Mechanistic regulation of gastroesophageal junction and role of retinoic acid in the development of Barrett's esophagus

Mechanistische Regulierung des gastroösophagealen Übergangs und die Rolle der Retinsäure bei der Entwicklung des Barrett-Ösophagus

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-311556
  • Gastroesophageal junction (GEJ), demarcating the region where the distal esophagus meets with the proximal stomach region, is known for developing pathological conditions, including metaplasia and esophageal adenocarcinoma (EAC). It is essential to understand the mechanisms of developmental stages which lead to EAC since the incidence rate of EAC increased over 7-fold during the past four decades, and the overall five years survival rate is 18.4%. In most cases, patients are diagnosed in the advanced stage without prior symptoms. The mainGastroesophageal junction (GEJ), demarcating the region where the distal esophagus meets with the proximal stomach region, is known for developing pathological conditions, including metaplasia and esophageal adenocarcinoma (EAC). It is essential to understand the mechanisms of developmental stages which lead to EAC since the incidence rate of EAC increased over 7-fold during the past four decades, and the overall five years survival rate is 18.4%. In most cases, patients are diagnosed in the advanced stage without prior symptoms. The main precursor for the development of EAC is a pre-malignant condition called Barrett's esophagus (BE). BE is the metaplastic condition where the multilayered squamous epithelium of the native esophagus is replaced by specialized single-layered columnar epithelium, which shows the molecular characteristics of the gastric as well as intestinal epithelium. The main risk factors for BE development include chronic gastro-esophageal acid reflux disease (GERD), altered microbiota, and altered retinoic acid signaling (RA). The cell of origin of BE is under debate due to a lack of clear evidence demonstrating the process of BE initiation. Here, I investigated how GEJ homeostasis is maintained in healthy tissue by stem cell regulatory morphogens, the role of vitamin A (RA signaling), and how its alteration contributes to BE development. In the first part of my thesis, I showed the presence of two types of epithelial cells, the squamous type in the esophagus and the columnar type in the stomach region in the GEJ, using single-molecule RNA in situ hybridization (smRNA-ISH) and immunohistochemistry. Employing lineage tracing in the mouse model, I have demonstrated that the esophageal epithelial and stomach epithelial cells derived from two distinct epithelial stem cell lineages in the GEJ. The border between squamous and columnar epithelial cells in the Squamo-columnar junction (SCJ) of GEJ is regulated by opposing Wnt microenvironments. The regeneration of stomach columnar epithelial stem cells is maintained by Wnt activating signal from the stromal compartment while squamous epithelial stem cells of the esophagus are maintained by the Wnt inhibitory signals. I recapitulated the in vivo GEJ epithelial stem cell maintenance by using in vitro epithelial 3D organoid culture model. The growth and propagation of stomach columnar epithelial organoids depend on Wnt growth factors, while squamous epithelial organoids' development needs Wnt-deficient culture conditions. Further, single-cell RNA sequence (scRNA-seq) analysis of organoid-derived epithelial cells revealed the non-canonical Wnt/ planar cell polarity (PCP) pathway involvement in regulating the squamous epithelial cells. In contrast, columnar stomach epithelial cells are regulated by the canonical Wnt/ beta-catenin and non-canonical Wnt/Ca2+ pathways. My data indicate that the SCJ epithelial cells that merge at the GEJ are regulated by opposing stromal Wnt factors and distinct Wnt pathway signaling in the epithelial cells. In the second part of the thesis, I investigated the role of Vitamin A-derived bioactive compound RA on esophageal and stomach epithelial stem cells. In vitro treatment of esophageal and stomach, epithelial organoids with RA or its pharmacological inhibitor BMS 493 revealed that each cell type was regulated distinctly. I observed that enhanced RA promoted esophageal stem cell differentiation and loss of stratification, while RA inhibition led to enhanced stemness and regeneration of the esophagus stratified epithelium. As opposed to the esophagus, RA signaling is active in the stomach organoids, and inhibition of RA reduces the growth of stomach organoids. Global transcriptomic data and scRNA-seq data revealed that RA signaling induces dormancy phenotype in the esophageal cells. In contrast, the absence of RA in stomach epithelial cells induces the expression of genes associated with BE. Thus, spatially defined regulation of Wnt and RA signaling at GEJ is critical for healthy homeostasis, and its perturbation leads to disease development.show moreshow less
  • Der gastroösophageale Übergang (GEJ), der die Region abgrenzt, in der der distale Ösophagus auf die proximale Magenregion trifft, ist bekannt für die Entwicklung pathologischer Zustände, wie Metaplasie und Adenokarzinom des Ösophagus (EAC). Es ist wichtig, die Mechanismen der Entwicklungsstadien zu verstehen, die zu EAC führen, da die Inzidenzrate von EAC in den letzten 4 Jahrzehnten um das 7-fache gestiegen ist und die Gesamtüberlebensrate von 5 Jahren 18,4 % beträgt. In den meisten Fällenwird die Diagnose im fortgeschrittenen Stadium ohneDer gastroösophageale Übergang (GEJ), der die Region abgrenzt, in der der distale Ösophagus auf die proximale Magenregion trifft, ist bekannt für die Entwicklung pathologischer Zustände, wie Metaplasie und Adenokarzinom des Ösophagus (EAC). Es ist wichtig, die Mechanismen der Entwicklungsstadien zu verstehen, die zu EAC führen, da die Inzidenzrate von EAC in den letzten 4 Jahrzehnten um das 7-fache gestiegen ist und die Gesamtüberlebensrate von 5 Jahren 18,4 % beträgt. In den meisten Fällenwird die Diagnose im fortgeschrittenen Stadium ohne vorherige Symptome erstellt. Der Hauptvorläufer für die Entwicklung von EAC ist eine prämaligne Vorstufe namens Barrett-Ösophagus (BE). BE ist der metaplastische Zustand, bei dem das mehrschichtige Plattenepithel des nativen Ösophagus durch ein spezialisiertes einschichtiges Säulenepithel ersetzt wird, das die molekularen Eigenschaften des Magen- sowie des Darmepithels aufweist. Zu den wichtigsten Risikofaktoren für die Entwicklung von BE gehören die chronische gastroösophageale Refluxkrankheit (GERD), eine veränderte Mikrobiota und veränderte Retinsäure-Signalwege (RA). Es ist unklar, welche Zelle der Ursprung für BE ist, da es keine eindeutigen Beweisen für den Prozess der BE-Initiation gibt. In dieser Arbeit habe ich untersucht, wie die GEJ-Homöostase in gesundem Gewebe durch stammzellregulatorische Morphogene aufrechterhalten wird, welche Rolle der Vitamin-A (RA-Signalübertragung) spieltund wie ihre Veränderung zur BE-Entwicklung beiträgt. Im ersten Teil meiner Dissertation habe ich anhand von Einzelmolekül-RNA in situ-Hybridisierung und Immunhistochemie eindeutig das Vorhandensein von zwei Arten von Epithelzellen nachweisen können, dem Plattenepithel in der Speiseröhre und dem Säulenepithel imMagenbereich des GEJ. Mittels Abstammungsanalysen im Mausmodell konnte ich zeigen, dass die Epithelzellen des Ösophagus und des Magens von zwei verschiedenen epithelialen Stammzelllinien imGEJ abstammen. Die Grenze zwischen Plattenepithel und Säulenepithelzellen im SCJ des GEJ wirddurch gegensätzliche Wnt-Mikroumgebungen streng reguliert. Plattenepithelstammzellen des Ösophagus werden durch das Wnt-hemmende Mikroumgebungssignal aufrechterhalten, während Magensäulenepithelzellen durch das Wnt-aktivierende Signal aus dem Stromakompartiment erhalten werden. Ich habe die in vivo Erhaltung der Epithelstammzellen des GEJ mit Hilfe eines in vitro Epithel-3D-Organoidkulturmodells rekonstruiert. Das Wachstum und die Vermehrung von Magensäulenepithel-Organoiden hängen von Wnt-Wachstumsfaktoren ab, während das Wachstum von Plattenepithel-Organoiden von Wnt-defizienten Kulturbedingungen abhängt. Darüber hinaus zeigte die Einzelzell-RNA-Sequenzanalyse (scRNA-seq) der aus Organoiden gewonnenenEpithelzellen, dass der nicht-kanonische Wnt/ planar cell polarity (PCP) Signalweg an der Regulierung der Plattenepithelzellen beteiligt ist. Im Gegensatz dazu werden säulenförmige Magenepithelzellen durch den kanonischen Wnt/beta-Catenin- und den nicht-kanonischen Wnt/Ca2+-Weg reguliert. Meine Daten zeigen, dass die SCJ-Epithelzellen, die am GEJ verschmelzen, durch entgegengesetzte stromale Wnt-Faktoren und unterschiedliche Wnt-Weg-Signalee in den Epithelzellen reguliert werden. Im zweiten Teil der Dissertation untersuchte ich die Rolle der bioaktiven Vitamin A Verbindung RA auf Ösophagus- und Magenepithelstammzellen. Die In-vitro-Behandlung von epithelialen Organoiden der Speiseröhre und des Magens mitRA oder seinem pharmakologischen Inhibitors BMS 493 zeigte, dass jeder Zelltyp unterschiedlich reguliert wurde. Ich beobachtete, dass eine verstärkte RA die Differenzierung von Stammzellen und den Verlust der Schichtung förderte, während die RA-Hemmung zu einer verstärkten Stammzellbildung und Regeneration im mehrschichtigen Epithel der Speiseröhre führte. Im Gegensatz zur Speiseröhre ist der RA-Signalweg in Magen-Organoiden aktiv, und die Hemmung von RA hat ein reduziertes Wachstum von Magen-Organoiden. Globale transkriptomische Daten und scRNA-seq-Daten zeigten, dass derRA-Signalweg einen Ruhephänotyp in den Ösophaguszellen induziert. Dagegen führt das Fehlen von RA in Magenepithelzellen zur Expression von Genen, die mit BE assoziiert sind. Daher isteine räumlich definierte Regulation der Wnt- und Retinsäure-Signalgebung amGEJ entscheidend für eine gesunde Homöostase, und ihre Störung führt zur Entwicklung von Krankheiten.show moreshow less

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Metadaten
Author: Naveen Kumar NirchalORCiD
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-311556
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Graduate Schools
Faculties:Graduate Schools / Graduate School of Life Sciences
Fakultät für Biologie / Theodor-Boveri-Institut für Biowissenschaften
Referee:Dr. Cindrilla Chumduri, Prof. Dr. Markus Engstler, Prof. Dr. Thomas F. Meyer, Prof. Dr. med. Florian Seyfried
Date of final exam:2023/03/27
Language:English
Year of Completion:2024
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-31155
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:RetinoesäureGND; EndobrachyösophagusGND
Tag:Epithelial lineage; Esophageal adenocarcinoma; Esophageal disease; Gastroesophageal reflux; Intestinal metaplasia; Organoid; Retinoic acid
Release Date:2024/03/27
Licence (German):License LogoCC BY-SA: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International