Abstract Radiotherapy is a curative treatment option in prostate cancer. Nevertheless, patients with high-risk prostate cancer are prone to relapse. Identification of the predictive biomarkers and molecular mechanisms of radioresistance bears promise to improve cancer therapies. In this study, we show that aldehyde dehydrogenase (ALDH) activity is indicative of radioresistant prostate progenitor cells with an enhanced DNA repair capacity and activation of epithelial–mesenchymal transition (EMT). Gene expression profiling of prostate cancer cells, their radioresistant derivatives, ALDH+ and ALDH− cell populations revealed the mechanisms, which link tumor progenitors to radioresistance, including activation of the WNT/β-catenin signaling pathway. We found that expression of the ALDH1A1 gene is regulated by the WNT signaling pathway and co-occurs with expression of β-catenin in prostate tumor specimens. Inhibition of the WNT pathway led to a decrease in ALDH+ tumor progenitor population and to radiosensitization of cancer cells. Taken together, our results indicate that ALDH+ cells contribute to tumor radioresistance and their molecular targeting may enhance the effectiveness of radiotherapy. Cancer Res; 75(7); 1482–94. ©2015 AACR.

Abstract Radiotherapy is one of the curative treatment options for localized prostate cancer (PCa). The curative potential of radiotherapy is mediated by irradiation-induced oxidative stress and DNA damage in tumor cells. However, PCa radiocurability can be impeded by tumor resistance mechanisms and normal tissue toxicity. Metabolic reprogramming is one of the major hallmarks of tumor progression and therapy resistance. Here, we found that radioresistant PCa cells and prostate cancer stem cells (CSCs) have a high glutamine demand. Glutaminase (GLS)-driven catabolism of glutamine serves not only for energy production but also for the maintenance of the redox state. Consequently, glutamine depletion or inhibition of critical regulators of glutamine utilization, such as glutaminase (GLS) and the transcription factor MYC results in PCa radiosensitization. On the contrary, we found that a combination of glutamine metabolism inhibitors with irradiation does not cause toxic effects on nonmalignant prostate cells. Glutamine catabolism contributes to the maintenance of CSCs through regulation of the alpha-ketoglutarate (α-KG)-dependent chromatin-modifying dioxygenase. The lack of glutamine results in the inhibition of CSCs with a high aldehyde dehydrogenase (ALDH) activity, decreases the frequency of the CSC populations in vivo and reduces tumor formation in xenograft mouse models. Moreover, this study shows that activation of the ATG5-mediated autophagy in response to a lack of glutamine is a tumor survival strategy to withstand radiation-mediated cell damage. In combination with autophagy inhibition, the blockade of glutamine metabolism might be a promising strategy for PCa radiosensitization. High blood levels of glutamine in PCa patients significantly correlate with a shorter prostate-specific antigen (PSA) doubling time. Furthermore, high expression of critical regulators of glutamine metabolism, GLS1 and MYC, is significantly associated with a decreased progression-free survival in PCa patients treated with radiotherapy. Our findings demonstrate that GLS-driven glutaminolysis is a prognostic biomarker and therapeutic target for PCa radiosensitization.

Background: Prostate cancer (PCa) is the second most common type of tumor diagnosed in men and the fifth leading cause of cancer-related death in male patients. The response of metastatic disease to standard treatment is heterogeneous. As for now, there is no curative treatment option available for metastatic PCa, and the clinical tests capable of predicting metastatic dissemination and metastatic response to the therapies are lacking. Our recent study identifies aldehyde dehydrogenases ALDH1A1 and ALDH1A3 as critical regulators of PCa metastases. Still, the exact mechanisms mediating the role of these proteins in PCa metastatic dissemination remain not fully understood, and plasma-based biomarkers of these metastatic mechanisms are also not available. Methods: Genetic silencing, gene overexpression, or treatment with different doses of the retinoic acid (RA) isomers, which are the products of ALDH catalytic activity, were used to modulate the interplay between retinoic acid receptors (RARs) and androgen receptor (AR). RNA sequencing (RNAseq), reporter assays, and chromatin immunoprecipitation (ChIP) analysis were employed to validate the role of RARs and AR in the regulation of the transforming growth factor-beta 1 (TGFB1) expression. Gene expression levels of ALDH1A1, ALDH1A3, and the matrix metalloproteinase 11 (MMP11) and their correlation with pathological parameters and clinical outcomes were analyzed by mining several publicly available patient datasets as well as our multi-center transcriptomic dataset from patients with high-risk and locally advanced PCa. The levels of MMP11 protein were analyzed by enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) in independent cohorts of plasma samples from patients with localized or metastatic PCa and healthy donors, while plasma proteome profiles were obtained for selected subsets of PCa patients. Results: We could show that ALDH1A1 and ALDH1A3 genes differently regulate TGFB1 expression in a RAR- and AR-dependent manner. We further observed that the TGF-β1 pathway contributes to the regulation of the MMPs, including MMP11. We have confirmed the relevance of MMP11 as a promising clinical marker for PCa using several independent gene expression datasets. Further, we have validated plasma MMP11 levels as a prognostic biomarker in patients with metastatic PCa. Finally, we proposed a hypothetical ALDH1A1/MMP11-related plasma proteome-based prognostic signature. Conclusions: TGFB1/MMP11 signaling contributes to the ALDH1A1-driven PCa metastases. MMP11 is a promising blood-based biomarker of PCa progression. Keywords: Prostate cancer, Metastasis, Liquid biopsy, MMP11, ALDH1A1, TGF-β1