The role of stromal R-spondin 3 in the stomach corpus in the context of epithelial differentiation, regeneration, and infection with Helicobacter pylori

Abstract

The gastric epithelium contains a variety of differentiated cell types that are organized in epithelial units called glands. Despite their high cellular turnover, gastric glands maintain their compartmentalized architecture. Stem cells in the isthmus of the gland proliferate and their progenies are pushed toward the gland apex or gland base and differentiate into different epithelial cell types. The signals that regulate epithelial differentiation, glandular compartmentalization, and its reacquisition upon injury in the stomach corpus are poorly understood. R-spondin 3 (Rspo3) is a signaling molecule secreted from myofibroblasts adjacent to the gland basis and the Wnt/Rspo3 signaling pathway controls stem cell dynamics in the stomach antrum and intestine. To investigate its role in the stomach corpus, I used conditional mouse models that enable the manipulation of Rspo3 gene expression in myofibroblasts. I found that during homeostasis stromal Rspo3 acts as a morphogen and controls the differentiation into glandular cell populations such as chief cells. Loss of Rspo3 expression resulted in a shrinkage of the chief cell compartment, whereas overexpression of Rspo3 promoted its expansion. Tamoxifen injection into mice triggers epithelial injury that is characterized by the loss of glandular lineages. I found that epithelial recovery was initiated by the upregulation of Rspo3 expression which was required for the induction of proliferation and the coordinated regeneration of chief cells. The central role of Rspo3 for epithelial healing was confirmed in another mouse model that enables the simultaneous loss of Lgr5-expressing chief cells and stromal Rspo3 expression. The Yap signaling pathway controls epithelial proliferation and regeneration in the small intestine and colon. I found that the Rspo3-dependent induction of proliferation upon epithelial injury required active YAP. Accordingly, inhibition of YAP in the organoid system impeded the proliferation of epithelial cells despite the presence of an R-spondin supplement. Infection with Helicobacter pylori (H. pylori) is the main risk factor for the development of gastric cancer. Chronic infection with H. pylori results in a loss of chief cells in humans and mice. In Rspo3 overexpressing mice, H. pylori-induced pathology was more pronounced than in infected Rspo3 wild-type mice. In detail, I detected glandular hyperproliferation, the expression of metaplastic markers, and the activation of YAP in gland base cells. In conclusion, Rspo3 plays a dual role in the stomach corpus: While it promotes glandular differentiation during homeostasis, Rspo3 acts as a driver of proliferation and epithelial recovery upon injury, and amplifies epithelial transformation in the context of H. pylori infection.

Das Magenepithel besteht aus einer Vielzahl differenzierter Zelltypen, die in epithelialen Einheiten, den Drüsen, organisiert sind. Trotz ihres hohen Zellumsatzes halten die Magendrüsen ihre kompartimentierte Architektur aufrecht. Stammzellen im Isthmus der Drüse proliferieren und deren Tochterzellen werden in Richtung Drüsenapex oder Drüsenbasis geschoben und differenzieren in verschiedene Epithelzelltypen. Die Signale, die die epitheliale Differenzierung, die Drüsenkompartimentierung und deren Wiederherstellung nach Schädigung im Magenkorpus regulieren, sind nur unzureichend bekannt. R-spondin 3 (Rspo3) ist ein Signalmolekül, das von Myofibroblasten nahe der Drüsenbasis sezerniert wird, und der Wnt/Rspo3-Signalweg reguliert die Stammzelldynamik im Magenantrum und im Darm. Um dessen Rolle im Magenkorpus zu untersuchen, habe ich konditionale Mausmodelle verwendet, die die Manipulation der Rspo3-Genexpression in Myofibroblasten ermöglichen. Ich fand heraus, dass stromales Rspo3 während der Homöostase als Morphogen wirkt und die Drüsendifferenzierung kontrolliert. Ein Verlust der Rspo3-Expression führte zu einer Verkleinerung des Hauptzellkompartiments, während die Überexpression von Rspo3 dessen Ausdehnung förderte. Die Injektion von Tamoxifen in Mäuse induziert eine Epithelschädigung, die durch den Verlust von Drüsenzellen gekennzeichnet ist. Ich fand heraus, dass die epitheliale Regeneration durch die Hochregulierung der Rspo3-Expression eingeleitet wurde. welche für die Induktion der Proliferation und die koordinierte Regeneration der Stammzellen erforderlich war. Die zentrale Rolle von Rspo3 für die epitheliale Heilung wurde in einem anderen Mausmodell bestätigt, das den gleichzeitigen Verlust von Lgr5-exprimierenden Hauptzellen und stromaler Rspo3-Expression ermöglicht. Der Yap-Signalweg kontrolliert die epitheliale Proliferation und Regeneration im Dünn- und Dickdarm. Ich fand heraus, dass die Rspo3-abhängige Induktion der Proliferation nach Epithelverletzungen aktives YAP erfordert. Dementsprechend verhinderte die Hemmung von YAP im Organoid-System die Proliferation von Epithelzellen trotz des Vorhandenseins von R-spondin-Supplement. Die Infektion mit Helicobacter pylori (H. pylori) ist der Hauptrisikofaktor für die Entstehung von Magenkrebs. Eine chronische Infektion mit H. pylori führt bei Menschen und Mäusen zu einem Verlust von Hauptzellen. Bei Rspo3-überexprimierenden Mäusen war die H. pylori-induzierte Pathologie stärker ausgeprägt als bei infizierten Rspo3 Wildtyp-Mäusen. Im Einzelnen konnte ich eine Hyperproliferation der Drüsen, die Expression metaplastischer Marker und die Aktivierung von YAP in den Zellen der Drüsenbasis feststellen. Zusammenfassend spielt Rspo3 im Magenkorpus eine duale Rolle: Während es die homeostatische Drüsendifferenzierung fördert, fungiert Rspo3 als Treiber der Proliferation und der epithelialen Regeneration nach Schädigung und verstärkt die epitheliale Transformation im Kontext einer H. pylori-Infektion.