New insights into the colorectal carcinogenesis: from early precursor lesions to the role of aneuploidy

Abstract

Colorectal cancer (CRC) is one of the most frequent malignancies worldwide and it is considered an important healthcare problem. Moreover, colorectal carcinogenesis is a long stepwise process through a known precursor, the adenoma, providing a perfect scenario for prevention and the identification of biomarkers. In this sense, my thesis dissertation aimed at giving a better understanding of CRC progression by evaluating both early precursor lesions and molecular changes leading to malignant transformation.

Aberrant crypt foci (ACF), the earliest visible lesions in the colorectum, and LINE-1 methylation levels have been proposed as predictive biomarkers during CRC development. Nevertheless, their role in the colorectal carcinogenesis is still under debate. A wide cohort of ACF samples and paired normal mucosa extracted from patients at different risk of CRC was used to evaluate the mutational status of CRC key genes, microsatellite instability, and aberrant DNA methylation patterns. As a result, none of the potential biomarkers were found to be suitable to predict CRC development.

Understanding the adenoma to adenocarcinoma transition is a decisive step when investigating CRC. In this sense, adenocarcinoma in adenoma samples were used to perform single-cell multi-color FISH in order to assess chromosomal heterogeneity and identify drivers of transition and progression. Interestingly, the gain of chromosomes 7p, 13q and 20q, as well as whole genome duplication, demonstrated to lead CRC evolution.

Finally, the effects of whole genome duplication on cellular behavior were evaluated for two CRC cell lines, DLD-1 and RKO. Transcriptomic profiling revealed the dysregulation of genes related with replication in tetraploid cancer cells. Moreover, these cells showed replication stress, which triggered genomic instability and chromosome aberrations. Furthermore, polyploidization was found to be associated with an increased capacity for mobility, which explained the presence of tetraploid cells in the invasive fronts of colon adenocarcinomas.

El cáncer colorrectal (CCR) representa un destacado problema para la salud, ya que es uno de los tumores más frecuentes a nivel mundial. La carcinogénesis colorrectal se desarrolla de forma progresiva a través de una lesión precursora conocida, el adenoma, lo que proporciona el escenario ideal para su prevención y la identificación de biomarcadores. En este sentido, el objetivo de esta tesis doctoral fue profundizar el conocimiento sobre la progresión de CCR a través de la evaluación de tanto lesiones precursoras como cambios moleculares que promueven la transformación maligna.

Los focos de criptas aberrantes (FCA) son las primeras lesiones visibles del colón y recto, y los niveles de metilación de los elementos móviles LINE-1 han sido propuestos como posibles biomarcadores predictivos de CCR. Sin embargo, el papel de ambos en la carcinogénesis colorrectal aún guarda varias incógnitas. Por lo tanto, se utilizó una amplia cohorte de muestras FCA procedentes de pacientes con diferente riesgo de CCR (control, adenoma y CCR) para evaluar el estado mutacional de los principales genes asociados con CCR, la inestabilidad de microsatélites, y patrones de metilación aberrantes. Como resultado, no se observó ninguna asociación entre las alteraciones evaluadas en FCA y el riesgo de desarrollar CCR, indicando que estas lesiones no son buenos biomarcadores predictivos para esta enfermedad.

Comprender la transición de adenoma a adenocarcinoma es un paso decisivo cuando se investiga la naturaleza del CCR. Así, lesiones de adenoma con adenocarcinoma in situ fueron utilizadas para realizar FISH multi-color a nivel de célula única y poder evaluar la heterogeneidad cromosómica y identificar drivers de transición y progresión. Curiosamente, las ganancias de los cromosomas 7p, 13q y 20q, así como la duplicación del genoma completo, demostraron que conducen a la evolución del CCR.

Finalmente, se estudiaron los efectos de la duplicación del genoma completo sobre el comportamiento de las células de cáncer en dos líneas celulares de CCR, DLD1 y RKO. El perfil transcriptómico reveló la desregulación de los genes relacionados con la replicación en células de cáncer tetraploides, es decir, aquellas con el genoma duplicado. Además, estas células mostraron estrés replicativo, lo que desencadenaba en inestabilidad genómica y aberraciones cromosómicas. La duplicación del genoma también se asoció con una mayor capacidad de movilidad, de hecho, se demostró la presencia de células tetraploides en los frentes invasivos de los adenocarcinomas de colon.