikuttajina. Tamoksifeeni on SERM –yhdiste, jota on jo pitkään käytetty estrogeenireseptoreita (ER) ilmentävän rintasyövän lääkehoidossa. Tamoksifeeni sekä estää rintasyöpäsolujen jakaantumista että toisaalta aikaansaa niiden apoptoosin eli ohjelmoidun solukuoleman muuntelemalla ER-välitteisesti kohdesolun geenien ilmentymistä. Viimeaikaiset tutkimustulokset ovat kuitenkin osoittaneet tamoksifeenilla olevan myös nopeampia, nongenomisia vaikutusmekanismeja. Tässä väitöskirjatyössä tutkimme niitä nopeita vaikutusmekanismeja joiden avulla tamoksifeeni vaikuttaa rintasyöpäsolujen elinkykyyn. Osoitamme että tamoksifeeni farmakologisina pitoisuuksina aikaansaa nopean mitokondriaalisen solukuolemaan johtavan signallointireitin aktivoitumisen rintasyöpäsoluissa. Tämän lisäksi tutkimme myös tamoksifeenin aiheuttamaan mitokondriovaurioon johtavia tekijöitä. Tutkimustuloksemme osoittavat että ER-positiivisissa rintasyöpäsoluissa tamoksifeeni indusoi pitkäkestoisen ERK-kinaasiaktivaation, joka voidaan estää 17-beta-estradiolilla. Tamoksifeenin aikaansaama nopea solukuolema on pääosin ER:sta riippumaton tapahtuma, mutta siihen voidaan vaikuttaa myös ER-välitteisin mekanismein. Sen sijaan epidermaalisen kasvutekijäreseptorin (EGFR) voitiin osoittaa osallistuvan tamoksifeenin nopeiden vaikutusten välittämiseen.

Tämän lisäksi vertailimme myös estradiolin ja eri SERM-yhdisteiden kykyä suojata apoptoosilta käyttämällä osteoblastiperäisiä soluja. Pytyäksemme vertailemaan ER-isotyyppien roolia eri yhdisteiden suojavaikutuksissa, transfektoimme U2OS osteosarkoomasolulinjan ilmentämään pysyvästi joko ERalfaa tai ERbetaa. Tulostemme mukaan sekä estradioli että uusi SERM-yhdiste ospemifeeni suojaavat osteoblastin kaltaisia soluja etoposidi-indusoidulta apoptoosilta. Sekä ERalfa että ERbeta pystyivät välittämään suojavaikutusta, joskin vaikutukset erosivat toisistaan. Lisäksi havaitsimme edellä mainitun suojavaikutuksen olevan yhteydessä muutoksiin solujen sytokiiniekspressiossa. Tietoa SERM-yhdisteiden anti-ja proapoptoottisten vaikutusmekanismeista eri kohdekudoksissa voidaan mahdollisesti hyödyntää kehiteltäessä uusia kudosspesifisiä SERM-yhdisteitä.

Selective estrogen receptor modulators (SERMs) are structurally different compounds that interact with intracellular estrogen receptors (ERs) in target organs as estrogen receptor agonists and antagonists. Tamoxifen (Tam) is a SERM compound widely used in chemotherapy of ER-positive breast cancer. It inhibits proliferation and facilitates apoptosis of breast cancer cells by ER-dependent modulation of gene expression. Recent reports have shown that Tam has also rapid nongenomic effects. In this thesis we studied the mechanisms by which Tam exerts rapid effects on breast cancer cell viability. We demonstrate that Tam at pharmacological concentrations causes rapid mitochondrial death program in breast cancer cells. In addition, we evaluated the upstream signaling events leading to the mitochondrial disruption by Tam. Our results suggest that Tam rapidly induces sustained activation of extracellularly signal-regulated kinase (ERK1/2) in ER-positive breast cancer cell lines, which effects can be opposed by 17-beta-estradiol (E₂). Tam-induced rapid death appears to be primarily ER-independent, but it can possibly be modulated by ERs. However, epidermal growth factor receptor (EGFR)-associated mechanisms were shown to be involved in Tam -induced cell death.

We also compared the ability of E₂ and different SERMs to promote survival of osteoblast-derived cells against etoposide-induced apoptosis. In order to compare the roles of the two ER isotypes, we created a U2OS human osteosarcoma cell line stably expressing either ERalpha or ERbeta. We present data that E₂ and a novel SERM compound ospemifene are able to protect osteoblastic cells from apoptosis. The protective effect could be mediated via both ERalpha and ERbeta although the responses of the cell lines expressing either of the two receptors differed from each other. Moreover, we show that the osteoblast-protective effect is associated with changes in the levels of osteoblast-produced cytokine expression. Information about the anti- and proapoptotic actions of Tam and other SERMs in different target tissues could possibly be exploited in development of new tissue specific SERM compounds.