p53 and DNA damage checkpoint responses in the human prostate

Prostate cancer is the most common noncutaneous malignancy and the second leading cause of cancer mortality in men. In 2004, 5237 new cases were diagnosed and altogether 25 664 men suffered from prostate cancer in Finland (Suomen Syöpärekisteri). Although extensively investigated, we still have a very rudimentary understanding of the molecular mechanisms leading to the frequent transformation of the prostate epithelium. Prostate cancer is characterized by several unique features including the multifocal origin of tumors and extreme resistance to chemotherapy, and new treatment options are therefore urgently needed. The integrity of genomic DNA is constantly challenged by genotoxic insults. Cellular responses to DNA damage involve elegant checkpoint cascades enforcing cell cycle arrest, thus facilitating damage repair, apoptosis or cellular senescence. Cellular DNA damage triggers the activation of tumor suppressor protein p53 and Wee1 kinase which act as executors of the cellular checkpoint responses. These are essential for genomic integrity, and are activated in early stages of tumorigenesis in order to function as barriers against tumor formation. Our work establishes that the primary human prostatic epithelial cells and prostatic epithelium have unexpectedly indulgent checkpoint surveillance. This is evidenced by the absence of inhibitory Tyr15 phosphorylation on Cdk2, lack of p53 response, radioresistant DNA synthesis, lack of G1/S and G2/M phase arrest, and presence of persistent gammaH2AX damage foci. We ascribe the absence of inhibitory Tyr15 phosphorylation to low levels of Wee1A, a tyrosine kinase and negative regulator of cell cycle progression. Ectopic Wee1A kinase restored Cdk2-Tyr15 phosphorylation and efficiently rescued the ionizing radiation-induced checkpoints in the human prostatic epithelial cells. As variability in the DNA damage responses has been shown to underlie susceptibility to cancer, our results imply that a suboptimal checkpoint arrest may greatly increase the accumulation of genetic lesions in the prostate epithelia. We also show that small molecules can restore p53 function in prostatic epithelial cells and may serve as a paradigm for the development of future therapeutic agents for the treatment of prostate cancer We hypothesize that the prostate has evolved to activate the damage surveillance pathways and molecules involved in these pathways only to certain stresses in extreme circumstances. In doing so, this organ inadvertently made itself vulnerable to genotoxic stress, which may have implications in malignant transformation. Recognition of the limited activity of p53 and Wee1 in the prostate could drive mechanism-based discovery of preventative and therapeutic agents.

Eturauhassyöpä on tällä hetkellä yleisin miesten syöpäsairaus ja väestön ikääntyessä sen voi olettaa yhä yleistyvän. Eturauhassyövästä onkin tullut merkittävä kansanterveydellinen ongelma. Vuonna 2004 Suomessa diagnosoitiin 5237 uutta tapausta, eturauhassyöpään kuoli liki 806 miestä, ja kaikkiaan eturauhassyöpää sairasti noin 25 664 miestä (Suomen Syöpärekisteri). Eturauhassyövän yleisyydestä huolimatta syövän syntyyn johtavia syitä ja molekulaarisia mekanismeja ei tunneta varsin hyvin, mikä puolestaan vaikeuttaa ennaltaehkäisevän hoidon tai syöpäterapian tuloksekkaan kehittämisen. Perimämme eheys joutuu taukoamatta koetukselle. On arvioitu, että yhdessä ihmissolussa päivittäin tapahtuvien DNA:n ämäsmuutosten määrä olisi jopa noin 25 000. Solut reagoivat DNA-vaurioon käynnistämällä korjaus- ja puolustusmekanismikoneistoja. Näihin korjaustapahtumiin osallistuu mm. p53-kasvunrajoitegeeni, jonka yhtenä tehtävänä on aktivoida ns. vaurionkorjauspisteitä. Vaurionkorjauspisteiden aktivoituminen, ja sitä seuraava geneettisen vaurion korjaaminen, estävät geneettisten vaurioiden periytymisen tytärsoluille ja syövän muodostumisen. Mikäli soluun kohdistunutta vauriota ei pystytä korjaamaan, solut ajautuvat aktiiviseen solukuolemaan ja suojelevat näin perimää poistumalla elimistöstä. Väitöskirjatyössä on tehty uusia merkittäviä havaintoja, jotka osoittavat että normaalilla eturauhasen epiteelisolukolla on puutteellinen kyky reagoida DNA vaurioon, ja että vauriovasteproteiini p53:n toiminta on heikentynyt. Lisäksi työssä identifioidaan vauriovasteelle keskeisen kinaasi-proteiinin puute ja osoitetaan että epiteelisolut käynnistävät vaurionkorjauspisteen odotetulla tavalla mikäli kyseisen kinaasi-proteiinin toiminta korjataan eturauhasen epiteelisoluissa. Puutteellinen vauriovaste johtaa DNA-vaurioiden kertymiseen, joka on vahvasti syövälle altistava tekijä. Poikkeuksellisen tiukka vauriovasteproteiinien säätely eturauhasen epiteelisolukossa, saattanee toisaalta viitata näiden proteiinien potentiaaliseen kudosta tuhoavaan uhkaan, koska ne voivat aktivoiduttuaan aiheuttaa myös solukuolemaa. Tämä puolestaan viittaa siihen, että eturauhasen epiteelisolut, osana lisääntymisjärjestelmää, ovat evoluution kulussa muotoutuneet taistelemaan olemassaolostaan DNA-vaurioidenkin uhalla. Tutkimuksen toisessa osassa osoitamme, että p53:n toiminta voidaan palauttaa eturauhasen epiteelisoluissa ennalleen sitä aktivoivilla lääkeainemolekyyleillä. Vastaavanlaisten solukuolemaan johtavien lääkeainemolekyylien käyttö eturauhassyövän hoidossa on realistinen hoitostrategia koska eturauhassyövän arvellaan osittain johtuvan solukuoleman estymisestä. Havainnot poikkeavasta vauriovasteesta eturauhasen normaalissa epiteelisolukossa voivat selittää eturauhassyövän yleisyyden ja monipesäkkeisyyden. Tuloksilla voi siten olla laajaa kliinistä merkitystä uusien hoitostrategioiden ja lääkeainemolekyyline kehittämisessä.