Saur, Dieter (Prof. Dr.); Rad, Radu Roland (Prof. Dr.)
Language:
en
Subject group:
MED Medizin
Keywords:
PI3K, PDK1, Intestinal carcinogenesis
Translated keywords:
PI3K, PDK1, Darmkarzinogenese
TUM classification:
MED 540; MED 320
Abstract:
Serrated colorectal cancer is driven by oncogenic activation of KrasG12D and/or BrafV637E and/or Pik3caH1047R, and possibly others. Largely remains ambiguous for Pik3ca and its point mutation H1047R in a catalytic domain and how this mutation and its downstream effector PDK1 lead to the development of intestinal cancer. Thus, we generated mice with conditional activation of Pik3caH1047R/+ and/or inactivation of Pdk1 in intestinal epithelial cells (IEC) using a Cre recombinase driven by the IEC-specific promoter Villin.
Based on previous research in our lab, most of the Pik3caH1047R/+ mice formed adenoma/adenocarcinoma in the small intestine (SI) and transcriptomic analysis of intestinal tissue of Pik3caH1047R/+ mice showed different tissue-specific signaling alterations that activated PI3K/AKT and decreased Wnt signaling were found in both the SI and LI (large intestine) while MAPK signaling was only increased the LI. Notably, Wnt and Hippo signaling was upregulated in duodenum tumor organoids from Pik3caH1047R/+ mice. These data indicate oncogenic Pik3ca is a driver gene for SI tumorigenesis and triggers a stepwise accumulation of genetic alterations. To address the role of PI3K downstream effector PDK1, we established the Pik3caH1047R/+, Pdk1fl/fl mouse line, and these mice develop cystic adenoma/mucinous adenocarcinoma exclusively in the LI. This observation suggests that the ablation of Pdk1 with oncogenic Pik3caH1047R/+ in mice converts the anatomical location of tumors from SI to LI. Thus, we postulate that Pdk1 may play a dual role in the intestine, functioning as an oncogene in the SI and tumor suppressor in the LI. Transcriptomic analysis of intestinal tissue of Pik3caH1047R/+, Pdk1fl/fl mice showed increased MAPK, Wnt, and glycolysis in the SI and increased MAPK signaling and several metabolism pathways in the LI. To determine whether aberrant signaling expression levels are a result of an intrinsic signaling cascade or the extrinsic microenvironment arising from Pdk1 ablation, and the role of Pdk1 in intestinal tumorigenesis, we generated the Pdk1fl/fl mice model only to eliminate Pdk1. The Pdk1fl/fl mice model exhibited lower body weight and shortened survival than the wild-type mice, also developed neoplasms in the LI. In vitro organoids derived from Pdk1fl/fl mice exhibited stunted growth, and organoids isolated from CreERT2, Pdk1fl/fl mice were resistant to Pdk1 deletion by tamoxifen treatment in vitro. Metabolic analyses in vivo showed that Pdk1 acts as a vital role in regulating the metabolism as well as proliferation, at least partially via intestinal barrier dysfunction. The MAPK signaling cascade activation only was confirmed in vivo, demonstrating the intestinal microenvironment is more critical for aberrant increased MAPK signaling in Pik3caH1047R/+, Pdk1fl/fl mice.
Translated abstract:
Ein serratiertes kolorektales Karzinom wird die durch die Aktivierung eines oder mehrerer Onkogene ausgelöst, darunter besfinden sich KrasG12D, BrafV637E, Pik3caH1047R sowie möglicherweise andere Omkogene. Für Pik3ca und seine Punktmutation H1047R in einer katalytischen Domäne bleibt weitgehend unklar, wie diese Mutation zur Entwicklung von Darmkrebs führt. Es wurden Mäuse mit einer bedingten Aktivierung von Pik3caH1047R/+ und bzw. oder einer Deletion von Pdk1 in den Darmepithelzellen (IEC) untersucht. Die Aktivierung erfolgte durch Cre-Rekombinase gesteuert durch den spezifischen Promotor Villin.
Die meisten Pik3caH1047R/+ -Mäuse bildeten im Dünndarm (small intestine, SI) ein Adenom bzw. Adenokarzinom. Die transkriptomische Analyse des Darmgewebes von Pik3caH1047R/+ -Mäusen zeigte verschiedene gewebespezifische Veränderungen der Signalübertragungswege. Die Aktivierung von PI3K / AKT und die Reduzierung der Wnt-Signalübertragung wurden sowohl im Dünn- als auch im Dickdarm (large intestine, LI) detektiert, während die MAPK-Signale sich nur im Dickdarm erhöhten. Insbesondere wurde die Wnt- und Hippo-Signalübertragung in Duodenum-Tumor-Organoiden aus Pik3caH1047R/+ -Mäusen hochreguliert. Diese Daten indizierten, dass das onkogene Pik3ca ein Driver-Gen für die SI-Tumorentstehung ist und eine graduelle Akkumulation genetischer Veränderungen auslöst. Um die Rolle des PI3K-Downstream-Effector PDK1 zu untersuchen, haben wir eine Mauslinie mit Pik3caH1047R/+ und Pdk1fl/fl etabliert. Diese Mäuse entwickeln ausschließlich im Dickdarm ein zystisches Adenom und bzw. oder muzinöses Adenokarzinom. Diese Beobachtung legt nahe, dass die Deletion von Pdk1 zusammen mit der Mutation von onkogenem Pik3caH1047R/+ bei Mäusen die Entstehung von Tumoren im Dick- statt im Dünndarm auslöst. Wir postulieren daher, dass PDK1 im Darm eine doppelte Rolle spielt und als Onkogen im Dünndarm und als Tumorsuppressor im Dickdarm fungiert. Die transkriptomische Analyse des Darmgewebes von Pik3caH1047R/+ ,Pdk1fl/fl -Mäusen zeigte eine erhöhte MAPK, Wnt und Glykolyse im Dünndarm sowie eine erhöhte MAPK-Signalübertragung and mehrere Stoffwechselwege im Dickdarm. Um festzustellen, ob abweichende Signalspiegel das Ergebnis einer intrinsischen Signalkaskade oder einer extrinsischen Mikroumgebung sind, die sich aus der Pdk1-Ablation ergibt, sowie um die Rolle von PDK1 bei der intestinalen Tumorentstehung zu bestimmen, wurde das Pdk1fl/fl -Mäusemodell nur zur Eliminierung von PDK1 generiert. Pdk1fl/fl-Mäuse zeigten ein geringeres Körpergewicht und eine verkürzte Lebenserwartung als die Wildtyp-Mäuse, die ebenfalls Neoplasmen im Dickdarm entwickelten. In vitro Organoide, die von Pdk1fl/fl -Mäusen stammen, zeigten ein verkümmertes Wachstum. Organoide, die aus CreERT2,Pdk1fl/fl -Mäusen isoliert wurden, waren resitent gegen die durch eine Tamoxifen-Behandlung ausgelöste Pdk1-Deletion. Stoffwechselanalysen in vivo ergaben, dass PDK1 eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Zell-Proliferation und des Metabolismus spielt. Das liegt zumindest teilweise darin begründet, dass die Funktion der Darmbarriere gestört wird. Die Aktivierung der MAPK-Signalkaskade wurde nur in vivo bestätigt, was darauf hindeutet, dass die Darmmikroumgebung für abweichend erhöhte MAPK-Signalwege in Pik3caH1047R/+ ,Pdk1fl/fl -Mäusen entscheidend ist.
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