The roles of PDK1 and SGK1 in colorectal cancer

Abstract

Colorectal cancer is a common cancer disease and major death cause worldwide. The economic burdens resulted from CRC are a major challenge to public health care. The molecular machinery beneath the colorectal tumorigenesis seems to be complicated. Several pathological pathways have been identified to be involved in the tumorigenesis of CRC, including PI3K pathway, Wnt pathway et al. PDK1 activates the protein kinase PKB and other ACG family kinases, which may in turn favor cell survival and thus the development of tumors. The kinases are in part effective through the phosphorylation of Bad, which counteracts its apoptotic activity. SGK1 was found to be upregulated in a variety of tumors, but downregulated in several distinct tumors. Thus, evidence for a role of SGK1 in tumor growth remained conflicting. According to in vitro observations, SGK1 promoted the stabilization and nuclear translocation of oncogene beta-catenin and negatively regulates the transcription factor Foxo3a, which in turn stimulates transcription of the pro-apoptotic regulator Bim. To this end, PDK1 hypomorphic mice (pdk1hm), SGK1 knockout mice (sgk1-/-) and their wild type littermates (pdk1wt or sgk1+/+) were subjected to chemical cancerogenesis (intraperitoneal injection of 20 mg/kg DMH followed by three cycles of 30 g/L synthetic DSS for 7 days). Abundance of phosphorylated Bad was determined by Western blot and immunofluorescence. As a result, following chemical cancerogenesis, pdk1hm mice developed significantly less colorectal tumors than pdk1wt mice. Accordingly, following chemical cancerogenesis pdk1hm mice lived significantly longer than pdk1wt mice. As evident from Western blot and immunofluorescence, PDK1 deficiency decreased the abundance of phosphorylated Bad. In sgk1-/-mice significantly less colorectal tumors than sgk1+/+mice were observed as well. According to Western blot and immunofluorescence, SGK1 deficiency enhances the expression of Foxo3a and Bim, but decrease the abundance of beta-catenin. Futhermore, SGK1 was silenced in HEK293 cells. SGK1 knock down consequently enhanced apoptosis. Western blot and immunofluorescence were employed to detect a reduced expression of Foxo3a and Bim in SGK1 knock down cells. An additional experiment was performed to in HEK 293 cells treated with dexamethasone to activate SGK1 by Western blot. The abundance of beta-catenin was significantly increased after dexamethasone treatment. In conclusion, PDK1 favors development of CRC following chemical cancerogenesis, an effect at least partially due to the increased phosphorylation of Bad, and SGK1 expression favors the development of CRC, which may be effective at least in part through the downregulation of Foxo3a, Bim and the upregulation of beta-catenin.

Das Kolonkarzinom ist eine häufige Krebserkrankung und eine der Haupttodesursachen weltweit. Die wirtschaftlichen Belastungen, die aus Kolonkarzinomen resultieren, sind eine große Herausforderung für das Gesundheitssystem. Neben zahlreichen anderen Signalwegen wurde unter anderem der PI3K- und Wnt-Signalweg in Zusammenhang mit dem Kolonkarzinom identifiziert. PDK1 aktiviert die Proteinkinase B (PKB) und andere Mitglieder der ACG-Kinasenfamilie, welche in der Regel das Zellwachstum regulieren und damit auch das Tumorwachstum fördern können. Diese Kinasen wirken meist über die Phosphorylierung des Proteins Bad, was seiner apoptotischen Wirkung entgegenwirkt. Eine Hochregulierung von SGK1 wurde in zahlreichen Tumoren gefunden, wohingegen in den wenigsten Tumoren eine Herunterregulierung vorliegt. Deshalb wird eine Beteiligung von SGK1 beim Tumorwachstum kontrovers diskutiert. In vitro-Beobachtungen legen nahe, dass SGK1 die Stabilisierung und Kernlokalisation des Onkogenes beta-catenin bewirkt und den Transkriptionsfaktor Foxo3a negativ reguliert, welcher in der Regel die Transkription des proapototischen Regulators Bim stimuliert. Aus diesem Grund wurden hypomorphe PDK1- (pdk1hm), SGK1-defiziente (sgk1-/-) und ihre entsprechenden Wildtyp-Geschwister (pdk1wt or sgk1+/+) einer chemischen Karzinogenese ausgesetzt (intraperitoneale Injektion von 20 mg/kg DMH gefolgt von drei Zyklen mit 30 g/L synthetischem DSS für 7 Tage). Die Menge von phosphoryliertem Bad wurde mittels Western Blot und Immunofluoreszenz bestimmt. Als Folge der chemischen Karzinogenese entwickeln pdk1hm Mäuse signifikant weniger Kolonkarzinome als pdk1wt Mäuse. Dementsprechend lebten pdk1hm Mäuse auch signifikant länger als pdk1wt Mäuse. Der Nachweis durch Western Blot und Immunofluoreszenz ergab eine Verringerung der Menge an phosphoryliertem Bad. Auch in sgk1-/- Mäusen wurden signifikant weniger Kolonkarzinome entdeckt als in sgk1+/+ Mäusen. Entsprechend dem Western Blot und der Immunfluoreszenz erhöhte eine SGK1-Defizienz die Expression von Foxo3a und Bim und erniedrigte gleichzeitig die Menge an ß-catenin. Darüberhinaus wurde SGK1 in HEK293-Zellen mittels siRNA herunterreguliert. Infolgedessen führte SGK1-Defizienz zu Apoptose. Um eine reduzierte Expression von Foxo3a und Bim in SGK1-defizienten Zellen nachzuweisen, wurden Western Blots und Immunofluoreszenz angewandt. Weitere Western Blots wurden durchgeführt, um in Dexamethason behandelten Hek293 Zellen die aktivierte SGK1 nachzuweisen. Dabei wurde die Menge an beta-catenin nach Dexamethason-Behandlung signifikant erhöht. Folglich unterstützt PDK1 die Entwicklung von Kolonkarzinomen als Folge chemischer Karzinogenese durch die erhöhte Phosporylierung von Bad. Zusätzlich unterstützt die SGK1-Expression die Entwicklung von Kolonkarzinomen durch die Herunterregulierung von Foxo3a und Bim sowie der Hochregulierung von beta-catenin.