Molecular mechanisms of acinar-to-ductal metaplasia formation during pancreatitis

Pancreatitis is a severe inflammation of the pancreas and a major risk factor for developing pancreatic ductal adenocarcinoma, a human malignancy associated with a 5-year survival rate of less than 5%. A key step in the malignant transformation is the formation of acinar-to- ductal metaplasia (ADM), where acinar cells de-differentiate into a progenitor state characterized by the appearance of tubular complexes. Importantly, a transient ADM formation and concomitant acinar cell proliferation has also been observed during pancreatitis both in humans and rodents, suggesting that the plasticity of acinar cells and their ability to de-differentiate into progenitor cells are crucial processes for pancreas regeneration. The mechanisms behind proliferation of acinar cells and metaplastic processes remain elusive because physiological factors that drive their regulatory network have not been fully identified. In this research project we wanted to investigate mitotic and anti-mitotic factors that contribute to acinar cell proliferation and ADM formation during pancreatitis. In the search for key molecular events that regulate ADM, we analysed the contribution of the cell cycle regulatory molecule p21waf1/cip1 in initiating ADM and acinar cell proliferation during pancreatitis. By using a genetically engineered mouse strain deficient in p21, we could show that loss of p21 increased the extent of ADM formation without altering the ability of acinar cells to replicate. These data revealed that p21 regulates acinar cell de-differentiation independently from cell cycle modulation. Importantly, loss of p21 was accompanied by increased expression of β-catenin and development of senescence and in many ways both of these factors can contribute to ADM formation. Thus, our results indicate that p21 acts as a molecular switch limiting senescence and ADM formation. In the second project we investigated the importance of extracellular factors in ADM formation. TGF-β signalling plays an essential role in tissue repair and we analysed the contribution of TGF-β signalling in acinar cell proliferation and ADM formation. To address these questions we generated transgenic mice lacking TGF-β receptor II (TGF-β RII) in pancreatic epithelial cells. Our mouse model showed that TGF-β signalling is necessary to limit ADM formation, most likely via crosstalk with EGFR signalling. Moreover, the data also revealed a weak anti-mitotic activity of TGF-β in acinar cells that is elicited by controlling the expression of the cell cycle regulator p16. Collectively, TGF-β signalling restrains both ADM formation and acinar cell proliferation, indicating its dual role during pancreatitis. In the third project we investigated the mitogenic effects of serotonin, a well-known stimulator of cell proliferation, in ADM formation and acinar cell proliferation. More specifically, by using a genetically engineered mouse strain deficient in peripheral serotonin, we showed that the absence of serotonin delayed ADM formation and elicited a minor reduction of acinar cell proliferation. We proposed a possible mechanism of serotonin mediated ADM formation by showing that serotonin stimulated acinar cell secretion and progenitor gene expression both processes being a pre-requisite for ADM formation. Our findings indicate that serotonin promotes de-differentiation of acinar cells and ADM formation following pancreatitis. Significance of the project: The results of this research indicate the contribution of pro- and anti-proliferative molecules in ADM formation and acinar cell proliferation during pancreatitis. It has been previously demonstrated that p21, TGF-β and serotonin regulate cell proliferation in different tissues. However, our analysis showed unique roles of these three molecules in pancreatic pathology where they regulate more ADM formation than cell proliferation. The characterization of this regulatory mechanism in pancreatic injury advanced our understanding of the control of pancreatic regeneration. However, still a lot of work needs to be done to fully characterize the regulatory network of ADM and pancreatic regeneration in order to reveal novel therapeutic strategies to block ADM progression towards pancreatic cancer. Pankreatitis ist eine entzundliche Erkrankung der Bauchspeicheldruse. Sie erhoht die Wahrscheinlichkeit an Pankreaskrebs zu erkranken, bei dem die 5-Jahre Uberlebensrate weniger als 5% ist. Ein kritischer Prozess fur Entstehung von Pankreaskrebs ist die Bildung von Azinus-zu-Dukt Metaplasien (ADM). ADM beinhaltet charakteristischerweise, eine Dedifferenzierung zu Vorlauferzellen und schliesslich die Ausbildung von tubularen Komplexen. Sowohl in Menschen wie auch in Nagetieren wurden wahrend der Pankreatitis vorubergehende ADM beobachtet, einhergehend mit einer erhohten Proliferation von Azinuszellen, sowie einer Proliferation in den ADM selbst. Dieser Prozess deutet auf eine Plastizitat der Azinuszellen hin, und spielt damit eine wichtige Rolle bei der Regeneration des Pankreas. Die genauen Mechanismen, die fur die azinare Proliferation und die metaplastischen Veranderungen verantwortlich sind, sind noch unklar, da die Faktoren noch nicht komplett identifiziert wurden. In dieser Studie wollten wir pro- und anti-mitotischen Faktoren charakterisieren, die Proliferation und ADM kontrollieren. Daher wurde auch die Funktion des Zellzyklus Inhibitors p21waf1/cip1 wahrend der Pankreatitis untersucht. Zur Untersuchung nutzten wir genetisch modifizierte Mause, denen das Gen fur p21waf1/cip1 fehlt. Diese Mause zeigten eine erhohte Bildung von ADM Beeintrachtigung der Zellproliferation. Diese Ergebnisse lassen darauf schliessen, dass p21 die azinare Dedifferenzierung reguliert, ohne den Zellzyklus zu modulieren. Ausserdem geht der Verlust von p21waf1/cip1 mit einer Erhohung der Expression von β-Catenin einher, sowie einer azinaren Zell-Seneszenz. Beide Faktoren scheinen die ADM Bildung zu beeinflussen. Diese Resultate implizieren, dass p21waf1/cip1 ein molekularer Schalter bei der Seneszenz und ADM Bildung ist. In einer zweiten Studie untersuchten wir extrazellulare Faktoren, die zur Bildung von ADM beitragen. TGF-β spielt eine wichtige Rolle in der Wundheilung. Deshalb untersuchten wir die Signalkaskade in azinaren Zellen und ADM, die durch TGF-β ausgelost wird. Fur diese Untersuchungen wurden transgene Mause hergestellt, deren TGF-β Rezeptor (TGF-β RII) selektiv im Pankreasepithelium fehlt. Dieses Mausmodell hat gezeigt, dass TGF-β die Bildung von ADM inhibiert, wahrscheinlich uber die Aktivierung des EGF-Rezeptors. Ausserdem wurde eine anti-mitotische Aktivitat von TGF-β in Azinuszellen beobachtet. Dabei wird angenommen das p16, ein Zellzyklusinhibitor, aktiviert wird. Zusammenfassend konnten wir eine Doppelrolle von TGF-β in der Regulation von ADM, sowie eine Inhibition der azinaren Proliferation im Pankreas feststellen. Im dritten Projekt untersuchten wir die Funktion von Serotonin in der ADM Bildung und azinaren Proliferation. Serotonin ist ein bekannter mitotischer Faktor. Zur Untersuchung verwendeten wir eine transgene Maus, die kein peripheres Serotonin produzieren kann. In diesem Modell war die ADM Bildung verzogert und die azinare Proliferation leicht reduziert. Unsere Daten deuten darauf hin, dass Serotonin an der Sekretion sowie der Rekrutierung von Vorlauferzellen beteiligt ist. Beide Prozesse sind Voraussetzung fur die Bildung von ADM. Wir schliessen daraus, dass Serotonin die Dedifferenzierung von azinaren Zellen und die Bildung von ADM wahrend der Pankreatitis fordert. Signifikanz des Projektes Die Resultate unserer Untersuchungen unterstreichen die Bedeutung von pro- und anti-mitotischen Faktoren bei der Bildung von ADM sowie der azinaren Proliferation bei der Pankreatitis. Es war bekannt das p21, TGF-β und Serotonin die Proliferation in verschiedenen Geweben kontrollieren. Unsere Analysen der pathologische Veranderungen im Pankreas konnten nun zeigen, dass die Kontrolle der ADM Bildung durch diese Faktoren eine neuartige Funktion darstellt. Die Aufklarung dieser Mechanismen vertieft unser Verstandnis der pathophysiologischen Veranderungen nach einem Gewebeschaden und offenbart neue mechanistische Aspekte der Pankreasregeneration. Nichtsdestotrotz, sind weitere Untersuchungen notig, um die Regulation der Bildung von ADM wahrend der pankreatischen Regeneration zu verstehen und allfallige therapeutische Ansatze aufzuzeigen.