A Systems Biology Analysis of PP2A Functions in Cancer Cells

Abstract

Cancer is characterized by aberrant activation of phosphorylation signalling cascades. However, despite the critical role of phosphatases in protein phosphorylation, their contribution to cancer cell signalling is only emerging. Notably, Protein phosphatase 2A (PP2A) has a well-established tumor suppressor function but it is poorly understood which of its many targets are relevant for this function. This is partly due to the wide range of activities that PP2A participates in and partly due to the fact that PP2A activity regulation, as well as the deregulation in cancer, occurs via many auxiliary subunits and endogenous inhibitor proteins.

In this MD-PhD thesis, we have used various systems biology approaches, including phosphoproteomics, high throughput drug sensitivity screening, and transcriptomics to study the functions of the most frequently mutated PP2A subunit, PPP2R1A, as well as three of its endogenous inhibitor proteins, CIP2A, PME1, and SET in cancer cells.

This study demonstrates that PP2A reactivation is poorly tolerated by several types of cancer cells and results in downregulation of multiple oncogenic pathways, as well as induction of senescence. Specifically, CIP2A is a regulator of MYC transactivation in basal type breast cancers and our results indicate multiple cooperative mechanisms by which PP2A regulates MYC. Analysis of PP2A dephosphorylome also provided novel insights into general organization of phosphorylation signalling and emphasized the role of PP2A inhibition in the nucleus.

By combining the phosphoprotemics data with cancer cell responses to over 300 drugs, we have identified mechanistically distinct types of interactions between drug sensitivity and PP2A activity. We further validated that inhibition of PP2A in KRAS mutant lung cancers confers resistance to MAPK pathway inhibitors including the combination of Raf and MEK inhibitors.

Together, these findings provide new evidence to support PP2A reactivation as cancer therapeutic strategy and to support evaluating PP2A activity as a predicitive marker for cancer therapy responses.

Syövälle ominainen piirre on fosforylaation perustuvien signaalipolkujen poikkeava aktivoituminen. Huolimatta fosfataasien keskeisestä tehtävästä proteiinien fosforylaatiossa, niiden merkityksestä syöpäsolujen signlaalinvälityksessä on vasta vähän tietoa. Erityisesti Proteiinifosfataasi 2A:lla (PP2A) on selkeästi osoitettu olevan kasvunestäjproteiini-ominaisuuksia, mutta se mitkä PP2A:n monista kohdeproteiineista ovat tärkeitä syövän kannalta tunnetaan huonosti. Osittain tämä johtuu PP2A:n toimintojen moninaisuudesta ja osittain siitä, että PP2A:n säätely, sekä syövissä esiintyvät säätelyn häiriöt, tapahtuvat ylimääräisten alayksiköiden ja inhibiiittoriproteiinien kautta

Tässä väitöskirjatutkimuksessa olemme tutkineet PP2A:n yleisimmin mutatoituneen alayksikön, PPP2R1A:n, sekä kolmen inhibiittoriproteiinin, CIP2A:n, PME-1:n ja SETin, toimintoja syöpäsoluissa käyttäen erilaisia systeemibilogisia lähestymistapoja, mukaan lukien fosfoproteomiikkaa, lääkeherkkyysseulontaa ja transkriptomi-analyysiä.

Tämä tutkimus osoittaa, että monet syöpäsolut sietävät huonosti PP2A:n uudelleen aktivoimista, joka johtaa useiden onkogeenisten signaalipolkujen estymiseen ja senesenssin käynnistymiseen. Tuloksemme viittaavat siihen, että PP2A säätelee MYC-onkogeeniä useilla toisiaan tukevilla mekanismeilla, ja CIP2A:lla on merkitystä MYCin transaktivaation säätelyssä basaalityypin rintasyövässä. PP2A:n defosforylomista saatu tieto auttaa myös ymmärtämään yleisellä tasolla fosforylaatiosignaloinnin järjestäytymistä soluissa ja osoittaa, että PP2A:n inhibitiolla on keskeinen merkitys tumassa.

Yhdistämällä fosfoproteomiikan ja syöpäsolujen vasteet yli 300 lääkkeelle olemme tunnistaneet useita mekanismeiltaan erilaisia yhteisvaikutuksia PP2A:n aktiivisuuden ja lääkeherkkyyksien välillä. PP2A:n estämisestä aiheutuva resistenssin MAPK-signaalipolun inhbiittoreille KRAS-mutaatioita kantasvissa syöpäsoluissa vahvistettiin lisätutukimuksilla. PP2A:n estäminen teki solut resistenteiksi myös MEK ja RAF inhibiittorien yhdistelmälle.

Yhdessä nämä tulokset puoltavat PP2A:n reaktivaatiota syövän hoitostrategiana ja PP2A:n aktiivisuuden määrittämistä syöpähoitojen ennustekijänä.