Published September 28, 2023
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Elucidating the function of the potassium channel KCNQ1 in the homeostasis of colonic crypts
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In recent years, the role of ion channels in cancer processes has emerged and the field continues to expand. It has been shown that 1) the expression of certain ion channels is deregulated in cancers, and 2) ion channels can regulate various signalling pathways. In physiology, the balance of signalling pathways must be maintained. In the epithelium of the colon, maintaining this balance is particularly crucial as cells undergo rapid renewal which relies on the combined action of multiple signalling pathways. Dysregulated activation of the Wnt/β-catenin signalling pathway, promoting cell proliferation, is a major driver of tumour development in the colon. In most cases of colorectal cancer, patients harbour mutations on the component of this pathway, contributing to its overactivation. The potassium channel KCNQ1 has diverse functions. In the colonic epithelium, it enables water secretion and maintains epithelial integrity by exerting its tumour suppressor activity through the repression of the Wnt/β-catenin pathway. Despite the impact of somatic mutations in cancers, there are no studies, to this day, exploring mutations of ion channels in this context. Therefore, we hypothesized that colorectal cancer patients carry pathogenic mutations on KCNQ1. By analysing publicly available databases, we identified 36 different mutations harboured by KCNQ1 in various cancers. We found that the most common mutations were loss-of-function. In colorectal cancer cells, the loss-of-function mutations were associated with increased Wnt/β-catenin pathway activity, independently of the canonical pathway receptors. We also observed an activation of several tyrosine kinase receptors that could directly mediate β-catenin activation. In the more physiological model of murine colonoids, loss-of-function mutations in KCNQ1 also seem to increase Wnt/β-catenin pathway activity. Furthermore, these mutations had an impact on the expression of Wnt/β-catenin pathway regulators, favouring a permissive state for the pathway overactivation. KCNQ1 thus appears to restrict the signalling pathway at multiple levels: directly by sequestering β-catenin at adherens junctions, preventing its activity as a transcription factor, and indirectly by allowing the expression of regulatory proteins that inhibit the Wnt/β-catenin pathway. Our results highlight, for the first time, that ion channels can carry somatic mutations in cancers, altering channel function. Moreover, our findings demonstrate that these mutations directly influence the activity of signaling pathways involved in cancer processes. Additionally, given that KCNQ1 expression levels can be used for classifying colorectal cancers, these mutations could potentially aid in the prognosis and stratification of patients. Altogether, these findings open a new avenue of investigations to better understand the diversity of mechanisms involved in cancer processes. Numerous other ion channels or their associated subunits may carry somatic mutations in cancers, deregulating their activity and the processes they govern.
Abstract (French)
Le rôle des canaux ioniques dans les processus cancéreux a émergé ces dernières années et constitue un domaine en plein essor. Il a notamment été montré, d'une part que l'expression de certains canaux ioniques était dérégulée dans les cancers et d'autre part que les canaux ioniques pouvaient réguler diverses voies de signalisation cellulaire. L'équilibre des voies de signalisation est essentiel en physiologie. Dans l'épithélium du colon, cet équilibre est d'autant plus crucial que les cellules sont soumises à un renouvèlement rapide, régit par l'action conjointe de plusieurs voies de signalisation. L'activation dérégulée de la voie de signalisation Wnt/β-caténine, favorisant la prolifération cellulaire, est un moteur majeur du développement tumoral dans le colon. Il a été montré que la plupart des patients atteints de cancer colorectal étaient porteurs de mutations sur des composants de cette voie, participant ainsi à sa suractivation. Le canal potassique KCNQ1 a diverses fonctions notamment dans l'épithélium du colon où il participe à la sécrétion d'eau mais également au maintien de l'intégrité épithéliale par son action de suppresseur de tumeur en réprimant la voie de signalisation Wnt/β-caténine. Malgré l'impact des mutations somatiques dans les cancers, il n'existe à ce jour aucune étude explorant les mutations portées par des canaux ioniques dans ce contexte. Nous avons donc émis l'hypothèse que des patients atteints de cancer colorectal pourraient être porteurs de mutations pathogènes sur KCNQ1. Grâce aux bases de données publiques, nous avons identifié 36 mutations portées par KCNQ1 dans divers cancers. Les mutations les plus fréquentes se sont avérées être perte de fonction. Dans les cellules de cancer colorectal, cette perte de fonction est associée à une activité accrue de la voie Wnt/β-caténine indépendamment des récepteurs canoniques de la voie. Nous avons identifié une activation de plusieurs récepteurs tyrosine kinases qui pourraient médier directement l'activation de la β-caténine. Dans le modèle des colonoïdes murins, plus physiologique, les mutations pertes de fonctions de KCNQ1 semblent également augmenter l'activité de la voie Wnt/β-caténine. De plus, ces mutations ont un impact sur l'expression de régulateurs de la voie Wnt/β-caténine, favorisant ainsi un état permissif à une suractivation pathogénique de la voie. Le canal potassique KCNQ1 restreindrait ainsi la voie de signalisation à plusieurs niveaux : un direct en séquestrant la β-caténine aux jonctions adhérentes, empêchant son activité de facteur de transcription, et un niveau indirect en permettant l'expression de protéines régulatrices inhibant la voie Wnt/β-caténine. Nos résultats mettent en évidence pour la première fois que les canaux ioniques peuvent être porteurs de mutations somatiques dans les cancers et que ces mutations peuvent altérer la fonction du canal. Nos résultats sont également les premiers à démontrer que ces mutations exercent une influence directe sur l'activité de voies de signalisation impliquées dans les processus cancéreux. De plus, les niveaux d'expression de KCNQ1 pouvant servir à la classification des cancers colorectaux, ces mutations pourraient également aider au pronostic et la stratification des patients. Ensemble, ces données ouvrent donc une nouvelle voie d'investigation permettant de mieux comprendre la diversité des mécanismes mis en place dans les processus cancéreux. De nombreux autres canaux ioniques ou leurs sous-unités associées pourraient porter des mutations somatiques dans les cancers dérégulant leur activité et les processus qui en découlent.Additional details
Identifiers
- URL
- https://theses.hal.science/tel-04381968
- URN
- urn:oai:HAL:tel-04381968v1
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