오랜 시간이 지난 후 장 선와 세포의 돌연변이 풍경

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13964(2023) 이 기사 인용

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비만은 암 발병, 특히 위장관암의 수정 가능한 위험 요소입니다. 대장암의 병인은 선종-암종의 순서로 잘 특성화되어 있지만, 비만이 대장암 발병에 어떻게 영향을 미치는지는 불분명합니다. 비만과 함께 고지방 식이의 식이 성분은 장 줄기 세포의 항상성을 교란시켜 암 위험을 조절하는 것으로 나타났지만, 비만이 게놈 불안정성의 발달에 어떻게 영향을 미치는지는 연구되지 않았습니다. 돌연변이 서명은 복잡한 생물학적 반응이 게놈 안정성에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 강력한 방법입니다. 우리는 생체 내에서 실험적인 고지방 식이에 48주간 노출된 후 장 선와 세포의 돌연변이 환경을 연구하기 위해 식이 유발 비만의 마우스 모델을 활용했습니다. 오르가노이드 배양에서 단일 선와 유래 세포를 클론적으로 풍부하게 하고 전체 게놈 서열을 획득함으로써 우리는 일반 식이와 고지방 식이 마우스의 장 상피 세포의 돌연변이 환경을 분석하고 비교했습니다. 우리 코호트에 존재하는 단일 뉴클레오티드 치환 시그니처와 삽입결실 시그니처는 두 다이어트 그룹 모두에서 동일하게 활성화되어 있으며 오가노이드 배양 중에 유발되는 정상적인 노화, 세포 복제 및 산화 스트레스의 생물학적 과정을 반영합니다. 따라서 우리는 활성화된 돌연변이나 화학적 노출이 없는 경우 고지방 식이만으로는 게놈 불안정성을 증가시키기에 충분하지 않음을 입증합니다.

전 세계 비만율은 지난 40년 동안 꾸준히 증가해 왔습니다1. 비만은 제2형 당뇨병, 고혈압, 비알코올성 지방간 질환의 가능성 증가와 같은 많은 동반 질환을 동반합니다1, 2. 건강에 미치는 가장 큰 영향 중 하나는 체지방 축적을 수반하는 암 위험의 증가입니다3,4,5,6. 국제암연구소(IARC)는 만성 비만 상태와 특히 위장 축을 따라 있는 장기의 암 위험 증가를 연결하는 압도적인 역학적 증거를 인정했습니다7. 특히 대장암(CRC) 발병 위험은 식이 위험 요인과 높은 체질량 지수(BMI)에 의해 크게 영향을 받습니다8. 높은 BMI와 CRC 위험 사이의 명확한 연관성을 통해 근본적인 질병 원인에 대한 이해를 얻으면 예방 및 치료 프로그램에 정보를 제공할 수 있습니다.

대장암 발병은 선종-암종 서열9로 알려진 돌연변이의 진행에 의해 정의됩니다. 선종성 폴립증(APC)의 돌연변이 비활성화는 돌연변이를 시작하여 구성적인 Wnt/β-카테닌 신호 전달을 유도합니다. 대장암은 염색체 불안정성 경로(CIN), 미세부수체 불안정성 경로(MSI) 및 CpG 섬 메틸화 경로(CIMP)10의 세 가지 다른 분자 경로를 통해 발생합니다. CRC의 발달은 이질적이며 때로는 중복되는 경로를 포함하지만, 세 가지 경로 모두 게놈 불안정성으로 정의되어 KRAS 및 BRAF(종종 상호 배타적), TP53, PIK3CA를 비롯한 일련의 종양 억제 인자 및 종양 유전자에서 추가 돌연변이를 획득할 수 있습니다. 및 SMAD410, 11. 흥미롭게도 APC와 p53의 동시 손실은 CIN 경로의 특징인 높은 수준의 염색체 불안정성을 유도하기에 충분하다는 것이 나타났습니다. CRC 발달에 있어 잘 정의된 분자 유전학에도 불구하고, 고지방 식이(HFD)가 이러한 일련의 사건에 어떻게 영향을 미치는지는 불분명합니다.

고급 조직 배양 기술의 출현으로 시험관 내에서 가장 관련성이 높은 세포 집단을 연구하는 것이 가능해졌습니다. CRC의 경우, 기원 세포 집단은 선와의 바닥에 존재하는 빠르게 순환하는 LGR5 양성(G 단백질 결합 수용체 5를 함유하는 류신이 풍부한 반복) 장 줄기 세포(ISC)입니다14. 이 세포는 식이 및 대사 교란에 민감하여 암 발병 위험을 조절하는 것으로 입증되었습니다15,16,17,18. HFD 성분에 장기간 노출되면 비줄기세포 전구 세포에 줄기 특성이 부여되어 활발하게 복제되는 세포 풀이 증가하는 것으로 나타났습니다. HFD 성분인 팔미트산은 PPAR-∂의 활성화를 통해 이 효과를 시작하는 것으로 밝혀졌습니다. 표준 Wnt 신호 전달을 유도하는 퍼옥시좀 증식인자 활성화 수용체 델타(peroxisome proliferator-activated 수용체 델타) 신호 전달16, 19. 일반적으로 식이 유발 비만과 관련된 또 다른 주요 대사 물질은 콜레스테롤입니다. 높은 콜레스테롤 수치에 장기간 노출되면 APC 결핍 배경에서 ISC의 증식을 촉진하고 종양 형성 속도를 증가시키는 것으로 나타났습니다17.

T mutations within CpG sites are shown as a separate category. Individual dots indicate organoid samples, error bars show ± 1 sd from the mean, asterisks indicate results from pairwise t-test (two-sided) comparing mutation numbers for each mutation category, alpha = 0.05 (C) Average mutational profile of SNVs in 96 channels shown for HFD (upper panel) and SD (lower panel). Error bars indicate ± 1 sd./p> G, C > T outside of CpG regions, T > C, and T > G (Fig. 2B). The profile of relative contributions, across the 7 mutation channels, however, is similar between the two diet groups. Next, we examined the mutational profiles in 96 channels. The mean mutational profile per diet group exhibits few characteristic peaks, with the exception in the C > A and C > T components. The aggregated profile of the HFD group has a cosine similarity of 0.9929 to the SD group (Fig. 2C). We furthermore observe highly similar profiles between mice of either diet group (Supplementary Fig. 2A,B). To quantify how similar the mutational profiles of samples across diet groups are, we computed the pairwise cosine similarity between all samples, which ranges from 0.9020 to 0.9776 (mean = 0.9558) (Supplementary Fig. 2C)./p> T transition21. The activity of SBS1 observed in both groups thus likely reflects the normal aging process. Additionally, both groups showed high numbers of C > A mutations, which were largely attributed to SBS18. This signature has been proposed to be caused by damage due to reactive oxygen species22, 25 and might thus have arisen during the routine experimental handling of the samples or due to exposure to metabolic byproducts in the intestine. The remaining signatures SBS5 and SBS40 share similarly flat profiles. Although only SBS5 has been clearly identified as a clock-like signature, SBS40 was also found to correlate with age22, 37. Thus, the activity of both signatures may be explained by normal aging processes. Taken together, the results from de-novo extraction and signature refitting, confirm that the experimental HFD did not induce or impact different mutational processes for single nucleotide substitutions compared to the standard diet./p>