WNT signaling, hypoxia and GATA6 : their role in colorectal cancer, stem cells and disease progression

Abstract

The recent discovery that intestinal adenomas are built on a stem cell hierarchy has raised great interest in understanding the signals that maintain tumor stem cells. We unveiled the existence of a transcriptional circuit dedicated to prevent the expansion of adenoma stem cells during the onset of CRC. This circuit was found to be controlled by the transcription factor GATA6, which directly activated the expression of the WNT pathway component LGR5 and repressed BMP levels in adenomas. As a result of this mechanism, two cell compartments were established in adenomas: a BMP positive zone that comprises differentiated tumor cells and a BMP negative niche that hosts adenoma stem cells. Genetic deletion of Gata6 elevated BMP levels in tumors, which in turn inhibited adenoma stem cell self-renewal and intestinal tumorigenesis. These findings represent a key contribution to understand the mechanisms that regulate the tumor stem cell hierarchy and reveal for first time the existence of a niche that protects AdSCs from BMP signals. In subsequent studies, we further explore the role of GATA factors in EMT both in Drosophila and mammalian models. During the formation of the Drosophila endoderm relatively static epithelial cells have to convert to highly migratory cells to form a large part of the intestinal tract. We showed that the Drosophila GATA factor Srp is necessary to induce EMT, which resulted in relocalization of E-cadherin protein without altering its expression. Mammalian GATA4 and GATA6 also induced an EMT when ectopically expressed in culture. GATA factor Srp and GATA6 both transcriptionally inhibited Crumbs orthologues, delocalized E-cadherin and activated mesenchymal genes. This work has uncovered a novel evolutionarily conserved alternative route to EMT that is Snail independent. This discovery could have important clinical implications in pathogenesis, namely in cancer progression. Further studies aimed to characterize WNT signaling during CRC progression. WNT signaling is required for the maintenance of colorectal cancer stem cells (CRC-SCs) but paradoxically low levels of WNT genes associate with a higher risk of disease relapse. We identified a core expression program driven by beta-catenin/TCF in CRC-SCs, which was shown to be a strict indicator of the dependency on WNT signaling for growth. We showed that during disease progression, a subset of WNT genes is downregulated as a consequence of tumor hypoxia. This response characterized a group of patients displaying very high risk of cancer recurrence after therapy. Hypoxia-induced genes were prominently expressed at invasion fronts coinciding with lower expression of the WNT program. Therefore, hypoxia refines the WNT program in CRC-SCs during the acquisition of a malignant phenotype. This finding has important implications in CRC progression, as it explains how some CRC-SC genes (like EPHB2) are shut down during the progression of the disease and directly challenges recent high impact work in the field that points to methylation as the mechanism responsible for the refinement of WNT signaling. Moreover it identifies hypoxia as a culprit in this invasive cell phenotype. These findings may have important clinical implications in treatment of CRC.

El reciente descubrimiento de que los adenomas intestinales mantienen una jerarquía similar a la del epitelio intestinal normal, ha despertado gran interés por entender las señales que especifican y mantienen a las células madre tumorales. En este trabajo, damos a conocer la existencia de un circuito transcripcional dedicado a prevenir la expansión de células madre de adenoma durante el inicio del cáncer colorectal (CCR). Este circuito está controlado por el factor de transcripción GATA6, el cual activa directamente el componente de la vía de señalización WNT LGR5, y reprime los niveles de BMP en adenomas. Como resultado de este mecanismo, se establecen dos compartimentos celulares en los adenomas: una zona BMP positiva que contiene células tumorales diferenciadas y un nicho BMP negativo que aloja células madre de adenoma. La deleción genética de Gata6 eleva los niveles de BMP en tumores, lo que a su vez inhibe la auto-renovación de células madre de adenoma y la tumorigénesis intestinal. Estos hallazgos representan una contribución fundamental para comprender los mecanismos que regulan la jerarquía de las células madre tumorales y revelan por primera vez la existencia de un nicho que protege a las células madre de adenoma de señales BMP. En estudios posteriores, continuamos explorando el rol de los factores GATA en la transición epitelio-mesénquima tanto en modelos de Drosophila como de mamífero. Durante el desarrollo del endodermo en Drosophila, células epiteliales relativamente estáticas se convierten en células migratorias para formar una gran parte del tracto intestinal a través del proceso de transición epitelio-mesénquima. Hemos demostrado que el factor GATA -en Drosophila denominado Srp- es necesario para inducir una transición epitelio-mesénquima que da lugar a la relocalización de la proteína E-cadherina sin alterar su expresión. Los factores GATA4 y GATA6 de mamífero también inducen transición epitelio-mesénquima cuando son expresados de forma ectópica en cultivos celulares. Tanto el factor GATA Srp como GATA6 inhiben la transcripción de ortólogos de Crumbs, deslocalizan la E-cadherina y activan genes mesenquimales. Nuestro trabajo ha dado a conocer una nueva ruta alternativa para la transición epitelio-mesénquima que se encuentra conservada evolutivamente y que es independiente de Snail. Este descubrimiento podría tener importantes implicaciones clínicas en patogenia, y más específicamente en la progresión del cáncer. Un tercer aspecto del trabajo presentado se centra en la caracterización de la vía de señalización WNT durante la progresión del CCR. La señalización WNT es necesaria para el mantenimiento de las células madre de cáncer colorectal (CM-CCR), aunque paradójicamente, bajos niveles de genes WNT se asocian con un mayor riesgo de recaída de la enfermedad. Hemos identificado un programa básico de expresión impulsado por beta-catenina/TCF en CM-CCR, que se ha demostrado ser un indicador estricto de la dependencia de señalización WNT para el crecimiento. Hemos demostrado que durante la progresión de la enfermedad, se suprime la expresión de un subconjunto de genes WNT como consecuencia de hipoxia tumoral. Esta respuesta caracteriza a un grupo de pacientes con un muy alto riesgo de reincidencia del cáncer después de la terapia. Los genes inducidos por hipoxia se expresan de manera prominente en frentes de invasión coincidiendo con una menor actividad de la vía del programa WNT. Por lo tanto, la hipoxia refina el programa WNT en CM-CCR durante la adquisición de un fenotipo maligno. Este hallazgo tiene implicaciones importantes para la progresión del CCR, porque explica cómo algunos genes de CM-CCR (como receptores EPHB2) se apagan durante la progresión de la enfermedad y directamente desafía trabajos de alto impacto recientemente reportados en el área, que apuestan por la metilación como mecanismo responsable del refinamiento del programa WNT. Por otra parte, identifica a la hipoxia como un culpable de este fenotipo de células invasivas. Estos hallazgos podrían tener importantes implicaciones clínicas en el tratamiento del cáncer colorectal.