Paesaggio mutazionale delle cellule della cripta intestinale dopo molto tempo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13964 (2023) Citare questo articolo

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L’obesità è un fattore di rischio modificabile nello sviluppo del cancro, in particolare per il cancro gastrointestinale. Sebbene l’eziologia del cancro del colon-retto sia ben caratterizzata dalla sequenza adenoma-carcinoma, non è chiaro come l’obesità influenzi lo sviluppo del cancro del colon-retto. È stato dimostrato che i componenti dietetici di una dieta ricca di grassi insieme all’obesità modulano il rischio di cancro perturbando l’omeostasi delle cellule staminali intestinali, ma non è stato studiato il modo in cui l’adiposità influisce sullo sviluppo dell’instabilità genomica. Le firme mutazionali sono un modo efficace per comprendere come una risposta biologica complessa influisce sulla stabilità genomica. Abbiamo utilizzato un modello murino di obesità indotta dalla dieta per studiare il panorama mutazionale delle cellule della cripta intestinale dopo un'esposizione di 48 settimane a una dieta sperimentale ricca di grassi in vivo. Arricchendo clonalmente cellule derivate da singole cripte nella coltura organoide e ottenendo sequenze dell'intero genoma, abbiamo analizzato e confrontato il panorama mutazionale delle cellule epiteliali intestinali di topi con dieta normale e topi con dieta ricca di grassi. Le firme di sostituzione di singolo nucleotide e le firme di Indel presenti nella nostra coorte si trovano ugualmente attive in entrambi i gruppi dietetici e riflettono i processi biologici di normale invecchiamento, replicazione cellulare e stress ossidativo indotto durante la coltura di organoidi. Pertanto, dimostriamo che in assenza di mutazioni attivanti o esposizione chimica, la sola dieta ricca di grassi non è sufficiente ad aumentare l’instabilità genomica.

I tassi di obesità globale sono in costante aumento negli ultimi 40 anni1. L’obesità è accompagnata da molte comorbilità, come una maggiore probabilità di diabete di tipo II, ipertensione e steatosi epatica non alcolica1, 2. Tra i maggiori impatti sulla salute c’è l’aumento del rischio di cancro che accompagna l’accumulo di grasso corporeo3,4,5,6. L’Agenzia Internazionale per la Ricerca sul Cancro (IARC) ha riconosciuto la schiacciante evidenza epidemiologica che collega la condizione di obesità cronica con un aumento del rischio di cancro, in particolare per gli organi lungo l’asse gastro-intestinale7. Soprattutto il rischio di sviluppare il cancro del colon-retto (CRC) è fortemente influenzato da fattori di rischio alimentari e da un elevato indice di massa corporea (BMI)8. Data la chiara associazione tra BMI elevato e rischio di CRC, comprendere l’eziologia della malattia potrebbe informare programmi preventivi e terapeutici.

Lo sviluppo del cancro del colon-retto è definito da una progressione ben descritta di mutazioni, nota come sequenza adenoma-carcinoma9. Le mutazioni disattivanti nella poliposi adenomatosa coli (APC) stanno iniziando le mutazioni, portando alla segnalazione costitutiva Wnt/β-catenina. Il cancro del colon-retto si sviluppa attraverso tre diverse vie molecolari, la via dell'instabilità cromosomica (CIN), la via dell'instabilità dei microsatelliti (MSI) e la via della metilazione dell'isola CpG (CIMP)10. Sebbene lo sviluppo del CRC sia eterogeneo e talvolta implichi percorsi sovrapposti, tutti e tre i percorsi sono definiti dall'instabilità genomica che consente l'acquisizione di ulteriori mutazioni in una serie di soppressori tumorali e oncogeni, inclusi KRAS e BRAF (spesso mutuamente esclusivi), TP53, PIK3CA , e SMAD410, 11. È interessante notare che è stato dimostrato che la perdita concomitante di APC e p53 è sufficiente a indurre elevati livelli di instabilità cromosomica, caratteristica della via CIN12. Nonostante la genetica molecolare ben definita nello sviluppo del CRC, non è chiaro in che modo una dieta ricca di grassi (HFD) influisca su questa serie di eventi.

Con l'avvento di tecniche avanzate di coltura dei tessuti, è diventato possibile studiare in vitro le popolazioni cellulari più rilevanti13. Nel caso del CRC, la popolazione cellulare di origine sono le cellule staminali intestinali (ISC) LGR5 positive a ciclo rapido (ripetizione ricca di leucina contenente il recettore 5 accoppiato a proteine G), che risiedono sul fondo della cripta14. È stato dimostrato che queste cellule sono sensibili alle perturbazioni alimentari e metaboliche, modulando il rischio di insorgenza del cancro15,16,17,18. È stato dimostrato che un'esposizione prolungata ai costituenti dell'HFD conferisce caratteristiche di staminalità ai progenitori delle cellule non staminali, aumentando così il pool di cellule che si replicano attivamente16, 19. È stato scoperto che l'acido palmitico del componente HFD avvia questo effetto attraverso l'attivazione di PPAR-∂ ( segnalazione del recettore delta attivato dal proliferatore del perossisoma, che induce la segnalazione Wnt canonica16, 19. Un altro importante metabolita comunemente associato all'obesità indotta dalla dieta è il colesterolo. È stato scoperto che l'esposizione prolungata a livelli elevati di colesterolo guida anche la proliferazione delle ISC e aumenta il tasso di tumorigenesi in un contesto carente di APC17.

T mutations within CpG sites are shown as a separate category. Individual dots indicate organoid samples, error bars show ± 1 sd from the mean, asterisks indicate results from pairwise t-test (two-sided) comparing mutation numbers for each mutation category, alpha = 0.05 (C) Average mutational profile of SNVs in 96 channels shown for HFD (upper panel) and SD (lower panel). Error bars indicate ± 1 sd./p> G, C > T outside of CpG regions, T > C, and T > G (Fig. 2B). The profile of relative contributions, across the 7 mutation channels, however, is similar between the two diet groups. Next, we examined the mutational profiles in 96 channels. The mean mutational profile per diet group exhibits few characteristic peaks, with the exception in the C > A and C > T components. The aggregated profile of the HFD group has a cosine similarity of 0.9929 to the SD group (Fig. 2C). We furthermore observe highly similar profiles between mice of either diet group (Supplementary Fig. 2A,B). To quantify how similar the mutational profiles of samples across diet groups are, we computed the pairwise cosine similarity between all samples, which ranges from 0.9020 to 0.9776 (mean = 0.9558) (Supplementary Fig. 2C)./p> T transition21. The activity of SBS1 observed in both groups thus likely reflects the normal aging process. Additionally, both groups showed high numbers of C > A mutations, which were largely attributed to SBS18. This signature has been proposed to be caused by damage due to reactive oxygen species22, 25 and might thus have arisen during the routine experimental handling of the samples or due to exposure to metabolic byproducts in the intestine. The remaining signatures SBS5 and SBS40 share similarly flat profiles. Although only SBS5 has been clearly identified as a clock-like signature, SBS40 was also found to correlate with age22, 37. Thus, the activity of both signatures may be explained by normal aging processes. Taken together, the results from de-novo extraction and signature refitting, confirm that the experimental HFD did not induce or impact different mutational processes for single nucleotide substitutions compared to the standard diet./p>