Role of Bmi-1 on acinar to ductal metaplasia in mouse pancreas ductal ligation model

Abstract

[한글]

정상 췌장 조직은 90% 이상의 선방세포(acinar cell)와10% 미만의 췌관세포(ductal cell)로 이루어져 있다. 그러나 가장 주된 췌장암종류 중 하나인 췌관선암(ductal adenocarcinoma)에서는 90%이상으로 존재하던 선방세포대신 췌관세포 표현형을 보이는 세포들이 대부분을 차지하고 있다. 이렇게 암화되는 과정에서는, 선방세포가 취관세포의 표현형을 가지게 되는 변이, 즉 화생변이가 일어나는 현상들이 관찰된다. 이는 또한 췌장 결찰술을 시행했을 때나 primary cell culture 과정 등 췌장 조직에 손상이 왔을 때도 선방세포에서 췌관 세포로의 화생변이가 나타남을 관찰할 수 있다. 따라서 화생변이는 췌장암을 포함한 췌장 질환에서 나타나는 공통적인 현상이라고 할 수 있다. 이러한 화생변이가 이뤄지는 과정은 plasticity와 관련이 있는 것으로 여겨진다. 그 중에서도 이러한 화생변이가 일어나는 발생원인으로 cancer stem cell 이론이 대두되고 있다. 이것은 암 조직에도 일반 장기처럼 암 조직을 유지하는 역할을 하는 cancer stem cell이 존재하며, 이것은 줄기세포에 유전정보의 변화가 생겨 탄생한 것이라는 가정에서 출발한 이론으로 최근 혈액암이나 유방암, 뇌암을 비롯한 몇몇 고형암 조직 내에서 cancer stem cell이 존재한다는 사실이 계속 밝혀지면서 ‘cancer is a stem cell disorder’ 라는 cancer stem cell 모델이 점점 설득력을 얻고 있다. 통제성 유전자(regulatory gene)인 Bmi1은 transcription factor로써 이미 stem cell의 self-renewal에 관련된 것으로 알려져 있는데 일부 폐암 및 유방암 세포에서 Bmi-1 유전자가 발현된다는 최근 몇몇 연구 결과들은 각각 다른 암세포에도 cancer stem cell이 존재할 가능성을 제시하고 있으며 이에 Bmi-1이 cancer stem cell에서도 self-renewal에 영향을 미칠 것으로 생각된다. 그러나 현재까지 어떤 세포가 암 발생의 기원세포인가에 대해서는 거의 밝혀진 바가 없으며, 암 발생 과정에서 종양세포들이 역분화 하는 형태와 유사한 형태를 보이는 일부 세포들이 해당 기원세포일 것으로 추정하고 있다. 이러한 가설이 췌장암에서 설득력을 가지는 직접적인 이유는 태생기 췌장형성 과정 중 췌장을 구성하는 모든 세포는 외분비 췌장세포로부터 유래된다는 사실에 기인한다. 또한 만성췌장염 및 췌장암의 형성과정도 태생기의 췌장 발생과정과 매우 유사하게 진행되는데 췌장암 동물 모델에서 다양한 발암 물질에 노출시켰을 때 선방세포로부터 췌관 세포로 화생변이 되는 공통적인 현상을 보이고 있다. 즉 췌장의 암화 과정에 대한 일반적인 이론에 있어서 췌장암의 발생은 췌관 세포 자체에서 유래된다고 알려져 있으나 췌관 세포 이외의 세포가 외부적인 자극에 의하여 분화되어 췌관 세포의 표현형을 갖게 되며 그것으로부터 췌관선암으로 진행될 것이라는 가설이다. 이에 본 연구는 in vivo상에서 쥐의 췌장을 결찰하여 인위적으로 췌장에 손상을 주고 또한 조직을 분리, 배양함으로써 in vitro상에서도 선방세포에서 췌관 세포로의 화생변이를 재현하였다. 그리고 cancer stem cell과 연관된 것으로 알려진 BMI1을 포함한, 초기 tumorigenesis에 중요한 것으로 밝혀지고 있는 Shh signaling이 어떠한 역할을 하는지 알기 위해 그 일련의 변화를 관찰하였다. 쥐 췌관 결찰 모델에서 관찰한 결과, 선방세포 표지자인 amylase의 감소와 췌관 세포의 표지자인 CK19의 증가가 관찰되었고 이는 선방세포는 형태뿐만 아니라 기능적인 면에서도 췌관 세포로의 특징을 점차 획득하면서 화생변이가 이루어졌다는 것을 의미한다. 또한 화생변이 과정에서Shh signaling의 ligand인 Shh과 Shh signaling의 downstream transcription factor이자 transcriptional target인 Gli1, Bmi1과 췌장 발생시 외분비세포의 전구단계를 조절하는 것으로 알려진 nestin의 발현도 계속되었다. 이러한 결과들은 화생변이과정에 있어서 Bmi1이 관여하며 태생기 발생시 나타나는 전구단계 세포의 비정상적인 변화로 인한 암화 초기 과정과의 연관성을 제시하고 있다.

[영문]When pancreatic tissue is injured after duct obstruction, acinar to ductal metaplasia is observed. Similar metaplastic changes occur when exocrine pancreatic cells are isolated and cultured. We demonstrate that under these experimental conditions by mouse Pancreas Ductal Ligation(PDL) and primary culture, the exocrine acinar cells lose their differentiated characteristics: expression of the acinar marker amylase is decreased or lost, whereas expression of the ductal epithelial marker CK19 and developing exocirne precursor marker Nestin are increased. The roles of the Hedgehog pathways in pancreas ductal adenocarcinoma have recently been appreciated, and we observed Hedgehog pathway including Bmi1 which is involved in the maintenance of stem cells and functions as an oncogene in carcinomas, acting by downregulation of p16ink4a. Shh is ligand and Gli1 is downstream transcription factor and transcriptional target of the Hedgehog signaling. As the result, acinar cells underwent transdifferentiation during the initial stages of the experimental period into ductal like cells with dominantly maintenance of Bmi1 expression. We also note that Shh and Gli1 which upregulate Bmi1 are positively expressed and p16 which were inhibited by Bmi1, is negatively expressed in PDL. These results provide that Bmi1 is a novel example of rigorously documented acinar to ducal metaplasia, and suggest that plasticity of exocrine cells may contribute to the generation of neoplastic precursors.