Chronische Kolitis verändert die Stammzellen des Dickdarms auf eine Weise, die das Tumorwachstum beschleunigen kann

Selbst nach dem Abklingen der Entzündung können Stammzellen des Dickdarms ein verborgenes molekulares Gedächtnis behalten, das die Wahrscheinlichkeit eines späteren Tumorwachstums erhöht und einen neuen mechanistischen Zusammenhang zwischen chronischen Entzündungserkrankungen und dem Krebsrisiko darstellt.

In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie NaturForscher untersuchten das „epigenetische Gedächtnis“ (Auswirkungen und Dauer) der chronischen Kolitis in Mausmodellen der entzündlichen Erkrankung. Die Studie nutzte die hochauflösende Einzelzellverfolgung von Dickdarmstammzellen und stellte fest, dass diese Zellen im Mausmodell nach dem Abklingen der Krankheit mehr als 100 Tage lang ein epigenetisches Gedächtnis an Entzündungen behalten.

Die Studie entwickelte einen neuartigen SHARE-TRACE-Assay weiter, um die Mechanismen zu untersuchen, die diese Beobachtungen steuern. SHARE-TRACE-Ergebnisse zeigten, dass diese Gedächtniserhaltung durch eine Hochregulierung der Aktivität des Aktivatorprotein-1 (AP-1)-Transkriptionsfaktors und eine entsprechende Erhöhung der Zugänglichkeit von Chromatin vorangetrieben wurde, was Kolonstammzellen auf ein verstärktes Tumorwachstum nach einer onkogenen Mutation vorbereitet.

Zusammengenommen helfen diese Ergebnisse zu erklären, warum Patienten mit entzündlichen Darmerkrankungen (IBD) ein höheres Darmkrebsrisiko haben, selbst in Remissionsphasen.

Chronische Kolitis steht im Zusammenhang mit der CRC-Entwicklung

Jahrzehntelange klinische Aufzeichnungen haben gezeigt, dass die Dauer und der Schweregrad der Colitis ulcerosa in direktem Zusammenhang mit dem Risiko eines Patienten stehen, an einem kolorektalen Karzinom (CRC) zu erkranken. Während ein Teil dieses Risikos auf einen potenziellen Anstieg der spontanen Mutationsraten zurückzuführen ist, die mit kolitisbedingtem entzündlichem Stress einhergehen, stellten Forscher die Hypothese auf, dass plastische (phänotypische und epigenomische) Zellveränderungen das Darmkrebsrisiko erhöhen könnten.

Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Darmstammzellen die Ursprungszellen für Darmkrebs sein könnten. Da diese Vorläufer langlebig sind und für die Regeneration des gesamten Epithels alle paar Tage verantwortlich sind, gelten sie heute als ideale Kandidaten für die Speicherung einer „Erinnerung“ an vergangene Umweltreize. Leider sind die molekularen Mechanismen, die diese Prozesse steuern, bisher unbekannt.

Mausmodell und SHARE-TRACE-Methoden

Ziel der vorliegenden Studie war es, diese mechanistische Wissenslücke mithilfe von Mausmodellen zu schließen (Mus musculus Stämme 000664 und 0355169) einer chronischen Kolitis, die durch wiederholte Zyklen einer Exposition gegenüber 1–1,5 % Dextran-Natriumsulfat (DSS) hervorgerufen wird.

Die Studie analysierte speziell drei chronische Kolitiszustände: akute Verletzung (ein DSS-Zyklus), chronische Verletzung (drei Zyklen) und eine Erholungsphase (102 Tage). Zu den Untersuchungstests gehörten:

• SHARE-TRACE: Eine neuartige, modifizierte Version von Simultaneous High-throughput ATAC and RNA Expression (SHARE-seq), die die klonale Abstammungsverfolgung mit transkriptomischer und epigenomischer Profilierung integriert und so die Einzelzellprofilierung ermöglicht.
• scATAC-seq und scRNA-seq: Werden zur Profilierung von 52.540 Einzelzellen verwendet, um zelltypspezifische Veränderungen in der Genexpression und der Zugänglichkeit von Chromatin zu identifizieren.
• seq2PRINT: Ein rechnerischer Ansatz, der Transkriptionsfaktor (TF)-Footprinting mit Deep Learning kombiniert, um DNA-Motive zu entdecken und Bindungsereignisse de novo zu lokalisieren.
• AlphaFold3: Wird zur Vorhersage von Protein-zu-DNA- und Protein-zu-Protein-Wechselwirkungen zwischen AP-1 und verschiedenen Co-Bindungsfaktoren verwendet.
• Der Versuchsaufbau umfasste hauptsächlich 23 Mäuse. Die Ergebnisse dieser Mausmodelle wurden durch die Verwendung sowohl von Maus-Organoidkulturen als auch von menschlichen IBD-abgeleiteten Organoiden von Patienten mit diagnostisch festgestellter entzündlicher Darmerkrankung weiter gestützt.

Das AP-1-Chromatin-Gedächtnis treibt das Tumorwachstum voran

Die Untersuchungsergebnisse zeigten, dass das Transkriptom nach der Genesung größtenteils wieder zum Ausgangswert zurückkehrt, das Epigenom jedoch im Mausmodell eine bleibende Narbe („Gedächtnis“) für mehr als 100 Tage nach der Genesung beibehält.

Die Stammzellcharakterisierung ergab einen kumulativen Gewinn an Zugänglichkeit an AP-1-Motivstellen mit einer False Discovery Rate (FDR) von 1,27 × 10-3. Allerdings wurde während der chronischen Kolitis und der Genesung ein gleichzeitiger Verlust der Zugänglichkeit an CTCF-Stellen beobachtet (FDR = 8,79 × 10-3).

Gedächtnispersistenztests ergaben, dass Veränderungen des Chromatingedächtnisses auch nach 102 Tagen (mehrere Generationen des Epithelumsatzes) nachweisbar blieben. Bemerkenswerterweise zeigten die untersuchten Zellen eine hohe Heterogenität, wobei nur eine kleine Subpopulation von Stammzellen (ungefähr 9,2 % im gewonnenen Gewebe gegenüber 1,6 % in den Kontrollen) eine außergewöhnlich hohe AP-1-Zugänglichkeit aufwies (P = 1,44 × 10–15).

Bei der Analyse der Auswirkungen dieser epigenetischen Veränderungen auf die CRC-Tumorentstehung ergab die Studie, dass die bei Mäusen, die von einer Kolitis genesen waren, induzierte Adenome signifikant größer waren als die bei naiven Kontrollen, wobei einzelne mikroskopische Tumoren einen Wachstumsvorteil (P = 1,79 × 10-5) aufwiesen, im Vergleich zu einer höheren Anzahl makroskopischer Tumoren. Darüber hinaus korrelierten durch Kolitis verursachte Veränderungen der Zugänglichkeit negativ mit der DNA-Methylierung (ρ = -0,51) und umfassten 4.397 konkordante Regionen.

Folglich wurde bestätigt, dass die Behandlung mit dem AP-1-Inhibitor T-5224 während der Tumorentstehung die mittlere Tumorgröße bei genesenen Mäusen verringert (~40 %). Schließlich wurde in der Studie festgestellt, dass FOX-Transkriptionsfaktoren (z. B. FOXP1) die AP-1-Bindung an Speicherstellen stabilisieren, wie in In-vitro-Assays beobachtet, die zeigten, dass FOXP1 die AP-1-Bindung um das ~9-fache erhöhte (P = 3,11 × 10-6).

Ein dauerhaftes IBD-Gedächtnis kann die Behandlung verschieben

Die vorliegende Studie liefert eine mechanistische Grundlage für zuvor berichtete Zusammenhänge zwischen Kolitis und CRC und zeigt, dass durch chronische Kolitis verursachte Entzündungen kleine Subpopulationen epigenetisch vorbereiteter klonaler Felder im Dickdarm erzeugen. Diese „epigenetischen Veränderungen“ verändern unter normalen Bedingungen nicht unbedingt die Funktion der Zelle, senken jedoch die Schwelle für bösartiges Wachstum drastisch, sobald eine onkogene Mutation auftritt.

Insbesondere die Persistenz (über 100 Tage) dieser Signaturen legt nahe, dass künftige Therapiestrategien möglicherweise auf die zugrunde liegende Chromatin-Remodellierung und nicht nur auf aktive Entzündungen abzielen müssen.

Darüber hinaus lassen diese Ergebnisse die Möglichkeit erkennen, dass die Überwachung epigenetischer Gedächtnissignaturen letztendlich dazu beitragen könnte, das onkogene Risiko bei IBD-Patienten zu verfolgen, bevor neoplastische Läsionen sichtbar werden.

Quellen: