Novel molecular insights on the role of splicing dysregulation in cancer

Abstract

Cancer and tumoral diseases represent one of most serious and complicated public health problems, being one of the leading causes of death in the world. The remarkable variety across cancer types, and the heterogeneity among patients with the same tumoral pathology is one of the most relevant limitations in cancer research. This heterogeneity results from the interaction of multiple elements that reside at different levels, from anatomical tumor location to clinicopathological features, functionality, cellular-molecular markers, and genetic-epigenetic alterations. Although recent advances in the molecular characterization of different tumoral pathologies has enabled to improve their taxonomy and explore their genetic basis, the translational impact of this novel knowledge is still limited. This is the case in the three distinct types of cancer that have focused the attention of the present Doctoral Thesis: pancreatic neuroendocrine tumors (PanNETs) and two kinds of adenocarcinomas, pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) and prostate cancer (PCa). Neuroendocrine tumors (NETs), despite being considered a rare disease, comprise an emerging and unique pathology, with increasing incidence worldwide. NETs originate in cells that share characteristics of neural and endocrine cells and may be found virtually in any organ, arising more frequently in the pancreas (PanNETs), where they tend to appear as low-grade tumors, in localized stages. PanNETs are often detected in an advanced stage, as the lack of precise markers and specific clinical symptoms complicate early diagnosis, leading to diagnostic times between five and seven years, which hinders the prompt application of effective and specific therapies. PDAC is a highly aggressive cancer, with high perineural and vascular invasion and metastasis in early stages, which makes the survival rate of patients very low. The poor prognosis of this type of cancer is partly due to the lack of specific biomarkers and the consequent late and difficult diagnosis, but also to its high resistance to available treatments, thus resulting in a difficult management. Accordingly, it is necessary to identify new molecular tools that can provide more sensitive and accurate biomarkers for the early diagnostic and prognostic prediction, as well as novel therapeutic targets and effective treatments of this cancer. PCa is the second most frequently diagnosed cancer and the fifth leading cause of cancer-related death among men. A limitation in PCa management is that early PCa diagnosis is mainly based on plasma PSA levels, a biomarker that has severe drawbacks including poor sensitivity, specificity, and predictive value. This leads to unnecessary biopsies and reduced patient quality of life. Likewise, clinical management of aggressive PCa (i.e., the metastatic and castration resistant PCa or CRPC) also faces major limitations, including unresponsive patients and development of resistance to hormonal and chemical therapies. Therefore, there is an important unmet clinical need for new, reliable, and specific biomarkers for early diagnosis, prediction of disease prognosis, selection for treatment, etc., which would improve life quality of patients. These tumoral pathologies comprise typical examples of cancer complexity and how the initially scarce molecular knowledge has grown to provide useful tools. In fact, molecularly targeted treatments have been a notable clinical success in treating a wide range of cancers, including PanNETs, PDAC and PCa. However, the knowledge and the treatments available are still clearly insufficient to tackle these diseases and there is a need to explore new molecular mechanisms to find additional tools. In this scenario, alteration of alternative splicing is emerging as a novel transversal hallmark of cancer, that pervades all the established cancer hallmarks and provides attractive therapeutic targets. Splicing is an essential process in the complex regulation of gene expression, as it enables the appropriate processing of RNA and thereby maintains the proper development and homeostasis of the individual. The spliceosome, which carries out and regulates the splicing process, is composed of a discrete set of ribonucleoproteins that interact closely with a large group of proteins, the splicing factors. Splicing process and its associated regulatory systems are key players in the control of essential cellular functions, and their derangement can bear pathological consequences. The prime pathophysiological importance of alternative splicing and its associated processes is supported by the emerging evidence linking diverse splicing anomalies (mutated or dysregulated spliceosomic players: spliceosome components, splicing factors or splice variants) with multiple pathologies, from rare diseases to common cancers, wherein pathogenic function of spliceosomic players and their value as therapeutic targets has been proven. In particular, the rising number and relevance of studies linking defects in splicing-related mechanisms and cancer is overwhelming, unequivocally supporting their key role in oncogenesis and tumor aggressiveness. In fact, an altered splicing process has been proposed as a new, transversal hallmark of cancer as it appears in all cancers studied to date and influences and interacts with each of the hallmarks of cancer. Based on all the information mentioned above, the general aim of this Doctoral Thesis was to explore the potential dysregulation of splicing machinery components in cancer, with the final purpose of discovering novel biomarkers and pharmacologic targets with potential to improve the diagnostic and therapeutic approaches in these tumoral pathologies.

El cáncer y las enfermedades tumorales representan uno de los problemas de salud pública más graves y complicados, siendo una de las principales causas de muerte en el mundo. La notable variedad entre los tipos de cáncer y la heterogeneidad entre los pacientes con la misma patología tumoral es una de las limitaciones más relevantes en la investigación del cáncer. Esta heterogeneidad es el resultado de la interacción de múltiples elementos que residen en diferentes niveles, desde la localización anatómica del tumor hasta las características clinicopatológicas, la funcionalidad, los marcadores celulares-moleculares y las alteraciones genético-epigenéticas. Aunque los recientes avances en la caracterización molecular de diferentes patologías tumorales han permitido mejorar su taxonomía y explorar sus bases genéticas, el impacto traslacional de estos nuevos conocimientos sigue siendo limitado. Este es el caso de los tres tipos distintos de cáncer que han centrado la atención de la presente Tesis Doctoral: los tumores neuroendocrinos pancreáticos (PanNETs) y dos tipos de adenocarcinomas, el adenocarcinoma ductal pancreático (PDAC) y el cáncer de próstata (PCa). Los tumores neuroendocrinos (NETs), a pesar de ser considerados una enfermedad rara, constituyen una patología emergente y única, con una incidencia creciente en todo el mundo. Los NETs se originan en células que comparten características de células neurales y endocrinas, y pueden encontrarse prácticamente en cualquier órgano, surgiendo con mayor frecuencia en el páncreas (PanNETs), donde suelen aparecer como tumores de bajo grado, en estadios localizados. En general, los PanNETs se detectan en un estadio avanzado, ya que la falta de marcadores precisos y de síntomas clínicos específicos complican el diagnóstico precoz, lo que conlleva tiempos de diagnóstico de entre cinco y siete años, dificultando la pronta aplicación de terapias eficaces y específicas. El PDAC es un cáncer muy agresivo, con alta invasión perineural y vascular, y metástasis en estadios tempranos, lo que hace que la tasa de supervivencia de los pacientes sea muy baja. El mal pronóstico de este tipo de cáncer se debe en parte a la falta de biomarcadores específicos y al consiguiente diagnóstico tardío y difícil, pero también a su elevada resistencia a los tratamientos disponibles, lo que se traduce en un difícil manejo. Por ello, es necesario identificar nuevas herramientas moleculares que puedan proporcionar biomarcadores más sensibles y precisos para el diagnóstico precoz y la predicción del pronóstico, así como nuevas dianas terapéuticas y tratamientos eficaces de este cáncer. El PCa es el segundo cáncer más frecuentemente diagnosticado y la quinta causa de muerte relacionada con el cáncer entre los hombres. Una limitación en el tratamiento del PCa es que el diagnóstico precoz del PCa se basa principalmente en los niveles plasmáticos de PSA, un biomarcador que presenta muchas deficiencias, entre las que destacan su poca sensibilidad, especificidad y valor predictivo. Esto conduce a la realización de biopsias innecesarias y la reducción de la calidad de vida del paciente. Asimismo, el tratamiento clínico del PCa agresivo (es decir, el PCa metastásico y resistente a la castración o CRPC) también se enfrenta a importantes limitaciones, como la falta de respuesta de los pacientes y el desarrollo de resistencia a las terapias hormonales y químicas. Por tanto, existe aún una importante necesidad clínica por lograr: obtener nuevos biomarcadores, fiables y específicos, para el diagnóstico temprano, la predicción del pronóstico, la selección del tratamiento, etc., lo cual mejoraría la calidad de vida de los pacientes. Estas patologías tumorales constituyen ejemplos típicos de la complejidad del cáncer y de cómo los inicialmente escasos conocimientos moleculares han crecido hasta proporcionar herramientas útiles. De hecho, los tratamientos dirigidos molecularmente han tenido un notable éxito clínico en el tratamiento de una amplia gama de cánceres, como el PanNET, el PDAC y el PCa. Sin embargo, los conocimientos y los tratamientos disponibles siguen siendo claramente insuficientes para abordar estas enfermedades y es necesario explorar nuevos mecanismos moleculares para encontrar herramientas adicionales. En este escenario, la alteración del splicing alternativo está emergiendo como un nuevo hallmark transversal del cáncer, que impregna todos los hallmark establecidos y proporciona atractivas dianas terapéuticas. El splicing es un proceso esencial en la compleja regulación de la expresión génica, ya que permite el procesamiento adecuado del ARN y, por tanto, mantiene el correcto desarrollo y la homeostasis del individuo. El spliceosoma, la maquinaria molecular que lleva a cabo y regula el proceso de splicing, está compuesto por un conjunto discreto de ribonucleoproteínas que interactúan estrechamente con un gran grupo de proteínas, los factores de splicing. El proceso de splicing y sus sistemas reguladores asociados son puntos clave en el control de funciones celulares esenciales, y su alteración puede tener consecuencias patológicas. La importancia fisiopatológica primordial del splicing alternativo y sus procesos asociados está respaldada por la evidencia emergente que vincula diversas anomalías del splicing (elementos spliceosómicos mutados o desregulados: componentes del spliceosoma, factores de splicing o variantes de splicing) con múltiples patologías, desde enfermedades raras hasta cánceres comunes, en las que se ha demostrado la función patogénica de los elementos spliceosómicos y su valor como objetivos terapéuticos. En particular, el creciente número y la relevancia de los estudios que vinculan los defectos en los mecanismos relacionados con el splicing y el cáncer son abrumadores, apoyando inequívocamente su papel clave en la oncogénesis y la agresividad tumoral. De hecho, se ha propuesto la alteración del proceso de splicing como un nuevo hallmark transversal del cáncer, ya que aparece en todos los cánceres estudiados hasta la fecha e influye e interactúa con cada uno de los hallmarks distintivos del cáncer. Sobre la base de toda la información mencionada anteriormente, el objetivo general de esta Tesis Doctoral fue explorar la potencial desregulación de los componentes de la maquinaria de splicing en el cáncer, con el propósito final de descubrir nuevos biomarcadores y dianas farmacológicas con potencial para mejorar los enfoques diagnósticos y terapéuticos en estas patologías tumorales.