Systematic analyses of CTNNB1-, BRAF-, KRAS- and PIK3CA-induced oncogenic activities in the intestinal epithelium

• Applicant: Dr. Markus Morkel
• Subject Area: Gastroenterology ; Cell Biology
• Term: from 2015 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 269381282

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Die Darmkrebsentstehung und –entwicklung wird durch in zahlreichen Patienten wiederkehrende onkogene Mutationen gesteuert. Um zu verstehen, wie sich solche genetischen Veränderungen auswirken, wurden im vorliegenden Projekt einzelne Mutationen näher untersucht, die bekanntermassen mit der Aktivierung von zentralen Signalwegen der Zelle einhergehen. Die untersuchten Mutationen betreffen die Gene (und Signalwege) CTNNB1 (WNT), PIK3CA (PI3K), BRAF und KRAS (MAPK). Im Mittelpunkt der durchgeführten Experimente stand die Frage, wie die Onkogene das Verhalten der einzelnen Zelle und die zelluläre Zusammensetzung des betroffenen Darmgewebes verändern können. Die Versuche wurden in transgenen Mausmodellen und in dreidimensionalen Zellkulturen, sogenannten Mini-Därmen oder Darmorganoiden, durchgeführt. Im Verlauf des Projektes konnte gezeigt werden, dass die WNT- und PI3K-Signalwege zusammenwirken, und ihre gemeinsame Aktivierung der Darmepithelzelle mehrere Eigenschaften verleiht, die charakteristisch für Krebszellen sind: Die betroffenen Zellen teilten sich häufiger, zeigen Eigenschaften von Stammzellen, waren beweglicher als Vergleichszellen und darüber hinaus widerstandsfähig gegenüber dem programmierten Zelltod. Wir konnten zeigen, dass einzelne Mutationen die Wirksamkeit von Medikamenten veränderten. Überraschenderweise zeigten unsere Experimente, dass die BRAF- und KRAS-Mutationen im Darmepithel sehr unterschiedlich wirken, obwohl sie Teile desselben MAPK-Signalweges sind. KRAS-Mutationen sind in menschlichem Darmkrebs sehr häufig, jedoch erschienen die Auswirkungen im von uns gewählten experimentellen System sehr subtil. Wir orientierten uns daher um, um neue technologische Entwicklungen im Labor zu etablieren, die es erlauben, Protein- und Genaktivitäten in einzelnen Zellen (anstatt gemittelt in Geweben) zu messen. So konnten wir zeigen, dass die krebsverstärkenden Wirkungen von KRAS auf bestimmte Zelltypen des Darmgewebes beschränkt ist. Unsere Ergebnisse legen Grundlagen, um das Ansprechen von Darmkrebspatienten auf zielgerichtete Therapien zukünftig besser einschätzen zu können und neue Therapien zu entwickeln.

Publications

• Cell type-dependent differential activation of ERK by oncogenic KRAS or BRAF in the mouse intestinal epithelium
  Brandt, R., Uhlitz, F., Riemer, P., Giesecke, C., Schulze, S., El-Shimy, E.A. Fauler, B., Mielke, T., Mages, N., Herrmann, B.G., Sers, C, Blüthgen, N. and Morkel, M.
  
• Similar but different: distinct roles for KRAS and BRAF oncogenes in colorectal cancer development and therapy resistance. Oncotarget. 2015 Aug 28;6(25):20785-800
  Morkel M, Riemer P, Bläker H, Sers C
  
• Oncogenic β-Catenin and PIK3CA instruct network states and cancer phenotypes in intestinal organoids. J Cell Biol., 2017 Apr 25
  Riemer P, Rydenfelt M, Marks M, van Eunen K, Thedieck K, Herrmann BG, Blüthgen N, Sers C, Morkel M