Role and regulation of the heat shock proteins Hsp90 alpha and beta in Multiple Myeloma

Abstract

Das Multiple Myelom (MM) ist eine hämatologische Erkrankung, welche sich durch eine Akkumulation von malignen Plasmazellen im Knochenmark auszeichnet und eine gestörte Hämatopoiese und Osteolyse zur Folge hat. Komplexe molekulare Interaktionen zwischen MM-Zellen und der Mikroumgebung/Nische im Knochenmark (bone marrow microenvironment, BMM) führen zu einer Aktivierung von verschiedenen Wachstums-, Überlebens- und anti-apoptotischen Signalwegen, die zur Entstehung bzw. Wirkstoffresistenz von MM-Zellen beitragen. IL-6R/STAT3, Ras/MAPK und PI3K/Akt sind die drei wichtigsten Signalwege, die mit dem Wachstum und der Entwicklung des MM assoziiert sind. Auf der anderen Seite sind Myelomzellen insensitiv gegenüber einer Blockade des IL6R/STAT3-Signalweges bzw. des Ras/MAPK-Signalwegs in der Gegenwart von Knochenmarksstromazellen (bone marrow stroma cells, BMSCs), was die Entbehrlichkeit dieser beiden Signalwege unter Ko-Kultur-Bedingungen nahelegt. Interessanterweise aber induziert die gleichzeitige Unterbrechung der IL6R/STAT3 und Ras/MAPK Signalwege Apoptose in MM-Zellen. Ziel der Arbeit war die Identifizierung und Analyse von Zielgenen, die von beiden Signalwegen und nicht durch einen Signalweg alleine reguliert werden. Genexpressionsanalysen zeigten eine deutliche Herunterregulierung der Proteine Hsp90alpha und Hsp90beta nach einer gleichzeitigen Inhibition der IL6R/STAT3 und Ras/MAPK Signalwege. In Hinblick auf die zentrale Rolle von Hsp90 in der Tumorbiologie fokussiert sich die vorliegende Arbeit auf die Erforschung der Rolle von Hsp90 im Multiplen Myelom. Die siRNA-vermittelte Herunterregulation der Proteinexpression von Hsp90-Proteinen zeigte, daß das Ausschalten von HsP90alpha alleine nur zu einer moderaten Apoptoseinduktion in INA-6- und MM.1s-Zellen führte. Die gleichzeitige Herunterregulation von HsP90beta hingegen führte zu einer Verstärkung dieses Effektes und deutet darauf hin, daß beide Proteine miteinander kooperieren. Die pharmakologische Inhibition der Hsp90-Funktion mittels eines neuen Hsp90-Inhibitors (17-DMAG) führte zu einer Verringerung von phospho-ERK1/2, zur Degradation von STAT3 und zu einem verminderten Überleben von MM-Zellen. Die pro-apoptotischen Effekte der gestörten Hsp90-Funktion konnten weder durch BMSCs und Osteoklasten noch durch ECs (??) abgeschwächt werden, obwohl für ECs beschrieben wurde, daß sie zum Wachstum und Überleben von MM-Zellen beitragen können. Diese Beobachtungen deuten auf einen positiven Rückkopplungskreislauf zwischen HsP90alpha/beta und den wichtigsten Signalwegen hin, welcher das Überleben von MM-Zellen gewährleistet. Desweiteren zeigten immunhistologische Analysen, daß Hsp90-Proteine im Vergleich zu MGUS (??) bzw. normalen Plasmazellen in MM-Plasmazellen hochreguliert sind. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit die essentielle Rolle von Hsp90-Proteinen für die Überlebensfähigkeit von MM-Zellen. Ein neuer Mechanismus der Hsp90-Regulation durch das Zusammenwirken der Signalwege IL6R/STAT3 und Ras/MAPK in MM-Zellen konnte gezeigt werden. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, daß ein positiver Rückkopplungskreislauf zwischen Hsp90-Proteinen und den wichtigsten Signalwegen existiert, welcher zum Wachstum und zur Entwicklung von MM-Zellen beiträgt. Die Inhibition der Hsp90-Funktion durch den pharmakologischen Inhibitor 17-DMAG führte zum Absterben von MM-Zellen und der pro-apoptotische Effekt der Hsp90-Depletion konnte nicht durch unterstützende BMM-Zellen aufgehoben werden. Diese Beobachtungen untermauern die multifunktionelle Rolle von Hsp90 in der MM-Biologie und zeigen die Wichtigkeit der Entwicklung neuer therapeutischer Wirkstoffe zur Inhibition der Hsp90-Funktion bei der Behandlung des MM.

Abstract

Multiple myeloma (MM) is a haematological malignancy characterised by the accumulation of malignant plasma cells in the bone marrow leading to impaired haematopoiesis and osteolytic bone destruction. Intricate molecular interactions between MM cells and the BMM activate a diverse set of growth, survival and anti-apoptotic signaling cascades that mediate tumor progression and drug resistance. IL-6R/STAT3, Ras/MAPK and PI3K/Akt are the three major signal transduction pathways that are associated with MM growth and progression. However, myeloma cells have shown independence from IL-6R/STAT3 blockade or insensitivity towards Ras/MAPK pathway inhibition in the presence of BMSCs, indicating the dispensability of both in co-culture conditions. Interestingly, concomitant disruption of both IL-6R/STAT3 and Ras/MAPK pathways was successful to drive MM cells into significant apoptosis. This study aimed to identify and analyse the downstream target genes that are regulated by both pathways and not by either pathway alone. Gene expression profiling revealed prominent downregulation of Hsp90alpha and Hsp90beta proteins after combined inhibition of the IL-6R/STAT3 and Ras/MAPK pathways. Owing to the important role played by Hsp90 in cancer biology, this study was narrowed down to investigate the role of Hsp90 in MM. Specific siRNA-mediated knockdown of Hsp90 proteins showed that although knockdown of Hsp90beta was sufficient to induce moderate apoptosis in INA-6 and MM.1s cells, the effect was more pronounced when both Hsp90 proteins were targeted, indicating co-operation between them. Pharmacological inhibition of Hsp90 function by using a novel Hsp90 inhibitor (17-DMAG) down-regulated the levels of pERK1/2 and led to degradation of STAT3 and decreased viability of MM cells. The pro-apoptotic effects of compromised Hsp90 function could not be alleviated by either BMSCs, OCs or ECs, which are well-known to support myeloma growth and survival. These observations point to the existence of a positive feedback loop consisting of Hsp90alpha/beta and major signaling pathways supporting MM cell survival. Furthermore, immunohistochemical analysis unveiled the up-regulated status of Hsp90 proteins in MM PCs as compared to MGUS or normal PCs. Taken together, the results of this study explain the critical contribution of Hsp90 proteins to MM cell survival. A novel mechanism of Hsp90 regulation by co-operation between the IL-6R/STAT3 and Ras/MAPK pathways was discovered in myeloma cells. There is also strong evidence of the existence of a positive feedback loop between Hsp90alpha/beta proteins and major signaling pathways supporting MM growth and progression. Inhibition of Hsp90 function by using the Hsp90 inhibitory drug 17-DMAG proved to be lethal for myeloma cells and the pro-apoptotic effects of Hsp90 blockade could not be reversed by the presence of cells from the supportive BMM. These observations highlight a multi-functional role of Hsp90 in MM biology and strongly strengthen the notion that therapeutic strategies targeting Hsp90 may open new perspectives for anti-myeloma drug development.