Mechanistic characterization of MSC1-mediated tumor suppression in colorectal cancer: an integrative systems biology and experimental approach

Abstract

Mesenchymal stem cells (MSCs) are promising candidates for cell-based cancer therapies due to their immunomodulatory properties, tumor-homing capacity, and low immunogenicity, yet their role in colorectal cancer (CRC) remains controversial. The mesenchymal stem cells type 1 (MSC1) phenotype, a pro-inflammatory and tumor-suppressive state of MSCs induced by short-term and low-dose lipopolysaccharide (LPS) activation via Toll-like Receptor 4 (TLR4), has emerged as a promising therapeutic model, but is poorly characterized, and its effects in CRC are unexplored. In this study, the tumor-suppressive mechanisms of MSC1 were mapped and their effects on CRC were evaluated using integrated bioinformatics and in vitro approaches. A high-confidence protein-protein interaction network (PPI) downstream of TLR4 activation in Wharton’s jelly-derived MSCs (WJ-MSCs) was constructed, through which key enriched signaling pathways, transcriptional regulators, and a novel anti-cancer secretome were revealed. Functional and transcriptional enrichment analyses identified six key tumor-suppressive mechanisms of MSC1: (i) metabolic reprogramming via enhanced glucose and lipid uptake, phosphoinositide signaling, and membrane/protein recycling, (ii) enhanced antioxidant defenses, including Son of Sevenless (SOS) signaling and the cystine/glutamate antiporter (system xc⁻), (iii) extracellular matrix (ECM) stabilization and laminin-111–integrin–mediated adhesion and migration, (iv) anti-cancer secretome with direct inhibitory effects, (v) regulation of cell survival and inhibition of transformation into a more tumor-permissive phenotype via balanced proliferation, apoptosis, and epigenetic signaling, and (vi) controlled pro-inflammatory signaling with anti-inflammatory feedback. Additionally, migration- and adhesion-related interaction sequences in laminin-111 were identified as being targeted by cAMP-dependent Protein Kinase A (PKA), Protein Kinase C (PKC), and Casein Kinase 2 (CKII) through experimentally observed and predicted phosphorylation events. MSC1 function in CRC was validated using in vitro co-cultures with CRC cell lines. Significant suppression of cancer cell proliferation and metabolism was demonstrated, providing the first experimental evidence of a tumor-suppressive role for MSC1 in this context. These findings elucidate the mechanisms of MSC1 in CRC and establish a foundation for the development of MSC1-based therapies.

Τα μεσεγχυματικά βλαστικά κύτταρα (Mesenchymal Stem Cells, MSCs) αποτελούν εξαιρετικούς υποψήφιους για κυτταρικές θεραπείες κατά του καρκίνου, χάρη στις ανοσορρυθμιστικές ιδιότητές τους, την ικανότητά τους να στοχεύουν όγκους και τη χαμηλή ανοσογονικότητά τους. Ωστόσο ο ρόλος τους στον καρκίνο του παχέος εντέρου (Colorectal Cancer, CRC) παραμένει αμφιλεγόμενος. Ο φαινότυπος τύπου 1 (Mesenchymal Stem Cells Type 1, MSC1), μια προφλεγμονώδης και ογκοκατασταλτική κατάσταση των MSCs, που επάγεται από βραχυχρόνια και χαμηλής δόσης ενεργοποίηση του υποδοχέα τύπου Toll 4 (Toll-like Receptor 4, TLR4) με λιποπολυσακχαρίτη (Lipopolysaccharide, LPS), έχει αναδειχθεί ως υποσχόμενο θεραπευτικό μοντέλο, αλλά παραμένει ανεπαρκώς χαρακτηρισμένος και οι επιδράσεις του στον CRC δεν έχουν έως σήμερα διερευνηθεί. Στην παρούσα μελέτη, οι ογκοκατασταλτικοί μηχανισμοί των MSC1 χαρτογραφήθηκαν και η δράση τους στον CRC αξιολογήθηκε, χρησιμοποιώντας μία διεπιστημονική προσέγγιση βιοπληροφορικής και in vitro πειραμάτων. Ένα δίκτυο αλληλεπίδρασης πρωτεΐνης-πρωτεΐνης (Protein-protein Interaction, PPI) υψηλής αξιοπιστίας κατασκευάστηκε, μετά την ενεργοποίηση του TLR4 σε MSCs που προέρχονται από το ζελέ Wharton (Wharton’s Jelly-derived MSCs, WJ-MSCs), μέσω του οποίου αποκαλύφθηκαν σημαντικά εμπλουτισμένα μονοπάτια σηματοδότησης, μεταγραφικοί ρυθμιστές και ένα νέο σύνολο εκκρινόμενων πρωτεϊνών με αντικαρκινική δράση. Οι λειτουργικές και μεταγραφικές αναλύσεις εμπλουτισμού ανέδειξαν έξι κύριους ογκοκατασταλτικούς μηχανισμούς των MSC1: (α) τον μεταβολικό επαναπρογραμματισμό μέσω αυξημένης πρόσληψης γλυκόζης και λιπιδίων, σηματοδότησης των φωσφοϊνοσιτιδίων και ανακύκλωσης μεμβρανών/πρωτεϊνών, (β) τους ενισχυμένους αντιοξειδωτικούς μηχανισμούς, συμπεριλαμβανομένου της σηματοδότησης Son of Sevenless (SOS) και του συστήματος μεταφοράς κυστεΐνης/γλουταμινικού (system xc⁻), (γ) τη σταθεροποίηση της εξωκυττάριας ουσίας (ECM) και την κυτταρική προσκόλληση-μετανάστευση μέσω της αλληλεπίδρασης λαμινίνης-111 με τις ιντεκρίνες, (δ) την έκκριση αντικαρκινικών πρωτεϊνών με άμεση αντικαρκινική δράση, (ε) τη ρύθμιση της επιβίωσης των κυττάρων και την αποφυγή της μετατροπής τους σε έναν περισσότερο ογκο-επιτρεπτικό φαινότυπο μέσω ισορροπημένης σηματοδότησης πολλαπλασιασμού, απόπτωσης και επιγενετικών μηχανισμών, και (στ) την ελεγχόμενη προφλεγμονώδη σηματοδότηση με αντιφλεγμονώδη ανατροφοδότηση. Επιπλέον, πολλαπλές αλληλουχίες της λαμινίνης-111 που συμμετέχουν στην κυτταρική προσκόλληση και μετανάστευση εντοπίστηκαν ως πιθανοί στόχοι των κινασών πρωτεΐνης A, εξαρτώμενης από την κυκλική μονοφωσφορική αδενοσίνη (Protein Kinase A, PKA), πρωτεΐνης C (Protein Kinase C, PKC) και καζεΐνης II (Casein Kinase II, CKII) βάσει πειραματικά επιβεβαιωμένων και προβλεπόμενων φωσφορυλιώσεων.Τέλος, η αντικαρκινική δράση των MSC1 στον CRC επιβεβαιώθηκε με in vitro συν-καλλιέργειες καρκινικών κυτταρικών σειρών CRC. Σημαντική αναστολή του πολλαπλασιασμού και του μεταβολισμού των καρκινικών κυττάρων παρατηρήθηκε, προσφέροντας τα πρώτα πειραματικά δεδομένα για τον ογκοκατασταλτικό τους ρόλο στον CRC. Τα ευρήματα αυτά χαρακτηρίζουν τους αντικαρκινικούς μηχανισμούς των MSC1 στον CRC και θέτουν τα θεμέλια για την ανάπτυξη θεραπειών βασισμένων σε MSC1.