Hoe leiden erfelijke LKB1 mutaties tot een vergrote kans op darmkanker?

Het syndroom van Peutz-Jeghers (PJS) is een zeldzaam polyposesyndroom dat autosomaal-dominant overerfelijk is (prevalentie 1:20.000 - 1:200.000) en veroorzaakt wordt door inactiverende mutaties in het gen STK11 dat codeert voor de serine/threonine-kinase LKB1, een enzym dat betrokken is bij communicatie in en tussen cellen. PJS-patiënten ontwikkelen goedaardige gastro-intestinale poliepen (hamartomen) en hebben een sterk verhoogd risico op het ontwikkelen van gastro-intestinale kanker en andere kwaadaardige tumoren. Behalve regelmatige controle om kwaadaardigheden vroeg op te sporen zijn verdere behandelingsopties voor deze patiënten beperkt, voornamelijk vanwege een gebrek aan kennis van hoe verlies van LKB1 vatbaarheid voor het ontwikkelen van kanker veroorzaakt.

Verminderde expressie van LKB1 wordt regelmatig geobserveerd bij verschillende sporadische kankers en staat in verband met een slechte prognose. LKB1-enzymactiviteit is gekoppeld aan een uiteenlopende reeks cellulaire processen, waaronder metabolisme, gecontroleerde celdood, polariteit en migratie. Op dit moment ontbreekt echter een verenigende theorie over hoe LKB1-verlies de celfunctie op weefselniveau verandert om de ontwikkeling van kanker te bevorderen.

Oplossing en onderzoeksrichting

Ons inleidende werk heeft onverwacht onthuld dat inactivatie van LKB1 een omschakeling van het dunnedarmepitheel naar een regeneratieve toestand veroorzaakt. Deze toestand wordt gekenmerkt door het opnieuw tot expressie komen van een genetisch programma dat geassocieerd wordt met een vroeg stadium van de menselijke embryonale ontwikkeling. In gezonde epithelia is recent aangetoond dat dergelijke foetale genetische programma’s tijdelijk worden geactiveerd na infectie of letsel om het het opnieuw structureren en repareren van weefsel te bevorderen. Onze observaties laten zien dat inactivatie van LKB1 het darmepitheel in een permanente regeneratieve toestand drijft, die gepaard gaat met substantiële veranderingen in cellulaire communicatie en een afname in de activiteit van normale genetische programma’s in zowel volwassen stamcellen als gedifferentieerde cellen. Belangrijk is dat het foetale genetische programma dat we in PJS-epitheel geïdentificeerd hebben vaak wordt geactiveerd in verschillende soorten kanker en verband houdt met een slechte prognose.

Hypothese, doelstelling en onderzoeksplan

Onze hypothese is dat verlies van LKB1 een omschakeling naar een genetisch programma van de vroege foetale ontwikkeling veroorzaakt, waardoor in PJC-patiënten een verhoogde incidentie van gastro-intestinale kanker ontstaat. Met het voorgestelde werk doelen we op het vergaren van inzicht in hoe deze door LKB1-verlies geactiveerde foetale omschakeling de epitheelfunctie verandert en de ontwikkeling van kanker stimuleert.

In het bijzonder zullen we:

1) De veranderingen in celorganisatie, celidentiteit en de functie van het LKB1-deficiente darmepitheel karakteriseren. We zullen bestuderen hoe verlies van LKB1 de celcompositie en –functie van het darmepitheel verandert door het omschakelen naar een genprogramma van de vroege ontwikkeling door gebruik te maken van LKB1-deficiente muisorganoïden, enkele cel (“single cell”, sc)RNA sequencing en phospho-proteomics. We zullen onderzoeken hoe remming van belangrijke communicatieroutes organoïden kan laten terugschakelen naar een normale, gezonde toestand.

2) Uitvinden hoe verlies van LKB1 het mutatielandschap en klonale uitgroei verandert binnen het darmepitheel van humane PJC-patiënten. We zullen een eerste levende biobank genereren van dunne- en dikke-darmorganoïden die afgeleid zijn van PJS-patiënten. Op deze organoïden zullen we scRNA seqeuncing en hele-genoomsequencing (“whole genome sequencing”, WGS) toepassen om te bestuderen hoe verlies van LKB1 de mutatiesnelheid, mutatiespectra en het voorkomen van structurele varianten in het darmepitheel verandert om een toestand van aanleg tot kanker te bevorderen.

3) Toetsen hoe verlies van LKB1 samenwerkt met andere kankermutaties om tumorgroei en uitzaaiing te bevorderen in vivo. We zullen een collectie van LKB1-deficiënte organoïden genereren waarin we aanvullende kankermutaties zullen introduceren om synergistische effecten in het bevorderen van eigenschappen van kankercellen te bestuderen. We zullen het drijvende vermogen van gemuteerde organoïden op het gebied van tumorgroei en uitzaaiing bestuderen door gebruik te maken van een diermodel met getransplanteerde organoïden, waarin ook potentiele interventies getest kunnen worden.

Verwachte uitkomst

Ons onderzoek zal nieuwe fundamentele inzichten verschaffen in het mechanisme waarmee verlies van LKB1 de darmorganisatie, -functie en zelfvernieuwing verandert. We zullen inzicht krijgen in de manier waarop heractivering van een genetisch programma uit de vroege ontwikkeling de celhiërarchie en geassocieerde communicatienetwerken verandert, waardoor in PJS-patiënten een toestand met toegenomen aanleg voor kanker ontstaat. De verkregen moleculaire kennis en gevalideerde modelsystemen zullen helpen bij de ontwikkeling van behandelingsstrategieën om de ontwikkeling van kanker te voorkomen. Dergelijke strategieën kunnen niet alleen PJS-patiënten ten goede komen, maar ook andere kankerpatiënten met genetische inactivatie van LKB1, of patiënten met andere genetische eigenschappen die foetale genprogramma's reactiveren en kankergroei aandrijven.