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In vivo and in silico models of early pancreatic carcinogenesis.

In vivo und in silico Modelle der frühen Pankreaskarzinogenese.

München, Technische Universität, Fakultät für Medizin, Diss., 2016, 131 S.
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Oncogenic Kras mutations are a critical genetic event in early pancreatic carcinogenesis. However, in the adult organ, the expression of mutated Kras alone is not sufficient to induce tissue transformation. Instead, inflammation is required as an aditional trigger. Here, we perform experiments with two well-established models of acute pancreatitis and early pancreatic carcinogenesis, initialized with caerulein injections in wild-type and KrasG12D-mutated mice. Gene expression profiling and histological analysis with a high temporal resolution are applied in order to allow for a comparative analysis of both mouse strains. Based on our findings, we define pancreatic regeneration as process characterized by three distinct stages each showing a specific histological and molecular profile: inflammation, regeneration and refinement. Comparative analysis shows that regeneration in KrasG12D mice is impaired and characterized by a sustained inflammatory status. In addition, we observed that sustained inflammation in KrasG12D mice is accompanied by altered proliferation cascades with respect to acinar, progenitor-like and mesenchymal cells. In particular, a massive mesenchymal expansion is observed. We conclude that these characteristics, sustained inflammation and altered prolifertion cascades, are hallmarks of early pancreatic carcinogenesis mediating precursor lesion formation. We extracted a signature characterizing the inflammatory status and analyzed a datasetof 45 human pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) with respect to homologous genes ofthis signature. We found that patients could be classified into two distinct clusters, with one exhibiting an increased average survival time (high signature expression) compared to the otherone (low signature expression). According to this finding, we conclude that the inflammatory status could be possibly regarded as an indicator of early pancreatic carcinogenesis. Based on our results, we set up a "dual model" of pancreatic regeneration and early pancreatic carcinogenesis, comprising four states (healthy, inflammation, regeneration and refinement). As divergence of wild-type and KrasG12D profiles starts during the inflammation-regeneration transition in wild-type mice, we assembled correlation-based networks for the corresponding time frame from 3h to 84h in both mouse strains. We found that among the identified interactions of acinar homeostasis-related genes and intercellular signaling-related genes there is a significant enrichment for interaction pairs involving members of the Fgf/Fgfr family, specifically in wild-type mice. Particularly, we found Fgfr3 to be highly connected in the wild-type network, suggesting a potential role in the mediationof the inflammation-regeneration-transition. This finding is in line with recent studies which showed that Fgfr3, which is generally regarded as oncogene, can limit cell growth and promote differentiation if expressed in epithelial cells.
Onkogene Kras-Mutationen sind ein kritisches Ereignis im Frühstadium der Pankreaskarzinogenese. Allerdings ist die Expression von mutiertem Kras allein nicht ausreichend, um die Gewebetransformation im adulten Organ zu induzieren. Stattdessen wird Inflammation als zusätzlicher Auslöser benötigt. Für unser Experiment verwenden wir etablierte Mausmodelle der akuten Pankreatitis und der frühen Pankreaskarzinogenese, basierend auf konsekutiven Caerulein-Injektionen in Wildtyp und KrasG12D-mutierten Mäusen. Wir führen Genexpressionsanalysen und histologische Analysen mit hoher zeitlicher Auflösung durch, um die ablaufenden Prozesse in beiden Mausmodellen zu vergleichen. Basierend auf unseren ersten Ergebnissen beschreiben wir die pankreatische Regeneration als Prozess der aus drei klar abgrenzbaren Phasen hinsichtlich der Genexpression und der Morphologie besteht: Inflammation, Regeneration und Refinement. Unsere komparative Analyse zeigt, dass die unterbrochene Regeneration in KrasG12D-mutierten Mäusen durch eine anhaltende Inflammation gekennzeichnet ist. Zudem beobachten wir veränderte Proliferationskaskaden im Hinblick auf die Azinus-, Progenitor-, und mesenchymalen Zellen. Insbesondere wird eine massive Expansion des Mesenchyms beobachtet. Wir folgern daraus, dass diese veränderten Proliferationskaskaden zusammen mit der anhaltenden Inflammation die unverwechselbaren Kennzeichen des Frühstadiums der Pankreaskarzinogenese sind. Wir extrahieren eine Signatur, welche die anhaltende Inflammation in KrasG12D-mutierten Mäusen beschreibt und untersuchen einen Patienten-Datensatz, basierend auf 45 Proben von duktalen pankreatischen Adenokarzinomen (PDAC), hinsichtlich der Expression der homologen Gene der Signatur. Hier zeigt sich, dass die Patienten in zwei klar abgrenzbare Cluster unterteilbar sind, mit einer erhöhten durchschnittlichen Überlebenszeit im ersten Cluster (hohe Expression der Signatur), verglichen mit dem zweiten Cluster (niedrige Expression der Signatur). Im Einklang mit unseren vorherigen Ergebnissen, definieren wir ein "duales Modell" der pankreatischen Regeneration und der frühen Pankreaskarzinogenese, welches aus vier Zuständen besteht: gesund, Inflammation, Regeneration und Refinement. Da die Divergenz der Wildtyp und KrasG12D-Profile mit der Inflammation-Regeneration Transition in Wildtyp-Mäusen beginnt, berechnen Korrelationsnetzwerke für das Zeitfenster 3h-84h auf beiden Datensätzen um potentielle Vermittler dieser Transition zu entdecken. Wir sehen, dass an den für Wildtyp-Mäuse identifizierten Interaktionen zwischen Genen, die zur Aufrechterhaltung des azinären Phänotyps benötigt werden einerseits und Genen die zu interzellulären Signalwegen gehören andererseits, besonders häufig Mitglieder der Fgf/Fgfr Familie beteiligt sind. Insbesondere ist Fgfr3 ein hochvernetzter Knoten im resultierenden Netzwerk, was nahelegt, dass dieses Gen eine potentiell wichtige Rolle bei der Vermittlung der Inflammation-Regeneration Transition in Wildtyp-Mäusen einnimmt. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit neuesten Studien die gezeigt haben, dass Fgfr3, welches allgemein als Onkogen bekannt ist, Zellwachstum hemmen und Differenzierung fördern kann, wenn es in Epithelzellen exprimiert wird.
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Publication type Other: Thesis
Thesis type Doctoral thesis
University Technische Universität
University place München
Faculty Fakultät für Medizin
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