Connections between the circadian clock and cellular stress in cancer cells

Abstract

Sirkadiyen saat, gen ifadesinden organizmanın davranışına kadar birçok düzeyde düzenleme sağlayan bir mekanizmadır. Sirkadiyen ritmin bozulması, kanser gibi birçok hastalığı ve biyolojik süreçleri etkilemektedir. BMAL1 geninin silinmesinin meme kanseri hücrelerinin DNA hasarına sebep olan ajanların indüklediği apoptoza duyarlılığını ve invazyon kapasitesini artırdığı bildirilmiştir. Bu çalışmada, BMAL1 geni silinmiş meme kanseri hücrelerinde daha önce gözlemlenen fenotipin mekanizmasının genom düzeyinde bir yaklaşımla ortaya çıkarılması amaçlanmıştır. Bu amaçla, BMAL1 knockout (KO) ve yabanıl tip (WT) MDA-MB-231 hücrelerine cisplatin ve doxorubicin ile muamele edilmiştir. İlaçla muamele edilmiş hücrelerde farklı şekilde ifade edilen genler (DEG'ler) RNA sekanslama tekniği kullanılarak analiz edilmiştir. Transkriptlerin gen seti zenginleştirme analizleri, birçok gen/yolakta tespit edilen zenginleşmelerin Bmal1 gen delesyonunun apoptozu arttırdığını göstermiştir. Ortak DEG'ler ile yapılan protein-protein etkileşim analizi, GSK3?, NACC1 ve EGFR genlerinin, KO hücrelerinin yanıtının düzenlenmesinde rol oynayan temel genler olduğunu ortaya çıkarmıştır. DEG analiz sonuçları, kodlanmayan RNA'ların (lncRNA, işlenmiş psödojenler) ilaç-indüklü apoptozda rol oynayabileceğini öne sürmüştür. Hücrelere Endoplazmik Retikulum (ER) stres indükleyici ajan tunicamycin ile muamele edilmiş ve tunicamycin tarafından oluşturulan strese karşı cevabın BMAL1 delesyonundan minimum düzeyde etkilendiği tespit edilmiştir. Ek olarak, ilaç ile muamele edilmemiş KO ve WT hücreleri arasındaki DEG analizi, KO hücrelerinin invazyon kapasitesindeki artışı destekleyen bir bulgu olan epitelyal-mezenkimal geçiş genlerinin upregüle edildiğini göstermiştir. Özetle; bu çalışma, birçok genin düzenlenmesi üzerinden BMAL1 gen bozulmasının farklı kanserojen etkilerinin olduğu ayrıntılı bir transkriptom tablosunu ortaya çıkarmıştır.

The circadian clock is a mechanism that provides regulation at many levels, from gene expression to organism's behavior. Disruption of circadian rhythm affects many diseases including cancer and biological processes. It has been reported that disruption of BMAL1 gene increases the sensitivity of breast cancer cells to apoptosis caused by DNA damaging agents and invasion capacity. In this study, it is aimed to reveal the mechanism of the phenotype previously observed in BMAL1 gene deleted breast cancer cells with genome-level approach. For this purpose, BMAL1 knockout (KO) and wild-type (WT) MDA-MB-231 cells were treated with cisplatin and doxorubicin. We analysed differentially expressed genes (DEGs) in drug-treated cells by using RNA sequencing technique. Gene set enrichment analyzes of transcripts showed that enrichments detected in many genes/pathways increased apoptosis by Bmal1 gene deletion. Protein-protein interaction analysis from common DEGs revealed that GSK3?, NACC1 and EGFR genes are the main genes involved in regulation response of KO cells. DEG analysis suggested that non-coding transcripts RNAs (lncRNA, processed pseudogens) may play roles in drug-induced apoptosis. Additionally, cells were treated with Endoplasmic Reticulum (ER) stress-inducing agent tunicamycin and it was found that response to tunicamycin-induced stress were minimally affected by BMAL1 deletion. DEG analysis between untreated KO and WT cells showed that epithelial-mesenchymal transition genes were upregulated, a finding that supports the increase in invasion capacity of KO cells. In summary, this study revealed a detailed transcriptome picture in which the opposite carcinogenic effects of BMAL1 gene disruption is caused by regulation of many genes. Key words: BMAL1, Circadian Clock, Apoptosis, Cancer, RNA-sequencing, Transcriptome