Cutaneous melanoma is the most threatening form of skin cancer and its mortality is mostly associated with metastatic disease. Nowadays, the molecular determinants required to establish overt melanoma metastasis are still poorly defined. The systematic functional analysis of the genome has revealed that more than 80% of the non-coding genome is biochemically active and controls gene expression. Enhancers (ENHs) and Super-ENHs (SEs) are non-coding regulatory elements that act alone or in concert to recruit the transcription machinery and finely tune specific transcriptional programs. Given their complexity, cancer initiation and progression require a profound reprogramming of the transcriptional regulatory landscape to guide cell malignant transformation. In particular, during metastasization cancerous cells trigger specific gene programs to sustain cell plasticity and the acquirement of aggressive features leading to metastatic spreading. In this study we aimed to identify the core of active non-coding regulatory elements and their upstream regulators mastering the activation of pro-metastatic gene expression programs in melanoma. We performed high-throughput transcriptome profiling and genome-wide analysis of the distribution of H3K27ac, histone marker of active chromatin, in a retrospective cohort of 19 primary and 20 metastatic patients-derived melanomas. Unsupervised clustering showed that gene expression profiling cannot discriminate primary tumors from metastatic samples. Conversely, H3K27ac profiles efficiently segregate lesions in three different clusters corresponding to progressive stages of the disease. We applied bioinformatics tools, like ROSE and FIMO, to outline the complex network of SEs and cooperative ENHs and their upstream transcription regulators orchestrating melanoma metastatic progression, thus highlighting their essential role in transcriptional plasticity. Taken together our findings suggested that regulatory elements act in concert in a hierarchical interplay mastered by SEs and executed by classical ENHs. Moreover, we identified a core of Transcription Factors controlling the activation of the regulatory regions essential for melanoma metastatic progression. Our approach highlighted the importance and need to systematically integrate functional profiling in the study of tumor heterogeneity and progression to have a deeper understanding of these processes complexity.

Il melanoma cutaneo è la forma più aggressiva di tumore della pelle e la sua mortalità si associa prevalentemente alla presenza di metastasi. I determinanti molecolari necessari allo sviluppo delle metastasi nel melanoma non sono ancora del tutto noti. Studi funzionali hanno dimostrato che più dell’80% del genoma non codificante è biochimicamente attivo ed è coinvolto nel controllo dell’espressione genica. Enhancers (ENHs) e Super-ENHs (SEs) sono elementi regolatori non codificanti che agendo da soli o in cooperazione reclutano il complesso di trascrizione e controllano finemente specifici programmi trascrizionali. Come tutti i processi complessi, la tumorigenesi e la progressione tumorale necessitano di una profonda riprogrammazione a livello trascrizionale per essere eseguiti. Durante il processo di metastatizzazione, in particolare, si innescano specifici programmi trascrizionali che sostengono e supportano la plasticità delle cellule tumorali e l’acquisizione di caratteristiche di aggressività che le rendono prone alla diffusione metastatica. L’obiettivo dello studio è identificare gli elementi regolatori non codificanti che si riattivano durante la progressione metastatica e i fattori di trascrizione che li regolano, portando all’attivazione di programmi trascrizionali pro-metastatici nel melanoma. Su una corte retrospettiva di 19 melanomi primari e 20 melanomi metastatici derivati da pazienti, abbiamo applicato tecniche di sequenziamento high-throughput per studiare il profilo trascrizionale e la distribuzione a livello di tutto il genoma del marcatore istonico di cromatina attiva H3K27ac. L’unsupervised clustering dei campioni ha dimostrato che i profili di espressione genica non sono in grado di discriminare i tumori primari dalle metastasi. Al contrario, i profili di H3K27ac permettono di segregare i campioni in tre diversi gruppi che rappresentano diversi stadi di progressione del tumore. Applicando metodi bioinformatici, tra cui gli algoritmi ROSE e FIMO, abbiamo definito la complessa rete di SEs ed ENHs, nonché i loro regolatori trascrizionali, coinvolti nel controllo della progressione metastatica del melanoma, sottolineando il loro ruolo fondamentale nel mantenimento della plasticità trascrizionale. Nel complesso, i nostri risultati suggeriscono una cooperazione gerarchica tra gli elementi regolatori, che vede i SEs a capo della rete e gli ENHs come esecutori del programma trascrizionale. Il nostro approccio ha inoltre sottolineato l’importanza e la necessità di introdurre sistematicamente la profilazione funzionale del genoma nello studio dell’eterogeneità e della progressione tumorale al fine di avere una conoscenza più approfondita della complessità di questi processi.

Ricostruzione della rete di cooperazione tra enhancers che regola la metastatizzazione del melanoma / Veronica Manicardi , 2023 May 19. 35. ciclo, Anno Accademico 2021/2022.

Ricostruzione della rete di cooperazione tra enhancers che regola la metastatizzazione del melanoma

MANICARDI, VERONICA
2023

Abstract

Cutaneous melanoma is the most threatening form of skin cancer and its mortality is mostly associated with metastatic disease. Nowadays, the molecular determinants required to establish overt melanoma metastasis are still poorly defined. The systematic functional analysis of the genome has revealed that more than 80% of the non-coding genome is biochemically active and controls gene expression. Enhancers (ENHs) and Super-ENHs (SEs) are non-coding regulatory elements that act alone or in concert to recruit the transcription machinery and finely tune specific transcriptional programs. Given their complexity, cancer initiation and progression require a profound reprogramming of the transcriptional regulatory landscape to guide cell malignant transformation. In particular, during metastasization cancerous cells trigger specific gene programs to sustain cell plasticity and the acquirement of aggressive features leading to metastatic spreading. In this study we aimed to identify the core of active non-coding regulatory elements and their upstream regulators mastering the activation of pro-metastatic gene expression programs in melanoma. We performed high-throughput transcriptome profiling and genome-wide analysis of the distribution of H3K27ac, histone marker of active chromatin, in a retrospective cohort of 19 primary and 20 metastatic patients-derived melanomas. Unsupervised clustering showed that gene expression profiling cannot discriminate primary tumors from metastatic samples. Conversely, H3K27ac profiles efficiently segregate lesions in three different clusters corresponding to progressive stages of the disease. We applied bioinformatics tools, like ROSE and FIMO, to outline the complex network of SEs and cooperative ENHs and their upstream transcription regulators orchestrating melanoma metastatic progression, thus highlighting their essential role in transcriptional plasticity. Taken together our findings suggested that regulatory elements act in concert in a hierarchical interplay mastered by SEs and executed by classical ENHs. Moreover, we identified a core of Transcription Factors controlling the activation of the regulatory regions essential for melanoma metastatic progression. Our approach highlighted the importance and need to systematically integrate functional profiling in the study of tumor heterogeneity and progression to have a deeper understanding of these processes complexity.
Reconstructing enhancers cooperative network that orchestrates melanoma metastatic progression
19-mag-2023
LUMINARI, Stefano
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Descrizione: Tesi definitiva Manicardi Veronica
Tipologia: Tesi di dottorato
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11380/1305578
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