Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Gene expression profiling of spontaneous and induced mammary tumours of the rat

Marxfeld, Heike

The rat is a frequently used model species in human breast cancer research and in toxicology and carcinogenicity studies. The aim of this study was to generate gene expression profiles of spontaneous and induced mammary tumours of the rat to gain insight into the pathogenesis of these tumours. The results might contribute to the evaluation of rat mammary tumour models and to the differentiation of spontaneous and induced neoplasms in toxicology and carcinogenicity studies. Furthermore, the status of fibroadenoma in these studies is not entirely clear, by investigating the gene expression in spontaneous fibroadenomas and spontaneous adenocarcinomas information about a possible precancerous status of fibroadenoma may be gained. The gene expression profiles were generatd using a RAE230A affymetrix GeneChip specific for the rat. Selected genes were validated with immunohistochemistry (oestrogen receptor, progesterone receptor, NSE, Thy-1, CD44) and RT-QPCR (RMT-1, FGF-3). The comparison of spontaneous fibroadenomas and adenocarcinomas did not show similarities in gene expression. A high number of the genes up-regulated in fibroadenoma were associated with the stromal component of the tumour. These genes were not found in spontaneous adenocarcinoma, which showed expression of genes related to mammary morphogenesis not present in fibroadenoma. Many of these genes related to morphogenesis were also found in the DMBA-induced adenocarcinomas, which might account for their similar morphology. There were, however, a number of genes specific to the DMBA-induced tumours, which could be used to differentiate spontaneous and induced adenocarcinomas. The gene expression of the MTLn3-induced tumours bore no resemblance to the spontaneous or DMBA-induced adenocarcinomas or to virgin mammary tissue. Genes up-regulated in this model reflected the high malignancy of these tumours. Among these, genes related to metastasis, high metabolic turnover and evasion of apoptosis were found as well as a notable absence of genes indicating mammary differentiation (e.g.: caseins). A comparison of human and rat breast cancer gene expression profiles failed to show an allocation of rat tumours to luminal or basal cell like groups in contrast to several studies of human breast cancer. Based on the data presented here, it can be assumed that fibroadenoma may not be a precancerous lesion, although further studies are needed, which include the rare entity of adenocarcinoma arising in fibroadenoma. If the genes which could differentiate spontaneous and induced adenocarcinomas are valid beyond this study remains to be investigated. Another interesting aspect would be to investigate if the genes involved in morphogenesis of the mammary gland can contribute to carcinogenesis. The gene expression of the MTLn3-tumours reflected the malignancy and dedifferentiation already apparent from histology. The use of this model should be restricted to investigations of advanced tumours.

Die Ratte wird häufig als Modellspezies in der Erforschung von malignen Tumoren der menschlichen Brust und in Studien zur Toxizität und Kanzerogenitätsabschätzung von Pharmazeutika und Chemikalien eingesetzt. Ziel dieser Studie war es, Genexpressionsprofile von spontanen und induzierten Mammatumoren der Ratte zu erstellen, um Einblicke in die Pathogenese dieser Neoplasien zu erhalten. Dies kann möglicherweise zum einen zur Überprüfung der Validität der Brusttumormodelle in der Ratte dienen, zum anderen dazu beitragen, spontane und induzierte Neoplasien in Studien zur Toxizität und Kanzerogeneseabschätzung zu unterscheiden. Zudem ist die Klassifikation des Fibroadenoms in diesen Studien nicht gänzlich geklärt: es ist möglich, daß diese Tumoren eine präkanzerogene Läsion darstellen. Ein Vergleich der Genexpressionsprofile von spontanen Fibroadenomen und Adenokarzinomen soll darüber Aufschluß geben.Die Genexpressionsprofile wurden mit dem rattenspezifischen RAE230A GenChip der Firma Affymetrix generiert. Außerdem wurden spezifische Gene zur Validierung mit entweder Immunhistochemie (Östrogenrezeptor, Progesteronrezeptor, NSE, Thy-1, CD44) oder RT-QPCR (FGF-3, RMT-1) ausgewählt. Der Vergleich der Profile von spontanem Fibroadenom und Adenokarzinom zeigte keine Ähnlichkeiten. Eine große Zahl der im Fibroadenom aufregulierten Gene waren mit der stromalen Komponente des Tumors assoziiert. Diese Gene waren im Profil der spontanen Adenokarzinome nicht vertreten. Diese zeigten eine Aufregulation von Genen, die an der Morphogenese der Milchdrüse beteiligt sind und nicht im Profil der Fibroadenome vertreten waren. Viele der an der Morphogenese der Mamma beteiligten Gene fanden sich auch im Profil der DMBA-induzierten Adenokarzinome, dies könnte erklären, warum sich diese Tumoren histologisch nicht unterscheiden lassen. Es gab jedoch eine Anzahl Gene, die spezifisch für spontane oder induzierte Adenokarzinome waren und somit zur ihrer Unterscheidung beitragen können. Die Genexpression der MTLn3-induzierten Tumoren zeigte keine Ähnlichkeiten mit den spontanen oder DMBA-induzierten Adenokarzinomen oder normalem Mammagewebe. Gene, deren Expression in diesem Model aufreguliert waren, spiegelten die hohe Malignität der MTLn3-Zellen wieder. Es fanden sich Gene, die bei der Metastasierung und Apoptoseresistenz beteiligt sind, sowie Gene, deren Produkte an dem rapiden Stoffwechsel maligner Tumorzellen beteiligt sind. Bei den MTLn3-Tumoren konnten keine Gene gefunden werden, deren Transkription typisch für die Milchdrüse ist (z.B.: Casein). Beim Vergleich der Genexpressionsprofile von Mammatumoren des Menschen und der Ratte, konnte bei dieser keine Einteilung in Tumoren mit Charakteristika von entweder luminalen oder basalen Zellen der Milchdrüse, wie sie in mehreren Studien von malignen Brusttumoren des Menschen gezeigt wurde, vorgenommen werden. Basierend auf den Daten, die in dieser Studie generiert wurden, kann angenommen werden, daß das Fibroadenom der Milchdrüse der Ratte keine Vorläuferläsion zum Adenokarzinom darstellt. Ob die Gene, die in dieser Studie zur Unterscheidung von spontanen und induzierten Adenokarzinomen beigetragen haben, Gültigkeit über das hier untersuchte Tumormaterial hinaus besitzen, muß ebenfalls in nachfolgenden Studien geklärt werden. Weitere Fragestellungen, die sich aus dieser Arbeit ergeben, ist die Erforschung des Beitrages der morphologieassoziierten Gene zur Krebsentstehung in der Brustdrüse. Die Genexpression der MTLn3 induzierten Tumoren zeigte die Malignität und Dedifferenzierung dieser Zellen, die schon im histologischen Schnitt ersichtlich ist. Die Verwendung dieses Modells sollte demnach der Erforschung sehr fortgeschrittener Fälle vorbehalten bleiben.

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Marxfeld, Heike: Gene expression profiling of spontaneous and induced mammary tumours of the rat. Hannover 2005. Tierärztliche Hochschule.

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