Analysis of molecular mechanisms in intestinal stem cells and colorectal cancer progression

Show full item record

Title: Analysis of molecular mechanisms in intestinal stem cells and colorectal cancer progression
Author: Högström-Stakem, Jenny
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine, Research Programs Unit, Translational Cancer Biology
Doctoral Programme in Biomedicin
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2018-12-17
Language: en
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Colorectal cancer (CRC) is one of the leading causes of cancer related mortality in Western countries. Activation of the Wnt signaling pathway is the initiating event in the majority of human CRCs. Further mutations in tumor suppressors and oncogenes, such as KRAS and the TGF signaling pathways, are required for carcinoma development. In the intestine, the orphan G-protein coupled receptor LGR5 marks crypt base columnar cells that can differentiate into all cell lineages of the intestinal epithelium. These LGR5 expressing intestinal stem cells provoke rapid adenoma formation upon Wnt pathway activation and are associated with poor clinical outcome. Although several reports have established the importance of cancer stem cells in CRC, factors regulating the maintenance of these cells remain largely unknown. In this study, we employed intestinal stem cell-based 3D cultures, genetic mouse models of intestinal cancer and patient-derived organoid cultures to investigate regulation of the cancer stem cells and CRC progression. We first analyzed mechanisms that modulate resistance to the growth inhibitory function of TGFβ in CRC progression. We demonstrated that normal intestinal cells are resistant to TGFβ-mediated apoptosis, whereas TGFβ induced apoptosis in Apc-mutant cells via upregulation of the BH3-only pro-apoptotic protein BIM. The KRAS oncogene increased resistance to TGFβ via the MAPK/ERK pathway, leading to suppression of BIM. Next, we analyzed the function of the homeobox transcription factor PROX1 in intestinal stem cells and progression of CRC. We showed that activation of Wnt pathway rapidly induces PROX1 expression in the intestine, including in the LGR5 expressing stem cells. By using lineage tracing, we established that some PROX1 expressing cells exhibit stem cell activity in adenomas but not in the normal intestinal epithelium. PROX1 deletion or silencing reduced the number of CRC stem cells via Annexin A1 upregulation and Filamin A downregulation, which was associated with decreased cell proliferation and tumor growth. To further investigate the regulation of CRC stem cells, we analyzed the interaction of the PROX1 and Notch pathway. We showed that Notch inhibition early after Apc deletion decreases the overall number of LGR5-expressing stem cells, whereas the PROX1- expressing LGR5 positive cells exhibited resistance to Notch inhibition. Conversely, NOTCH1 overexpression suppressed PROX1 and consequently decreased the stem cell activity of CRC cells. Furthermore, we demonstrated that PROX1 recruits the Nucleosome remodeling and deacetylase complex to the NOTCH1 promoter to suppress the Notch pathway. Thus, PROX1-induced suppression of the Notch pathway mediates its stem cell function in CRC. This thesis provides important insight into signaling pathways regulating CRC stem cells and progression. We show that BH3-mimetics can override TGFβ insensitivity in late stage CRC, and we identified a cancer specific signaling pathway of PROX1, observations of clinical importance. Expanding the knowledge of molecular mechanisms that regulate cancer stem cells and progression can lead to better treatment of CRC patients.Kolorektal cancer (CRC) är en av de största orsakerna till cancerrelaterad mortalitet i Västvärlden. Aktivering av Wnt signaleringsrutten ger upphov till tumörigenes i majoriteten av alla CRC fall. Mutationer i tumörsuppressorer och onkogener, t.ex. KRAS och TGF signaleringsrutterna, är nödvändiga för elakartad utveckling av adenom. Den G-proteinkopplade receptorn LGR5 är expresserad av kryptceller som kan differentiera till alla tarmepitelceller. De LGR5 positiva stamcellerna ger upphov till utveckling av adenom då Wnt signaleringsrutten är aktiverad och dessa stamceller är associerade med dålig prognos. Fastän flera studier har visat att cancerstamceller är viktiga för utveckling av CRC, vet vi lite om faktorer som reglerar uppehållet av dessa cancerstamceller. I denna studie har vi använt stamcellsbaserade 3D kulturer, genetiska musmodeller av CRC och organoidkulturer från CRC patienter för att studera reglering av cancerstamceller och progression av CRC. Vi har först analyserat mekanismer som påverkar resistens mot den tillväxt förhindrande funktionen av TGF i progression av CRC. Vi demonstrerade att tarmens normala epitelceller är resistenta mot TGF medierad apoptos, medan TGF inducerade apoptos av Apc muterade celler via uppreglering av det pro-apoptotiska proteinet BIM. KRAS onkogenen ökade resistens till TGF via MAPK/ERK signaleringsvägen, vilket nedreglerade expressionen av BIM. Därefter analyserade vi funktionen av homeobox transkriptionsfaktorn PROX1 i tarmens stamceller och progression av CRC. Vi visade att aktivering av Wnt signaleringsvägen inducerade expression av PROX1 i tarmen och att en del av de PROX1 expresserande celler fungerar som stamceller i adenom men inte i det normala tarmepitelet. Utslagning av PROX1 minskade på antalet cancerstamceller via uppreglering av Annexin A1 och nedreglering av Filamin A, som associerades med minskad cellproliferering och tumörtillväxt. För att vidare undersöka PROX1 funktion i CRC stamceller, analyserade vi interaktionen mellan PROX1 och Notch signaleringsvägen. Vi visade att PROX1 expresserande LGR5 positiva celler är resistenta mot Notch inhibering i ett tidigt skede efter utslagning av Apc, fastän det övergripande antalet LGR5 expresserande stamceller hade minskat. Tvärtom, överexpression av NOTCH1 hämmade PROX1 och således stamcellsaktiviteten i CRC celler. Förutom detta, demonstrerade vi att PROX1 rekryterar nukleosom remodellering och deacetylering (NuRD) komplexet till NOTCH1 promotorn och hämmar Notch signaleringsvägen för att utföra sin stamcellsfunktion. Våra resultat ger viktig information om signaleringsrutter som reglerar tarmens stamceller och elakartad progression. Vi visade att BH3-mimetics läkemedel kan åsidosätta resistensen till TGF i avancerad CRC och vi identifierade en cancer-specifik signaleringsväg för PROX1. Dessa observationer är kliniskt relevanta. Utvidgning av vår kunskap om molekylära mekanismer som reglerar cancerstamceller och progression av CRC kan leda till bättre behandling av CRC.
Subject: Medicine
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
analysis.pdf 1.956Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record