Interrogating the role of non-promoter epigenetic aberrations in cancer

Cleveland Clinic Lerner Com-Cwru, Cleveland OH

Investigators

Abstract

Project Summary/Abstract    There  is  an  urgent  clinical  need  to  understand  and  distinguish  indolent  from  aggressive  prostate  cancers  to  inform  treatment.  The  thesis  work  to  date  revealed  DNA  hypermethylation  that  distinguishes  indolent  from  aggressive  prostate  cancer.  DNA  hypermethylation  in  promoters  correlates  with  reduced  expression  in  aggressive disease for genes where reduced expression correlates with poor outcomes. However, the majority  of  alterations  occur  outside  promoters  and  are  enriched  for  enhancer-­like  chromatin.  The  hypothesis  of  this  proposal is that differentially methylated regions (DMRs) in non-­promoter regions function to regulate enhancer  and insulator elements which increases tumor aggressiveness by changes in oncogene and tumor suppressor  expression  within  topologically  associated  chromatin  domains.  The  F99  phase  will  perform  a  computational  analysis  to  identify  aggressiveness-­associated  DMRs  which  occur  inside  or  at  the  borders  of  topologically  associated domains (TADs) that contain aberrantly expressed genes in aggressive disease. Using existing data,  DMRs  within  TADs  will  be  classified  as  enhancer-­associated  or  insulator-­associated  through  integration  with  histone modification and CTCF ChIP-­seq data from prostate cancer tissues and cell lines. Initial experimental  verification  of  enhancer  function  will  be  performed  by  luciferase  reporters.  Using  prostate  cancer  cell  lines,  chromatin  conformation  capture  (3C)  will  be  used  to  confirm  the  existence  of  chromatin  loops  between  the  putative  enhancer  and  target  gene(s).  Finally,  genome  editing  will  be  performed  to  delete  key  motifs  in  the  enhancer. The effect on gene expression of the target will be analyzed with qPCR, and assays will be performed  to  measure  changes  in  proliferation  and  aggressive  cellular  behavior.  For  the  K00  phase,  the  applicant  will  identify  mentorship  to  extend  this  approach  into  other  cancer  types,  types  of  epigenetic  modifications,  and/or  model systems (such as organoids and xenografts) and generate new data using genome-­wide conformation  capture  assays  (such  as  capture  Hi-­C)  and  histone  mark/transcription  factor  ChIP-­seq  to  inform  the  interplay  between these phenomena and cancer DMRs. This will establish novel functional activities of DNA methylation  in cancer and connect these changes to gene expression and aggressiveness to augment our understanding of  the specific mechanisms of how cancer aggressiveness is regulated by DNA methylation, leading to potential  tests and treatment targets to modify the course of this disease and improve diagnostic and treatment outcomes.