Colorectal cancer (CRC) is the third leading diagnosed malignancy and the fourth most common cause of cancer-related mortality globally. CRC burden has been expected to increase by 60% within the next decade. Up to every third of the patients die from the disease despite the improvements in the CRC therapy. However, knowledge gained in understanding the molecular subtypes of the CRC has improved the ability to target CRC treatment strategies and to predict the treatment outcomes. Aberrant activation of the Wnt//B-catenin pathway drives intestinal tumorigenesis, often as a result of loss-of-function mutation of the tumor suppressor adenomatous polyposis coli (APC) gene. APC inactivation leads to disrupted proteasomal degradation of cytoplasmic B-catenin, which accumulates in the cytoplasm. This leads to dislocation of B-catenin into the nucleus, where it binds to transcription factors of the TCF/LEF family and initiates the transcription of target genes related to augmented cell cycle and tumorigenesis, such as Prospero homeobox protein 1 (PROX1), which has been shown to induce dysplasia and an invasive phenotype in CRC.
R-spondins (RSPO1-3) are ligands that bind to leucine-rich G-protein-coupled receptors (LGR4-6) that promote Wnt signaling. Most of the RSPOs enhance the growth of intestinal stem cells (ISCs) in healthy mice. Furthermore, RSPO gene fusions were recently identified in human (h)CRC. Thus, inhibition of RSPOs was considered to suppress intestinal tumorigenesis. However, a recent report suggested that RSPO2 expression level negatively correlates with intestinal tumor cell differentiation, size, and metastasis. RSPO2 expression was also downregulated via promoter hypermethylation in hCRC, suggesting that RSPO2 would have a tumor-suppressive role in hCRC. One study suggested that LGR5 could enhance transforming growth factor B (TGFB)/SMAD signaling pathway upon RSPO1 stimulation in two tested hCRC cell lines. In general, the role of TGFB/SMAD signaling in CRC is exceptionally complex, as it can turn from tumor suppressive to pro-metastatic throughout the progression of adenomas to carcinomas. Thus, the role of RSPO in intestinal tumorigenesis remains controversial.
I was interested in analyzing if exogenous Wnt-signals, especially RSPO1, could affect PROX1 expression induced by B-catenin activation in the early phase of intestinal tumorigenesis. For this analysis, we generated adeno-associated virus vectors (AAV) to induce systemic RSPO1 expression in mice. I then used Apc-deficient ApcMin/+ mice to investigate the effect of exogenous RSPO1 on intestinal adenomas, and surprisingly found that instead of enhancing intestinal tumorigenesis, RSPO1 functions as a suppressor of Wnt/-catenin signaling in Apc mutant adenoma cells and concomitantly activates the TGFB/SMAD signaling pathway, leading to apoptosis and growth inhibition of the adenoma cells. Thus, RSPO1 treatment leads to regression of intestinal adenomas in the ApcMin/+ mice, resulting in significantly increased survival of the mice.
My thesis provides a novel insight into the regulation of intestinal stem cells in intestinal adenomas. Our data reveal a dual role of RSPO1 in modulating Wnt signaling, proliferation, and apoptosis in the intestinal stem cells. Furthermore, RSPO1 regulates the competition equilibrium between healthy intestinal stem cells and Apc-mutated tumor stem cells. These findings revise and expand our knowledge on the signaling pathways that regulate tumor progression and they could provide possibilities for the development of novel cancer treatment strategies.Kolorektaalisyöpä (CRC) on läntisen maailman kolmanneksi yleisin syöpä aiheuttaen neljänneksi eniten syöpäkuolemia. Tapausten odotetaan lisääntyvän peräti 60 % seuraavan vuosikymmenen aikana. Kehittyvistä hoitomuodoista huolimatta lähes kolmannes potilaista kuolee CRC:hen. Lisääntynyt tietämys CRC:n molekyylitason mekanismeista on mahdollistanut kohdennettujen hoitojen kehittämisen ja hoitotulosten tarkemman ennustamisen. Esimerkiksi kasvurajoitegeeni APC:n inaktivoiva mutaatio käynnistää poikkeavan solunsisäisen Wnt/B-catenin-signaloinnin ja solujen jakautumisen, mikä johtaa CRC:n kehityksen käynnistymiseen.
LGR-reseptoreihin sitoutuvat R-spondiinit (RSPO1-3) ovat Wnt-signalointia vahvistavia ligandeja. R-spondiinien tiedetään myös kiihdyttävän terveiden hiirten suoliston kantasolujen kasvua. Lisäksi hiljattain löydettiin RSPO-geenifuusioita ihmisen CRC-soluissa, ja näin ollen RSPO-proteiinien eston on ajateltu estävän syövän kehitystä. Viimeaikaiset tutkimukset kuitenkin esittävät, että RSPO2-pitoisuus korreloisi negatiivisesti kasvaimen solujen erilaistumisasteen ja leviämistaipumuksen kanssa, ja näin ollen RSPO2 toimisi kasvun estäjänä CRC:ssä. Kahdella solulinjalla tehdyn tutkimuksen perusteella RSPO1 aktivoi TGFB/SMAD-signalointia ihmisen CRC-soluissa ja siten jarruttaa syövän kasvua. Toisaalta TGFB/SMAD-signaloinnin merkitys CRC-soluissa on monimutkainen, sillä syövän edetessä sen tiedetään muuttuvan kasvua hillitsevästä leviämistä edistäväksi.
Tämän työn tarkoituksena oli analysoida solunulkoisten Wnt-ligandien merkitystä suolistokasvaimen kehityksen alkuvaiheissa. Kehitimme adenoviruksen kaltaisen vektorin, jonka avulla RSPO1-eritys käynnistyi hiiren maksasoluissa. Vektoria annettiin suolistokasvaimista kärsiville hiirille, ja sen sijaan, että kasvainten määrä ja kasvu olisivat kiihtyneet, RSPO1 yllättäen estikin Wnt-signalointia samalla aktivoiden TGFB/SMAD-signaalireittiä. Yhdessä nämä mekanismit johtivat kasvainsolujen apoptoosiin sekä kasvainten määrän ja koon pienenemiseen, pidentäen kasvaimista kärsivien hiirten elinikää merkittävästi.
Väitöskirjatutkimukseni esittelee RSPO1:n kaksoisroolin Wnt-signaloinnin säätelijänä; terveessä suolessa se edistää kantasolujen kasvua ja jakautumista, kun taas kasvaimissa se estää solujen proliferaatiota ja kiihdyttää sisäsyntyistä solukuolemaa. RSPO1 siis säätelee terveen kudoksen ja kasvaimen solujen välistä kilpailuasetelmaa. Edellä mainitut havainnot laajentavat tietämystämme suolistosyövän ja terveen suolen solujen molekyylitason monimutkaisista mekanismeista ja eri signalointireittien välisistä interaktioista, ja siten tarjoavat mahdollisuuksia kehittää uusia hoitostrategioita eri syöpäsairauksiin
