The role of Snail and Slug in invasion and cancer stem cell maintenance in glioblastoma multiforme

Abstract

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common tumour of the central nervous system. Despite some progress in the therapy of the disease, patients still have a poor prognosis and a median survival of approximately 15 months. The biggest obstacle for successful surgical removal of glioblastoma is the high infiltration of invasive cancer cells throughout the brain. This makes it impossible to remove the complete tumour tissue, eventually resulting in relapse. Recent evidence suggests that glial-to-mesenchymal transition (GMT), a cellular program comparable to epithelial-to-mesenchymal transition (EMT), could play a major role in controlling the invasiveness of glioma cells. The transcription factors Snail and Slug are known to be major regulators of EMT in epithelial cancers. We therefore hypothesized that they may act as key components of GMT in glioma. Analysis of the expression of Snail and Slug in GBMs of different molecular subclasses revealed that these two EMT regulators are mainly expressed in the mesenchymal GBM subclass. By profiling a panel of signature markers we demonstrate that the combined loss of Snail and Slug impaired the TGFß1-induced transition from a glial/proneural phenotype to a mesenchymal phenotype in GBM cells. Furthermore, we show that Snail and Slug play a crucial role in controlling glioblastoma stem cell properties, such as self-renewal and the expression of cancer stem cell markers. In line with their role in GMT, Snail and Slug silencing led to a severely impaired invasive behaviour of GBM cells in vitro. Importantly, we found that Snail and Slug silenced GBM cells showed significantly reduced tumour growth in an orthotopic mouse xenograft model. Detailed analysis revealed that the reduced growth did not result from changes in proliferation and apoptosis due to the silencing of Snail and Slug. Instead, the invasiveness of Snail and Slug silenced cells was drastically reduced. In summary, this work demonstrates that Snail and Slug are major regulators of GMT in glioma, controlling the transition from a glial/proneural to a mesenchymal phenotype. Importantly, the mesenchymal phenotype is closely connected to the adoption of invasive and stem cell properties indicating that these are the major mechanisms through which Snail and Slug regulate GBM growth. This improved understanding of GMT in glioma could help to optimize existing GBM treatments and provide a basis for the development of novel therapeutic strategies. Glioblastoma multiforme (GBM) ist der häufigste Tumor des zentralen Nervensystems. Trotz großer Fortschritte in der Therapie der Erkrankung haben Patienten immer noch eine schlechte Prognose und eine mittlere Lebenserwartung von 15 Monaten. Das größte Hindernis bei der chirurgischen Entfernung des Tumors ist die hohe Infiltration des Gehirns durch invasive Krebszellen. Dadurch ist es nahezu unmöglich das vollständige Tumorgewebe zu entfernen und viele Patienten leiden unter einem Rezidiv. Neueste Erkenntnisse legen nahe, dass gliale zu mesenchymale Transition (GMT), ein zelluläres Programm vergleichbar mit epithelialer zu mesenchymaler Transition (EMT), eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Invasivität von Gliomzellen spielt. Es ist bekannt, dass die Transkriptionsfaktoren Snail und Slug EMT-Hauptregulatoren in epithelialen Tumoren sind. Daher nehmen wir an, dass diese Transkriptionsfaktoren ebenfalls Schlüsselkomponenten von GMT in GBM sind. Eine Analyse der Expression von Snail und Slug in GBMs in verschiedenen molekularen Unterklassen zeigte, dass diese beiden Regulatoren vor allem in der mesenchymalen GBM-Unterklasse exprimiert werden. Wir zeigen anhand der Expression einiger Signaturmarker, dass der gleichzeitige Verlust von Snail und Slug den TGFß1-induzierten Übergang von einem glialen/proneuralen Phänotypen hin zu einem mesenchymalen Phänotypen verhindert. Darüber hinaus demonstrieren wir, dass Snail und Slug eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle der Glioblastom-Stammzelleigenschaften wie Selbsterneuerung und der Expression von Krebsstammzellmarker spielen. Der Verlust von Snail und Slug führte des Weiteren zu einer starken Beeinträchtigung des invasiven Verhaltens der Krebszellen in vitro. Wichtig ist, dass reduzierte Snail und Slug Expression in GBM Zellen zu einem signifikant reduzierten Tumorwachstum in einem orthotopischen Maus-Xenograft-Modell führte. Detaillierte Analyse der Tumore zeigte, dass das reduzierte Wachstum nicht von Veränderungen der Proliferation und Apoptose der Zellen herrührte. Stattdessen konnten wir durch eine in vivo Invasionanalyse belegen, dass der Verlust von Snail und Slug die Invasionsfähigkeit der Zellen signifikant verringert. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Snail und Slug wichtige GMTRegulatoren sind die den Übergang von einem glialen/proneuralen zu einem mesenchymalen Phänotypen kontrollieren. Wichtig ist, dass der mesenchymale Phänotyp sehr eng mit der Invasivität und dem Erwerb von Stammzell-Eigenschaften der Gliomzellen verknüpft ist. Das legt nahe, dass dies wichtige Mechanismen sind durch die Snail und Slug das Tumorwachstum von GBM kontrollieren. Dieses verbesserte Verständnis von GMT könnte dazu beitragen bestehende Behandlungsformen von GBM zu verbessern und neue therapeutische Ansätze zu finden.