Hepatocyte specific expression of an oncogenic variant of -catenin results in cholestatic liver disease and severe metabolic disorders in mice

Hintergrund: Der Wnt Signalweg und sein intrazellulärer Signalübermittler -catenin sind evolutionär hoch konserviert und spielen eine essentielle Rolle in der Embryonalentwicklung, Zellhomöostase und Wundheilung von Vertebraten und Invertebraten. In der Vergangenheit konnte gezeigt werden, dass eine Deregulierung des Wnt/-catenin Signalweges maßgeblich an der Entstehung von Tumoren in diversen Organen beteiligt ist. Besonders gravierend wirken sich Mutationen im Exon 3 des Ctnnb1 Genes aus, welche zu abbauresistenten Varianten des -catenin Proteins und somit zu dessen dauerhaften Aktivierung führen. In diesem Sinne haben 40% der Patienten mit hepatozellulären Karzinomen eine Mutation im Exon 3 des Ctnnb1 Genes. Um die Rolle von -catenin bei der Entstehung von Leberzellkarzinomen in dieser Subpopulation von Patienten besser verstehen zu können, wurde ein neues Mausmodell generiert, bei dem -catenin dauerhaft in Hepatozyten aktiv ist. Methoden: Mäuse mit einem loxP flankierten Exon 3 des Ctnnb1 Gens wurden mit Albumin-Cre Rekombinase Mäusen (Ctnnb1CA hep) oder Serum Albumin-Cre Rekombinase Östrogenrezeptor Typ 2 transgenen Mäusen (Ctnnb1TCCA hep) verpaart. Die Tiere aller Würfe wurden phänotypisch charakterisiert, wobei Cre-negative Wurfgeschwister als Kontrollgruppe dienten. Ergebnisse: Ctnnb1CA hep Mäuse verstarben innerhalb von 30 Tage. Zu diesem Zeitpunkt wiesen Ctnnb1CA hep Mäuse ein signifikant verringertes Körpergewicht aber ein massiv erhöhtes Lebergewicht auf. Histologisch konnte eine stark gestörte Leberarchitektur, eine verminderte Anzahl an Zentralvenen, eine Störung der Leberläppchenausbildung, proliferierende Cholangiozyten und ein bilärer Typ von Fibrose festgestellt werden. Die Plasmakonzentration von Alanin-Aminotransferase (ALT), Aspartat-Aminotransferase (AST), Gallensäuren und Cholesterol war in Ctnnb1CA hep Mäuse signifikant erhöht. Die Expression von Gallensäure- und anderen Transportern (ABCB11, ABCB1, ABCB4, ABCC2, ABCC4, ABCC3, ABCG8 und SLC10A1) sowie Enzymen, die an der Gallensäuresynthese beteiligt sind (CYP7A1, CYP27, CYP8B1, CYP2B10), waren signifikant in Ctnnb1CA hep Mäuse verändert. Ctnnb1CA hep Mäuse zeigten auch eine Verfettung der Leber, die mit einer Deregulation der Schlüsselenzyme des Lipid- und Zuckerstoffwechsel assoziiert war. Die Mitochondrien in Hepatozyten von Ctnnb1CA hep Mäuse wiesen massive strukturelle Veränderungen auf. Die Expression einer abbauresistenten Form von -catenin wurde auch in adulten Mäusen induziert, wobei derselbe Phänotyp bzw. das selbe Krankheitsbild beobachtet wurde. Schlussfolgerung: Die Hepatozyten-spezifische Expression einer abbauresistenten Form von -catenin führt in Mäusen zu einer schweren Cholestase, biliärer Fibrose, einer massiven Stoffwechselstörung und damit zum frühzeitigem Tod.Background: The Wnt/-catenin signaling pathway is an ancient, evolutionary highly preserved system. Experimental evidence has highlighted its pivotal role in body axis formation, organogenesis, cell proliferation and differentiation, cell adhesion, maintenance of cellular identity, but also apoptosis. Furthermore, -catenin is crucial for tissue regeneration and carcinogenesis in a plethora of organs including the liver. In this context, it was demonstrated that continuous -catenin signaling caused by somatic mutations in exon 3 of Ctnnb1 are observed in >40% of patients with hepatocellular cancer. Methods: To investigate the role of continuous -catenin signaling in liver biology, a new mouse model was generated expressing a degradation resistant, and therefore constitutively active form of -catenin only in hepatocytes of the liver. This was accomplished by crossing mice with a loxP flanked exon 3 of Ctnnb1 to either to albumin-Cre recombinase mice (Ctnnb1CA hep mice) or to serum albumin-Cre estrogen receptor typ 2 mice (Ctnnb1TCCA hep mice). Results: Successful removal of exon 3 of Ctnnb1 was confirmed by immunoblotting using whole liver tissue. Expression of a degradation resistant form of -catenin in hepatocytes resulted in 100% mortality within 30 days. Ctnnb1CA hep mice displayed significantly reduced body weight whereas their livers were significantly enlarged, resulting in an increased liver to body weight ratio. The histological organization of livers of Ctnnb1CA hep mice was severely challenged. Bile duct epithelial cells were increased in number infiltrating zone I of liver lobules. Sirius red staining indicated excessive collagen deposition typical for cholestatic liver diseases. Serum analysis revealed significant increases of liver transaminases as well as bile acids in Ctnnb1CA hep mice compared to Cre-negative littermates. Expression of ABCB11, ABCB1, ABCB4, ABCC2, ABCC4, ABCC3, ABCG8 and SLC10a1 facilitating transport of bile acid and other solutes were significantly deregulated in Ctnnb1CA hep mice. Additionally, the expression of key enzymes involved in bile acid synthesis including CYP7A1, CYP27, CYP8B1, and CYP2B10 were altered compared to healthy controls. Moreover, Ctnnb1CA hep mice displayed severe deregulations in fat and glucose metabolism as revealed by proteomic analysis and structural disturbance of mitochondria. These findings were phenocopied in Ctnnb1TCCA hep mice when excision of exon 3 of Ctnnb1 was induced in adult animals. Conclusion: Continuous -catenin signaling in hepatocytes causes substantial deregulation of bile acid homeostasis resulting in a distinctive form of fibrosis. Moreover, it leads to massive disturbances in fat and glucose metabolism resulting in premature death.submitted by MSc. Ursula LembergerZusammenfassung in deutscher SpracheAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersMedizinische Universität, Dissertation, 2016OeB