The role of Stat1 in intestinal tumorigenesis

Abstract

Maligne Tumore etablieren Mechanismen mit deren Hilfe sie der Überwachung des Immunsystems entkommen. Das neue Feld der Immuntherapie versucht jene Mechanismen zu reversieren, um die Tumorzellen für das angeborene und adaptive Immunsystem wieder detektierbar zu machen. Da dieser Therapieansatz bei der Behandlung des kolorektalen Karzinoms (KRK) nur bedingt erfolgreich ist, werden präklinische Studien benötigt um Resistenzmechanismen zu identifizieren. Indoleamin-2,3-Dioxygenase-1 (Ido1) ist ein Enzym, welches durch die Aktivierung verschiedener Signalwege in Tumor- und Stromazellen das Immunsystem daran hindert Tumore zu bekämpfen. In dieser Studie haben wir Ido1-exprimierende Zellen in intestinalen Krypten und Adenomen von Mäusen identifiziert. Ido1+ Zellen wurden abwechselnd mit Ido1- Zellen detektiert und ähnelten dem alternierenden Muster von sekretorischen Paneth-Zellen und Lgr5+ Stammzellen in den Krypten des Darms. Des Weiteren exprimierten Ido1+ Zellen einen Paneth-Zell Marker, Lysozym, weshalb wir sie paneth-ähnliche Zellen nennen. Die gezielte Deletion von Signal transducer and activator of transcription 1 (Stat1) in Zellen des intestinalen Epithels ging einher mit der Depletion dieser Ido+ paneth-ähnlichen Zellen und einer stark reduzierten Tumorgenese. Diese Tumore wiesen eine höhere Zahl an zytotoxischen T Zellen und weniger regulatorische T Zellen auf, im Gegensatz zu jenen Tumoren, welche Ido+ paneth-ähliche Zellen besaßen. In den Tumorzellen wurde weniger nukleär lokalisiertes -Catenin detektiert, was auf eine Reduktion des Wingless/Int-1 (Wnt) Signalweges hindeutet. Weiters konnten wir zeigen, dass die Differenzierung von Ido1+ paneth-ähnlichen Zellen vom unphosphorylierten und nicht vom klassischen, phosphorylierten Stat1 Signal abhänging ist. Korrelationen von Ido1, Stat1 und Lysozym in Datensätzen von KRK des "The Cancer Genome Atlas" (TCGA) zeigten, dass diese Zellen auch in Patienten vorhanden sind. Weiters konnten wir mittels immunhistochemischer Färbung Ido1+ Tumorepithelzellen in Patientenbiopsien nachweisen. Unsere Studien haben Ido1+ paneth-ähnliche Zellen in intestinalen Krypten und Adenomen identifiziert die dazu beitragen, den Tumor vor dem Immunsystem zu maskieren. Mit dieser Erkenntnis haben wir einen neuen Mechanismus in KRK definiert, der Tumoren hilft der Anti-Tumorüberwachung zu entkommen. Diese Zellen stellen ein potenzielles Ziel für die Immuntherapie dar.Tumors have developed a variety of mechanisms to escape innate and adaptive immune surveillance. Immunotherapy aims to revert these immunosuppressive effects and to sensitize tumors to immune attack. Especially in colorectal cancer (CRC), success of immunotherapy is limited. Only a minority of CRCs with microsatellite instability exhibit favorable response, due to the high number of neoantigens displayed. Consequently, identification of resistance mechanisms is of major importance for immunotherapy of CRC. Indoleamine-2,3-dioxygenase-1 (Ido1) is a potent inhibitor of anti-tumor immune surveillance due to various tumor cell-intrinsic and -extrinsic mechanisms. We discovered Ido1-expressing cells in the stem cell niche of intestinal crypts and in adenomas of mice. These Ido1-expressing cells alternated with Ido1-negative stem cells expressing Lgr5 in crypts of the small and large intestine, resembling the pattern of Paneth and Lgr5+ cells observed in the stem cell niche. Importantly, immunohistochemical stainings revealed coexpression of Ido1 and the Paneth cell marker lysozyme. Therefore, we entitled these cells Ido1-expressing paneth-related cells. Intestinal epithelial ablation of signal transducer and activator of transcription 1 (Stat1) abrogated Ido1-expressing paneth-related cancer cells which markedly interfered with intestinal tumorigenesis. Absence of this cell type favored the infiltration of cytotoxic T cells into the tumor and reduced intratumoral numbers of T regulatory cells. In addition to augmented immune surveillance, canonical Wingless/Int-1 (Wnt) signaling was strongly reduced, as indicated by decreased levels of nuclear -catenin. Furthermore, establishment of Ido1-expressing paneth-related cells was dependent on unphosphorylated Stat1 but not on canonical, phosphorylated Stat1 signaling. Analysis of "The Cancer Genome Atlas (TCGA)" data sets and staining of patient samples for Ido1 revealed corresponding cells in human colorectal tumors. Importantly, presence of these cells was of prognostic value in patients suffering from CRC. Our data identified Ido1-expressing paneth-related cells in intestinal crypts and adenomas. Additionally, we uncovered the role of Ido1-expressing paneth-related cancer cells in promotion of tumor immune escape as a new mechanism of immunosuppression in CRC. We suggest that targeting paneth-related tumor cells in colorectal cancers represents a potent option for immunotherapy.submitted by Jasmin SvinkaZusammenfassung in deutscher SpracheAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersMedizinische Universität, Dissertation, 2017OeBB(VLID)192745