Ieder nadeel heeft zijn voordeel: Welk voordeel halen kankercellen in de dikke darm uit een ongebalanceerd chromosoom aantal?

Achtergrond en probleemstelling

In Nederland worden jaarlijks ongeveer 14.000 mensen geconfronteerd met de diagnose colorectaal kanker. Een vorm van kanker die ontstaat door afwijkend gedrag van cellen in het epitheel van de dikke darm. Veranderingen (mutaties) in het DNA van die cellen liggen ten grondslag aan dit afwijkende gedrag. Baanbrekend onderzoek in de afgelopen decades heeft laten zien dat fouten in de genen die coderen voor eiwitten zoals APC, KRAS, BRAF, TP53 belangrijke veroorzakers zijn van dikke darmkanker. Mutaties in deze ‘oncogenen’ en tumorsuppressor genen’ veranderen de eiwitten dusdanig dat het bepaalde signaal routes in de cel dereguleert. Hierdoor blijft een cel bijvoorbeeld delen omdat het berichten uit de omgeving die laten weten dat de cel moet stoppen met delen, negeert. Naast deze z.g. somatische mutaties laten cellen van een groot deel van de colorectaal kankers afwijkingen zien in de aantallen van bepaalde chromosomen. We noemen dit chromosoom-specifieke aneuploidieën. De rol van deze specifieke aneuploidieën in het ontstaan dan wel behoud van colorectaal kanker is onbekend.
 

Een gezonde cel heeft 46 chromosomen, 23 van moeder en 23 van vader, van ieder chromosoom zijn er dus twee (disomie). Echter, in >40% van de dikke darmkankers zien we dat er in plaats van twee, drie kopieën zijn van chromosoom 7, 13 of 20, en dat er armen missen van chromosoom 18 en 17. In andere kankertypes zien we juist weer dat de aantallen van andere chromosomen afwijkend zijn. In acute lymfatische leukemie, bijvoorbeeld, zijn er vaak drie kopieën van chromosoom 21 te vinden. En heel opmerkelijk, mensen met het syndroom van Down (trisomie 21) hebben een hoog leukemie risico, terwijl het risico op het krijgen van solide tumoren juist lager is. Dit suggereert een belangrijke rol voor dit extra chromosoom in het ontstaan van de leukemie. Maar hoe zit dat dan bij colorectaal kanker? Dragen de extra chromosomen ook bij aan het ontstaan of het behoud van de kanker? En wat zijn de factoren die maken dat cellen met die afwijkende chromosoom aantallen überhaupt kunnen uitgroeien? Studies in normale cellen hebben namelijk laten zien dat het hebben van een extra chromosoom de eiwit balans dusdanig verstoort dat cellen juist minder goed groeien. Met andere woorden, doorgaans is een aneuploidie juist nadelig. De vragen die we in dit onderzoeksvoorstel willen gaan beantwoorden zijn: Wat zijn de voordelen voor colorectaal kankercellen om bepaalde aneuploidieën te behouden? En welke factoren tijdens de ontwikkeling van colorectaal kanker, maken dat deze kanker-specifieke aneuploidie patronen ontstaan?

Onderzoeksrichting

Om bovenstaande vragen te kunnen beantwoorden is een methode nodig om chromosoom-specifieke aneuploidieën te genereren dan wel te corrigeren. Onze preliminaire data laten zien dat we een dergelijke methode hebben ontwikkeld. Aneuploidieën zijn het gevolg van fouten die gemaakt worden bij de verdeling van de chromosomen tijdens de celdeling. Voordat een cel deelt wordt er eerst van ieder chromosoom een kopie gemaakt en tijdens de celdeling worden kopie en origineel van elkaar gescheiden en gelijkwaardig verdeeld over de twee nieuw te vormen dochtercellen. Voor een eerlijke verdeling is het nodig dat origineel en kopie zich op een bepaalde manier hechten aan de trekdraden van de spoelfiguur. Motor eiwitten die de chromosomen langs die trekdraden naar het midden van de cel transporteren spelen hierbij een belangrijke rol. Door een tegendraads motortje (een motor die niet naar het midden van de cel loopt, maar juist de andere kant op; naar de uiteinden van de spoelfiguur) aan een specifiek chromosoom te koppelen meenden we dat chromosoom te kunnen laten mis-segregeren (zie figuur 1). Dit lijkt inderdaad te werken. In verschillende menselijke cellen hebben we een fluorescerend motor eiwit van een mosplant gekoppeld aan een chromosoom van interesse. Met behulp van de microscoop zien we dat het chromosoom waaraan het motortje gekoppeld is minder snel naar het midden van de cel wordt getransporteerd en dat het de verdeling van kopie en origineel chromosoom over de twee dochtercellen verstoort. De ene dochtercel krijgt daardoor een extra kopie van het chromosoom (trisomie) en de andere dochtercel juist een kopie te weinig (monosomie). Deze nieuwe technologie willen we nu gaan inzetten om een zeer veel voorkomende aneuploidie in colorectaal kanker, trisomie 7, te corrigeren.

Onderzoeksopzet

Wat zijn de voordelen voor colorectaal kankercellen om bepaalde aneuploidieen te behouden? Om deze vraag te beantwoorden gaan we onze nieuwe methode introduceren in organoïden afkomstig van patiënten met colorectaal kanker, en de tegendraadse motor koppelen aan een van de drie kopieën van chromosoom 7. Dit moet ertoe leiden dat één van die drie chromosomen mis-segregeert. De cellen die het extra chromosoom hebben verloren, en nu dus twee kopieën van chromosoom 7 hebben, kunnen worden geselecteerd. De consequentie van het verlies van de extra kopie van chromosoom 7voor organoïde groei, overleving en anti-kanker therapie respons zal worden bestudeerd. Dit leert ons of deze kankercellen afhankelijk zijn geworden van die extra kopie van chromosoom 7. Genexpressie profielen van de trisomie 7 en disomie 7 organoïden zullen worden bepaald en met elkaar vergeleken om het mechanisme van de aneuploidie-afhankelijkheid te ontrafelen.
 

Welke factoren maken dat colorectaal kanker-specifieke aneuploidieen ontstaan? Onze hypothese is dat een bepaalde aneuploidie voordelig zou kunnen zijn voor een cel die moet zien te overleven en vermenigvuldigen onder bepaalde groeifactor limiterende omstandigheden. Organoïden afkomstig van gezond colorectaal weefsel gaan we langdurig kweken terwijl stap voor stap de hoeveelheid van een bepaalde groeifactor wordt afgebouwd. De organoïdien die zich aan deze moeilijke omstandigheden hebben aangepast en dus uitgroeien worden geselecteerd en het genoom geanalyseerd, om te bepalen van welke chromosomen er meer of minder dan twee kopieën zijn. Deze aneuploidie patronen worden vervolgens vergelijken met de patronen die zijn gevonden in colorectaal kanker.

Verwachte uitkomst

De succesvolle uitvoering van dit project levert nieuwe inzichten op over de contributie van een zeer veel voorkomende aneuploidie, trisomy 7, in de ontwikkeling van colorectaal kanker. Het ontrafelen van het mechanisme van een mogelijke trisomy 7 afhankelijkheid zou aangrijpingspunten kunnen opleveren voor nieuwe anti-kanker therapieën waarvoor colorectaal kankers met een trisomy 7 (~40%) extra gevoelig zijn.