Characterization of the Gastric Stem Cell Microenvironment and its Changes upon Infection with Helicobacter pylori
Final Report Abstract
Helicobacter pylori ist ein Bakterium, das chronisch den Magen kolonisiert und als wichtigster Risikofaktor für die Entwicklung prämaligner und maligner Pathologien fungiert. Meine Untersuchungen haben die Rolle des Wnt Signalwegs für das Magenepithel aufgeschlüsselt. So konnten wir mit Hilfe verschiedener Mausmodelle herausfinden, dass Stammzellen in der Basis der Antrumdrüsen durch die Expression von Axin2, einem Wnt Zielgen, charakterisiert sind, und alle anderen Epithelzellen repopulieren. In Kontext der Infektion sahen wir eine Expansion von Axin2+ Zellen, was wir als wichtige Grundlage für die Entwicklung von Magenpathologien wie der Hyperplasie und Atrophie identifizieren konnten. Die Nachfolgenden Untersuchungen haben sich auf die Frage fokussiert, wie das Wnt Signaling im Magen determiniert wird. Wir konnten zeigen, dass R-spondin 3 eine entscheidende Rolle dabei zukommt. Dieses Protein wird von Myofibroblasten spezifische in der Nähe der Drüsenbasis produziert. Rspondin3 stabilisiert den Wnt Rezeptor Frizzled in den Epithelzellen in der Basis und ermöglicht damit die Expression von Zielgenen wie Lgr5 und Axin2, und damit verbunden auch die Funktionen der Stammzellen. So konnten wir demonstrieren dass die Anzahl der Stammzellen durch eine systemische Injektion von R-spondin 3 zunimmt und Wnt-Signaling nicht mehr auf die Basis der Drüsen limitiert bleibt. Dies war auch mit einer Erhöhung der Proliferation und Aktivierung der Stammzell-typischen Transkriptomsignaturen verbunden. Im Gegensatz dazu führte die Depletion von R-spondin 3 in Myofibroblasten zu einem Verlust der Stammzellen und einer Reduktion der proliferativen Aktivität. Im Kontext der H. pylori Infektion haben wir herausgefunden, dass es zu einer Aktivierung der Stammzellen kommt, was mit einer Expansion des Axin2+ Zellkompartiments vergesellschaftet ist, was durch eine erhöhte Expression von R-spondin 3 induziert wird. In konditionellen Rspo3 KO Tieren findet die Expansion der Stammzellen nicht statt, was die kausale Rolle von Rspo3 nochmals verdeutlicht. Wir haben zudem demonstriert, dass parallel zur Induktion der Proliferation, R-spondin 3 auch die sekretorischen Drüsenzellen in der Basis entscheidend beeinflusst. Die weiterführenden Untersuchungen haben ergeben, dass Wnt signaling eine duale Funktion im Magenantrum hat: einerseits wird Proliferation induziert, anderseits die Differenzierung in „Gland base secretory cells“. Diese sekretorischen Zellen zeigen eine spezifische Antwort auf die Infektion und sezernieren antimikrobielle Faktoren wie Reg3 und Intelectin 1. Wir konnten zeigen, dass dies in Tieren, die kein R-spondin exprimieren, nicht stattfindet, wodurch die Kolonisationsdichte der Drüsen in den R-spondin3 KO Tieren höher ist, während eine Überexpression von R-spondin 3 zu einer Expansion der Drüsenbasis und einer höheren Produktion von Intelectin 1 führt. Intelectin 1 bindet spezifisch bakterielle Zucker. Im Kontext von H. pylori konnten wir demonstrieren, dass in der Tat eine Calcium-abhängige Bindung von H. pylori stattfindet, und dass dies die Motilität der Bakterien negativ beeinflusst, und somit zur Reduktion der Drüsenkolonisation beiträgt. Zusammenfassend konnten wir im Rahmen der Förderung die Magenstammzellen charakterisieren und zeigen, dass ihre Identität und Funktion entscheidend durch R-spondin 3 kontrolliert wird. Parallel reguliert R-spondin 3 auch sekretorischen Drüsenzellen, die in der Lage sind, der Infektion mit H. pylori entgegenzuwirken, indem sie antimikrobielle Faktoren produzieren. Da die Infektionsdichte zwar reduziert wird, aber es nicht zur vollständigen Klärung der Infektion kommt, entsteht eine chronische Überaktivierung von Stammzellen, die eine Basis für die Entwicklung weiterer Pathologien darstellt.
Publications
- Stromal R-spondin orchestrates gastric stem cell and epithelium homeostasis. Nature. 2017: 548: 451-455
Sigal M, Logan CY, Kapalczynska M, Mollenkopf HJ, Berger H, Wiedenmann B, Nusse R, Amieva MR, Meyer TF
(See online at https://doi.org/10.1038/nature23642) - R-spondin-3 induces secretory, antimicrobial Lgr5+ cells in the stomach. Nature Cell Biology 2019, Jul;21(7): 812- 823
Sigal M, Reines M, Müllerke S, Fischer C, Kapalczynska M, Berger H, Bakker ERM, Mollenkopf HJ, Rothenberg ME, B Wiedenmann B, Sauer S, Meyer TF
(See online at https://doi.org/10.1038/s41556-019-0339-9) - The Role of Wnt and R-spondin in the Stomach During Health and Disease. Biomedicines 2019 Jun 19;7(2). pii: E44
Fischer AS and Sigal M
(See online at https://doi.org/10.3390/biomedicines7020044) - Responses of gastric epithelial stem cells and their niche to Helicobacter pylori infection. Annals of Translational Medicine 2020
Wizenty J, Tacke F, Sigal M
(See online at https://doi.org/10.21037/atm.2020.02.178)
