Western diet and genetic predisposition as risk factors of colon cancer

Lifestyle and diet have a major effect on the development of colorectal cancer (CRC). Dietary habits of Western populations in particular are recognized as a risk factor for CRC. However, the mechanisms that mediate the effects of Western-style diet (WD) on colorectal tumor development are largely unknown. CRC develops via multiple steps which involve genetic changes, such as mutations in growth-regulatory genes, and epigenetic alterations, such as CpG island hypermethylation. Lynch syndrome (LS) is one of the most common inherited cancer susceptibility syndromes. It is caused by inherited defects of the DNA mismatch repair genes (MMR), which together with other genetic and epigenetic changes are known to accelerate tumorigenesis. MMR defects are known to accelerate tumor progression in LS but the early events leading to polyp formation and the timing and order of the molecular hits remain unknown. A long-term feeding experiment with mouse models for LS and sporadic CRC was conducted to characterize tumor-promoting changes in normal colonic mucosa caused by WD and/or genetic predisposition. Changes in the proteome of histologically normal colonic mucosa were monitored at different time points of feeding experiment (5 weeks, 12, 18 and 21 months) with two high-throughput proteomic methods followed by analysis of affected pathways. Data from proteomic analysis indicated that the proteome was more consistently changed by diet and aging than by genotype. Overall, 21 out of 26 colonic tumors were detected in mice fed with WD. Proteomic analysis indicated disrupted lipid metabolism and increased oxidative stress in the normal-appearing tissue in association with WD. Moreover, proteome analyses revealed increased cell proliferation and decreased apoptotic processes in the normal colon mucosa of mice fed with WD, which may promote colorectal tumorigenesis. Finally, proteomic data coupled with measurement of bile acids in tissue specimens indicated that WD induces downregulation of intracellular bile acid transport, resulting in disrupted bile acid homeostasis which may provide a possible mechanism underlying the tumor-promoting effects of the diet. Studies on sporadic CRC have demonstrated that promoter hypermethylation leading to gene silencing can act as an alternative mechanism to mutations in early stages of tumor development but its importance in hereditary CRC remains unknown. We analyzed tissue specimens gathered during colonoscopy surveillances and colectomies performed on human LS mutation carriers to define changes in CpG island methylation that occur at different stages of the tumor progression sequence. Methylation changes at different stages of tumor progression were analyzed in relation to MMR gene expression, and normal tissue biopsies were studied for carcinogenic fields . In addition, we aimed to clarify the role of CpG island hypermethylator phenotype (CIMP) in the LS-associated tumorigenesis. Results indicate that the expression of the MMR protein corresponding to the gene mutated in the germline decreases along with dysplasia but occurs as a relatively late event in the tumor progression sequence, suggesting the presence of other somatic events that drive neoplastic transformation. Indeed, significant increase in the average degree of methylation of two candidate genes (SFRP1 and SLC5A8) was observed in normal colonic mucosa biopsies from patients with CRC (high-risk mucosa) when compared to those without (low-risk mucosa), indicating a possible carcinogenic field. Moreover, methylation was found to increase in LS adenomas and carcinomas along with dysplasia. These findings emphasize the importance and early appearance of epigenetic alterations in LS-associated tumorigenesis. In summary, the results offer new insights into the initiating molecular mechanisms through which Western-style diet and DNA methylation contribute to hereditary and sporadic colorectal carcinogenesis.Syövän kehittymiseen vaikuttavat perimän ohella monet elintapoihin liittyvät tekijät kuten ravitsemus ja liikunta. Paljon energiaa, tyydyttyneitä rasvoja ja punaista lihaa sekä vähän kuituja, D-vitamiinia, kalsiumia ja folaattia sisältävän länsimaisen ruokavalion (WD, Western diet) on todettu altistavan paksusuolen syövälle. Syövän kehittyminen on seurausta monien geneettisten ja epigeneettisten muutosten kasautumisesta solun perimään. Geneettisellä muutoksella tarkoitetaan geenin emäsjärjestyksen rakenteellista mutaatiota, kun taas epigeneettinen muutos vaikuttaa geenien toiminnan säätelyyn DNA:n emäsjärjestyksen pysyessä ennallaan. Monet solun ulkopuoliset tekijät, kuten ravintoaineet, voivat vaikuttaa epigeneettiseen säätelyyn aktivoiden ja passivoiden geenejä. Nämä muutokset kasautuvat solujen perimään ja voivat olla syöpää estäviä tai syövälle altistavia. Geenisäätelyyn vaikuttavia epigeneettisiä muutoksia tapahtuu suolen epiteelisoluissa jo hyvin varhaisessa syövän kehitysvaiheessa ennen varsinaisen esiasteen muodostumista. Väitöskirjatutkimuksessa selvitettiin, miten länsimainen ruokavalio yhdessä tai ilman perittyä syöpäalttiutta muuttaa paksusuolen limakalvon geenien toimintaa ja miten nämä muutokset lisäävät syöpäriskiä. Ensimmäisessä ja toisessa osatyössä tutkittiin paksusuolen normaalilimakalvon proteiini-ilmentymien profiilia perinnöllisen suolistosyövän hiirimallia hyödyntäen. Suurin osa paksusuolen kasvaimista havaittiin länsimaista ruokavaliota mallintavissa ryhmissä. Tutkimuksissa havaittiin merkittäviä muutoksia paksusuolen limakalvon proteiini-ilmentymien profiilissa länsimaista ravintoa mallintavan dieettiryhmän ja verrokkiryhmän välillä. Muutokset viittasivat solujakautumisen lisääntymiseen limakalvolla, rasva- ja sappihappoaineenvaihdunnan häiriöihin sekä happiradikaalien kasaantumiseen limakalvon soluihin WD-dieettiryhmässä. Geenisäätelyyn vaikuttavaa DNA:n metyloitumista tiedetään tapahtuvan suolen limakalvolla jo hyvin varhaisessa syövän kehitysvaiheessa. Ruokavalion tiedetään olevan ikääntymisen ohella yksi tärkeä DNA:n metyloitumiseen vaikuttava tekijä. Osassa paksusuolisyöpäkasvaimia havaitaan yksittäisten geenien hypermetyloitumista, osassa taas useiden geenien samanaikaista säätelyalueiden hypermetylaatiota, jota kutsutan CIMP-ilmiöksi (CpG island hypermethylator phenotype). Kolmannessa osatyössä syöpäalttiuteen liittyviä DNA:n metylaatiomuutoksia tutkittiin perinnölliselle paksusuolensyövälle altistuneiden mutaationkantajien (Lynchin oireyhtymä) paksusuolen tähystyksissä otetuista limakalvonäytteistä, esiasteista ja karsinoomista. Näytteet tutkimusta varten kerättiin 2011 2013 yhteistyössä seurantatähystyksistä vastaavien kirurgien kanssa. Tutkimuksessa havaittiin metylaation lisääntymistä esiasteissa ja karsinoomissa. Jo varhaisissa esiasteissa todettiin paksusuolen syöpäkasvaimille tyypillistä CIMP-ilmiötä. Yli 50 vuotta vanhoilla henkilöillä, joilla oli diagnosoitu paksusuolen syöpä, lisääntynyt metylaatio näkyi myös normaalilimakalvolla. Syöpäriskiä lisäävien varhaisten geenimuunnosten tunnistaminen ja havaitseminen ajoissa mahdollistaisi syövän ennaltaehkäisyn ja parantaisi riskin arviointia