Investigation of molecular mechanisms of TIMP-1-induced metastasis via shRNA technology

• Applicant: Professor Dr. Achim Krüger
• Subject Area: Hematology, Oncology
• Term: from 2006 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 24756627

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Bei dem beschriebenen Projekt wurde mittels der shRNA Technologie die molekularen Mechanismen der Tissue Inhibitor of Metalloproteinases-1 (TIMP-1)-induzierten Metastasierung untersucht. In den ersten beiden Förderperioden konnten wir so zeigen, dass erhöhte systemische TIMP-1-Spiegel nicht nur direkt das metastatische Potential von Tumorzellen fördern, sondern zur Etablierung einer prä-metastatischen Nische in der Leber führen. Diese prä-metastatische Nische ist abhängig von Neutrophilen, welche als funktionelle Mediatoren der erhöhten Lebermetastasierung identifiziert wurden. Neutrophile Granulozyten bilden den größten Teil der Immunzellen im Blut und spielen eine zentrale Rolle bei entzündlichen Veränderungen, inklusive Krebs. Durch die Sezernierung verschiedenster Effektormoleküle, sowie der Bildung von Neutrophil Extracellular Traps (NETs), sind sie sowohl bei der Progression des Primärtumors, als auch bei der Bildung von Metastasen beteiligt. Hohe Spiegel von TIMP-1 und Neutrophilen findet man besonders häufig in Patienten, die eine schlechte Prognose haben. Dieser Zusammenhang legte nahe zu untersuchen, wie TIMP-1 die Neutrophilenspiegel erhöhen kann und ob TIMP-1 einen Einfluss auf die Aktivität der Neutrophilen hat. In der letzten Förderperiode dieses Projektes wurde herausgefunden, dass TIMP-1 die Granulopoese im Knochenmark anregt, was zu erhöhten systemischen Spiegeln von Neutrophilen führt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass patho-physiologische Konzentrationen von TIMP-1 in der Lage sind Neutrophile Granulozyten zu aktivieren. Beide Effekte wurden über die C-terminale Interaktion von TIMP-1 mit dem Tetraspanin CD63 vermittelt und nicht über dessen anti-proteolytische Eigenschaft. Die Bildung von NETs durch TIMP-1 konnte weiterhin im patho-physiologischen Kontext des Pankreaskrebs bestätigt werden und eine klinische Anwendbarkeit von TIMP-1/NETs als Biomarker wurde gezeigt. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass TIMP-1 ein immunmodulatorisches Zytokin ist, welches sowohl die Anzahl, als auch die Aktivität von Neutrophilen beeinflusst. Diese Entdeckungen helfen zu verstehen, warum hohe Spiegel von TIMP-1 in Krebspatienten mit einer schlechten Prognose korrelieren und bilden die Grundlage für weitere Studien, welche die gewonnenen Erkenntnisse therapeutisch ausnutzen.

Publications

• 2011. Tissue inhibitor of metalloproteinases-1-induced scattered liver metastasis is mediated by hypoxia-inducible factor-1α. Clin. Exp. Metastasis 28, 91–99
  Schelter, F., Halbgewachs, B., Baumler, P., Neu, C., Gorlach, A., Schrotzlmair, F., Krüger, A.
  
• 2011. Tumor cell-derived Timp-1 is necessary for maintaining metastasis-promoting Met-signaling via inhibition of Adam-10. Clin Exp Metastasis 28: 793-802
  Schelter, F., M. Grandl, B. Seubert, S. Schaten, S. Hauser, M. Gerg, C. Boccaccio, P. Comoglio, A. Krüger
  
• 2015. Premetastatic niche formation in the liver: emerging mechanisms and mouse models. J Mol Med 93: 1193-1201
  A. Krüger
  
• 2015. TIMP-1 creates a pre-metastatic niche in the liver through SDF- 1/CXCR4-dependent neutrophil recruitment in mice. Hepatology 61: 238-248
  Seubert, B., B. Grünwald, J. Kobuch, H. Cui, F. Schelter, S. Schaten, J.T. Siveke, N.H. Lim, H. Nagase, N. Simonavicius, M. Heikenwalder, T. Reinheckel, J.P. Sleeman, K.P. Janssen, P. Knolle, A. Krüger
  
• 2015. TIMP-1 signaling via CD63 triggers granulopoiesis and neutrophilia in mice. Haematologica 100: 1005-1013
  Kobuch, J., H. Cui, B. Grünwald, P. Saftig, P.A. Knolle, A. Krüger
  
• 2015. Tissue inhibitor of metalloproteinases-1 induces a pro-tumorigenic increase of miR-210 in lung adenocarcinoma cells and their exosomes. Oncogene 34: 3640-3650
  Cui, H., B. Seubert, E. Stahl, H. Dietz, U. Reuning, L. Moreno-Leon, M. Ilie, H. Nagase, B. Mari, A. Krüger
  
• 2016. Pancreatic premalignant lesions secrete TIMP1, which activates hepatic stellate cells via CD63 signaling to create a pre-metastatic niche in the liver. Gastroenterology 151: 1011-1024
  Grünwald, B., V. Harant, S. Schaten, M. Frühschütz, R. Spallek, B. Hoechst, K. Stutzer, S. Berchtold, M. Erkan, O. Prokopchuk, M. Martignoni, I. Esposito, M. Heikenwaelder, A. Gupta, J. Siveke, P. Saftig, P.A. Knolle, D. Wohlleber, A. Krüger
  
• 2019. Recognizing the molecular multifunctionality and interactome of TIMP-1. Trends Cell Biol 29: 6-19
  Grünwald, B., B. Schoeps, A. Krüger