久しぶりの腸陰窩細胞の変異風景

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13964 (2023) この記事を引用

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肥満は、がん、特に消化器がんの発生における修正可能な危険因子です。結腸直腸がんの病因は腺腫-がんの順序によってよく特徴付けられていますが、肥満が結腸直腸がんの発生にどのような影響を与えるかは依然として不明です。高脂肪食の食事成分と肥満は、腸幹細胞の恒常性を乱すことによってがんリスクを調節することが示されているが、肥満がゲノム不安定性の進行にどのような影響を与えるかについては研究されていない。変異シグネチャは、複雑な生物学的応答がゲノムの安定性にどのような影響を与えるかを理解するための強力な方法です。私たちは、食餌誘発性肥満のマウスモデルを利用して、生体内で実験的な高脂肪食を48週間与えた後の腸陰窩細胞の突然変異状況を研究しました。オルガノイド培養物中の単一陰窩由来細胞をクローン濃縮し、全ゲノム配列を取得することにより、通常食マウスと高脂肪食マウスの腸上皮細胞の変異状況を分析および比較しました。私たちのコホートに存在する一塩基置換シグネチャーとインデルシグネチャーは、両方の食餌グループで同様に活性であることがわかり、オルガノイド培養中に誘発される正常な老化、細胞複製、および酸化ストレスの生物学的プロセスを反映しています。したがって、活性化突然変異や化学物質への曝露がなければ、高脂肪食だけではゲノムの不安定性を増大させるのに十分ではないことを我々は証明しています。

世界の肥満率は過去 40 年間着実に増加しています1。肥満は、II 型糖尿病、高血圧、非アルコール性脂肪肝疾患の可能性の増加など、多くの併存疾患を伴います 1、2。最大の健康影響の 1 つは、体脂肪の蓄積に伴うがんリスクの増加です 3、4、5、6。国際がん研究機関 (IARC) は、慢性肥満状態と、特に胃腸軸に沿った臓器のがんリスク増加とを関連付ける圧倒的な疫学的証拠を認めています7。特に、結腸直腸がん（CRC）の発症リスクは、食事の危険因子と高い体格指数（BMI）によって大きく影響されます8。高BMIと大腸がんリスクとの間には明らかな関連性があるため、根底にある疾患の病因を理解することで、治療プログラムだけでなく予防プログラムにも情報を提供できる可能性があります。

結腸直腸癌の発生は、腺腫-癌腫シーケンスとして知られる、よく説明されている突然変異の進行によって定義されます9。大腸腺腫性ポリポーシス (APC) における非活性化変異は変異を開始し、構成的な Wnt/β-カテニンシグナル伝達を引き起こします。結腸直腸がんは、染色体不安定経路 (CIN)、マイクロサテライト不安定経路 (MSI)、および CpG アイランドメチル化経路 (CIMP) という 3 つの異なる分子経路を通じて発症します10。 CRC の発症は不均一であり、経路が重複する場合もありますが、3 つの経路はすべてゲノムの不安定性によって定義され、KRAS および BRAF (多くの場合相互に排他的)、TP53、PIK3CA などの一連の腫瘍抑制因子およびがん遺伝子におけるさらなる変異の獲得を可能にします。、および SMAD410、11。興味深いことに、APC と p53 の同時喪失は、CIN 経路に特徴的な高レベルの染色体不安定性を誘発するのに十分であることが示されました 12。 CRC 発症における分子遺伝学は明確に定義されているにもかかわらず、高脂肪食 (HFD) がこの一連の出来事にどのような影響を与えるかは依然として不明です。

高度な組織培養技術の出現により、最も関連性の高い細胞集団を in vitro で研究することが可能になりました 13。 CRC の場合、起源となる細胞集団は、陰窩 14 の底に存在する、急速に循環する LGR5 陽性 (G タンパク質共役受容体 5 を含むロイシンリッチリピート) 腸幹細胞 (ISC) です。これらの細胞は食事や代謝の乱れに敏感であり、がん発症のリスクを調節することが実証されています 15、16、17、18。 HFD 構成成分への長期曝露は、非幹細胞前駆細胞に幹細胞性の特徴を与え、その結果、活発に複製する細胞のプールを増加させることが示されています 16, 19。 HFD 構成成分であるパルミチン酸は、PPAR-∂ の活性化を介してこの効果を開始することが判明しました (ペルオキシソーム増殖因子活性化受容体デルタ) シグナル伝達は、標準的な Wnt シグナル伝達を誘導します 16, 19。食事誘発性肥満に一般的に関連するもう 1 つの顕著な代謝産物はコレステロールです。高コレステロールレベルへの長期曝露も、APC欠損の背景においてISCの増殖を促進し、腫瘍形成率を増加させることが判明した17。

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>

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