The Role of Polycomb Target Gene DNA Methylation in Intestinal Tumorigenesis

Van Andel Research Institute, Grand Rapids MI

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

PROJECT SUMMARY / ABSTRACT      Colorectal  cancer  (CRC)  is  the  third  leading  cause  of  cancer-­related  deaths  in  the  United  States.  Strong  genetic drivers of tumorigenesis, such as loss of function of the APC tumor-­suppressor gene, have been well  characterized, but the role of epigenetic events remains poorly understood. Mouse models of intestinal cancer  have  shown  that  DNA  methylation  is  critical  for  tumor  formation,  but  it  is  not  known  which  DNA  methylation  events  are  required  for  tumorigenesis.  Both  human  and  mouse  intestinal  tumors  display  extensive  promoter  hypermethylation,  and  a  striking  number  of  these  hypermethylated  genes  are  normally  occupied  by  the  Polycomb  Repressive  Complex  in  stem  cells.  Polycomb  Target  Genes  (PTGs)  are  classically  known  for  their  important  regulatory  role  in  stem  cell  differentiation.  Therefore,  based  on  the  established  importance  of  DNA  methylation in intestinal tumorigenesis, the high frequency of aberrant stem-­cell PTG methylation in CRC, and  the known biology of PTGs, we hypothesize that accumulation of PTG DNA hypermethylation in intestinal stem  cells  (ISCs)  potentiates  tumor  formation  through  interference  with  normal  stem  cell  differentiation.  Stem  cells  with a differentiation impediment could gradually expand into a pool of self-­renewing, proliferating cells that are  unable  to  terminally  differentiate  and  shed  like  normal,  short-­lived  differentiating  intestinal  cells.  An  abnormal  expansion of the stem cell compartment would proportionately increase the incidence of driver genetic events,  and the stem-­like properties conferred by impeded differentiation may enhance the malignant transformation of  such  cells.  To  test  our  hypothesis,  we  will  use  intestinal  organoid  cultures  to  pursue  the  following  specific  aims: (1) Determine the consequence of PTG DNA hypermethylation on ISC differentiation, and (2) Determine  the role of PTG inactivation in intestinal tumorigenesis. In Aim 1, we will establish a novel model of PTG DNA  hypermethylation  by  knocking  out  Kdm2b,  which  protects  PTGs  from  de  novo  methylation,  in  intestinal  organoids.  This  system  will  allow  us  to  visualize  and  measure  the  differentiation  capacity  of  ISCs  containing  widespread PTG DNA hypermethylation. In Aim 2, we will build upon the Kdm2b model to determine the effect  of  such  hypermethylation  on  the  proliferation  and  spheroid-­forming  capacity  of  Apc-­deficient  organoids.  Further,  we  have  prioritized  candidate  PTG  drivers  of  intestinal  tumorigenesis  using  bioinformatic  analysis  of  PTG  DNA  hypermethylation  in  intestinal  tumors.  The  top  candidates  will  be  functionally  validated  using  a  CRISPR/Cas9 knockout approach in organoid culture followed by the aforementioned tumorigenicity assays.     The  long-­term  objectives  of  this  project  are  to  understand  the  role  of  PTG  DNA  hypermethylation  in  intestinal tumorigenesis and to identify PTGs that could serve as therapeutic targets for CRC by transcriptional  reactivation  using  focused  epigenetic  therapy.  Given  the  extensive  PTG  DNA  methylation  events  found  in  human  CRC  and  the  demonstrated  role  of  DNA  methylation  in  tumorigenesis,  our  investigation  of  PTG  hypermethylation may yield new insights into intestinal tumorigenesis and into potential epigenetic therapies.