Prot. 2022XBYNJP - The role of Pin1 in the interplay between mechanical stimuli and heterochromatin dynamics in cancer

Il cancro al seno (BC) rappresenta la neoplasia più frequentemente diagnosticata e la prima causa di mortalità tumorale femminile, dovuta a forme tumorali metastatiche e resistenti alle terapie. Oltre alle proprietà intrinseche delle cellule cancerose, l’interazione di queste con il microambiente tumorale, e in particolare le proprietà fisico/meccaniche della matrice extracellulare sono associate a prognosi negativa, poiché determinano l’induzione di programmi di espressione genica che promuovono caratteristiche di aggressività tumorale. Tali risposte cellulari coinvolgono l’involucro nucleare e la regolazione della cromatina ad esso associata, tuttavia i meccanismi molecolari rimangono largamente sconosciuti. Il nostro gruppo di ricerca ha recentemente dimostrato come la proli-isomerasi Pin1, un enzima coinvolto nella modulazione di diverse pathways di trasduzione di segnali intrinseci ed estrinseci alla cellula, svolga un importante ruolo come regolatore della struttura e della funzione della lamina nucleare delle cellule neuronali, contribuendo a mantenere l’organizzazione dell’eterocromatina e a prevenire i danni al DNA causati da mobilizzazione di elementi trasponibili in presenza di stress meccanico. Pin1 si trova frequentemente sovraespresso/iperattivato in molti tipi tumorali, favorendo la crescita e metastaticità tumorale. Sulla base dei dati da noi ottenuti, l’ipotesi della presente proposta di ricerca è che nelle cellule tumorali l’elevata attività di Pin1 svolga un ruolo cruciale nella trasduzione di stimoli meccanici alla lamina nucleare e alla cromatina ad essa associata, contribuendo a salvaguardare l’integrità dell’involucro nucleare e del genoma e all’esecuzione di programmi di espressione genica che promuovono la progressione tumorale. Per comprendere i meccanismi molecolari e le conseguenze fenotipiche di tali attività, ci proponiamo di impiegare opportuni sistemi cellulari e modelli animali recentemente generati dalla nostra Unità di ricerca, ottimizzati per lo studio delle risposte cellulari agli stimoli meccanici, e tecnologie avanzate per lo studio delle dinamiche della cromatina, sviluppati dall’Unità di ricerca del collaboratore. Saranno quindi effettuate analisi multi-omiche integrate con analisi proteomiche e i risultati saranno validati in modelli preclinici e campioni clinici. Ci attendiamo che i risultati della ricerca qui proposta pongano solide basi per successive analisi volte alla valutazione di approcci farmacologici di inibizione dell’attività di Pin1 per aumentare la sensibilità tumorale ai trattamenti chemio- e immuno- terapici.

Biomechanical alterations are characteristic of most tumors and elicit cell responses contributing to tumor progression. Mechanical signals are transduced from the extracellular matrix to chromatin by connection of the cytoskeleton with Lamin nucleoskeleton across nuclear membrane. Nuclear mechano-transduction allows adaptation of nuclear envelope (NE) structure, chromatin organization, epigenetic modifications and gene expression to mechanical cues. These processes are crucial in cancer cells, which experience mechanical challenges in all phases of tumor progression, including growth, invasion and metastasis. However, it is unclear how mechanotransduction is spatiotemporally regulated at the NE to control chromatin state at lamina-associated domains (LADs), and how this impacts on gene expression and genome integrity, unleashing aggressive tumor phenotypes. A key role in regulation of NE structure and function is played by Lamins, whose function is modulated by multiple phosphorylations. Our work indicates that in mechanically challenged normal and cancer cells, a crucial role in regulating NE structure, heterochromatin and DNA integrity is played by Pin1, a unique enzyme that isomerizes phospho-S/T-P sites in many cellular proteins, fine-tuning cell responses to multiple stimuli in a phosphorylation-dependent fashion. In tumors and metastases Pin1 upregulation is prevalent and amplifies tumorigenic pathways controlling proliferation and stem cell fate, while its depletion/inhibition curbs tumor growth and metastasis, sensitizing breast cancer (BC) cells to targeted- and chemo-therapies. In this proposal, we plan to pursue our preliminary evidence that in BC cells Pin1 reacts to mechanical stress, contributing to preserve NE structure and heterochromatin. Based on this, we aim to investigate the interplay between NE, chromatin remodeling and tumorigenic gene expression in response to mechanical cues in BC, focusing on the role of Pin1 at LADs, and to assess the relevance of these mechanisms in tumor models and clinical samples. We expect that pharmacologic Pin1 inhibition may dampen pro-tumorigenic mechanosignaling and weaken the NE leading to heterochromatin relaxation, transposable elements activation and DNA damage, sensitizing tumor cells to anticancer therapy. To achieve our aims, we assembled an interdisciplinary team of investigators that already contributed, from different perspectives, to relevant discoveries in this field. We generated cellular and animal BC models to study Pin1 function, and will combine innovative omics methods to achieve high-resolution maps of chromatin organization with techniques to analyze the impact of mechanical cues on cultured cells. We expect to clarify fundamental mechanisms of cell response to mechanical stimuli, linked to heterochromatin organization, whose deregulation contributes to cancer traits, and to identify factors that may be exploited to increase the efficacy of anticancer therapies.