Alkaline Sphingomyelinase; A Potential Inhibitor in Colorectal Carcinogenesis

Abstract

Sphingomyelin (SM) is present both in eucaryotic cells and the diet. Sphingomyelinase (SMase) hydrolyses SM and generates ceramide that has been implicated in the regulation of cell growth, differentiation and apoptosis. Previously a SMase with alkaline pH optimum was identified in the intestinal tract. The thesis studied the distribution pattern, the species difference and the clinical implications of this enzyme. Unlike neutral and acid SMase, which are present in most tissues, alkaline SMase is specifically located to the intestinal tract. The distribution pattern in human intestine was similar to other species such as rats, mice and hamsters, the highest values were demonstrated in the jejunum and lower in the colon. Man was the only species examined with an additional alkaline SMase in the bile. After giving SM orally to ileostomists, both SM and ceramide were accumulated in the stoma output indicating that the colonic mucosa is exposed to ceramide. When the activities of three SMases were determined in patients with human colorectal carcinoma (CRC), all SMases were reduced in cancer tissue compared to the surrounding mucosa, but the most predominant reduction being for alkaline SMase by (75%, p=0.004). Furthermore, the enzyme activity was markedly decreased by 90% (p<0.001) in adenoma tissue and in flat mucosa of patients with familial adenomatous polyposis compared to controls. These results suggested a potential link to APC mutations. However, when the activities of the enzyme were studied in the Min mouse (germline APC mutations) and human CRC tissue (Somatic APC mutations), no direct link was identified. Finally, we studied the effect of a purified rat intestinal alkaline SMase on growth in human HT-29 colon carcinoma cells and non-transformed rat intestinal IEC-6 cells. Alkaline SMase inhibited cell proliferation of HT-29 cells but not IEC-6 cells. In contrast, a bacterial neutral SMase had no effect. Alkaline SMase did not induce apoptosis. The antiproliferative effect was accompanied by SM hydrolysis and ceramide production. Alkaline SMase did not induce apoptosis whereas C2-ceramide and sulindac did. In conclusion, alkaline SMase is a gut specific enzyme with antiproliferative properties. The enzyme may be important in cell growth regulation and its reduction may facilitate the development of colorectal cancer.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Tjocktarmcancer är en av de vanligaste cancerformerna i västvärlden. I Sverige drabbas årligen ca 5000 människor. Ungefär 10% av fallen går att härleda till ärftliga faktorer medan den övervägande delen orsakas av miljöfaktorer. Kända riskfaktorer är fysisk inaktivitet, fetma och rökning. Risken för cancer påverkas dock mest av den kost vi äter. Allmänt kan sägas att en kost med lågt fiberintag och högt intag av mättat fett ökar risken för tjocktarmcancer, medan en kost präglad av högt fiberintag och fleromättat (fiskfett) minskar risken. Vitamin D, folsyra och selen har också visat sig ha cancerskyddande effekter.



Verkningsmekanismerna bakom de cancerskyddande egenskaperna är inte fullständigt kända, men viktiga angreppspunkter är celltillväxten. Slemhinnan i mag-tarmkanalen har en mycket hög omsättningshastighet. Detta kan illustreras med att en vikten av den tarmslemhinna som en mus nybildar på fyra månader motsvarar dess kroppsvikt! Detta måste balanseras av att lika många celler dör, något som kroppen löst med sk programmerad celldöd. Det innebär att cellen redan när den föds har en inneboende klocka som styr den till att dö med automatik. Cancer kan bli följden när den programmerade celldöden inte fungerar.



Sfingomyelin är ett fettämne som utgör en byggsten i kroppens cellmembraner. Länge trodde man också att detta var dess enda funktion, men sfingomyelin har fått ökad aktualitet efter att det visat sig vara inbegripet i en signalkedja för programmerad celldöd. I denna kedja bryts sfingomyelin ner till ceramid och andra ämnen, vilka fungerar som budbärare av signaler inne i cellen, Dessa signaler når så småningom cellkärnan och styr cellen till tillväxthämning eller död. Sfingomyelin finns förutom i kroppens alla cellmembran även i kosten. Vårt huvudsakliga intag kommer från mejeriprodukter, kyckling och ägg. Nedbrytningen av sfingomyelin är speciellt intressant ur ett tarmperspektiv därför att den sker både inne i tarmslemhinnans celler och utanför cellerna i tarminnehållet. Detta innebär att tarmcellerna kan påverkas av signalsubstanser som bildats utanför cellerna. Djurexperiment har visat att sfingomyelin i kosten verkar skyddande mot tjocktarmcancer.



Sfingomyelinaser heter de enzym som bryter ner sfingomyelin. I kroppen finns tre typer av sfingomyelinaser som särskiljs framför allt genom det pH som de är aktiva vid. De sura och neutrala sfingomyelinaserna är väl kartlagda och finns i alla kroppens celler. Alkaliskt sfingomyelinas upptäcktes 1969 i tarmsaft hos människa, men har inte kartlagts närmare förrän de senaste åren.



Avhandlingen grundar sig på 5 vetenskapliga uppsatser, vilka alla handlar om enzymet alkaliskt sfingomyelinas. I delarbete 1 undersöktes förekomsten och utbredningen av alkaliskt sfingomyelinas i människans mag-tarmkanal och olika kroppsvätskor , i en jämförelse med andra djurarter. Människan är den enda undersökta arten som har alkaliskt sfingomyelinas i galla ( till skillnad från råtta, hamster, gris, ko och får). Hos människans saknas alkaliskt sfingomyelinas-aktivitet i magsäcken. Enzymaktiviteten börjar stiga i tolvfingertarmen, är högst i tunntarmen, och sjunker successivt i tjocktarmen till ändtarmen. En liknande utbredning finns hos mus, råtta och hamster. Marsvinet, som är den enda undersökta strikta växtätaren, saknar helt alkaliskt sfingomyelinas. Förekomsten av alkaliskt sfingomyelinas speglar troligen mängden sfingomyelin i dieten, som framför allt finns i animalisk föda.



I delarbete 2 undersöktes alkaliskt, neutralt och surt sfingomyelinas aktivitet i elakartade tjocktarmtumörer jämfört med aktivitet i omgivande normala tarm-slemhinna. Alla sfingomyelinas-aktiviteter var sänkta i tumörvävnad, men den absolut mest dominerande sänkningen iakttogs för alkaliskt sfingomyelinas. Detta kan vara en möjlig faktor som medför att den programmerade celldöden inte fungerar hos cancercellerna. Den ansamling av sfingomyelin som förekommer i tjocktarmtumörer kan också förklaras med en minskad förmåga till nedbrytning av sfingomyelin via framför allt alkaliskt sfingomyelinas.



I delarbete 3 undersöktes om sänkningen av alkaliskt sfingomyelinas var ett fenomen som förekom tidigt i cancerutvecklingen. Vi undersökte godartade tjocktarmpolyper och den omgivande normala slemhinnan dels från patienter med så kallad familjär kolonpolypos (FAP), dels från patienter utan någon ärftlig rubbning och jämförde dessa med friska kontroller. FAP orsakas av en medfödd gendefekt i adenomatosis polyposis coli (APC) genen, vilket leder till att hundratals polyper utvecklas i tjocktarmen i tidig ålder med cancer som följd. Vi fann att alkaliskt sfingomyelinas var reducerat med 90% i FAP polyper jämfört med kontroller, men inte bara i polyperna utan även i den för ögat normal slemhinnan. I de icke ärftliga polyperna fanns också en sänkning jämfört med den friska slemhinnan med denna var mindre uttalad. Resultaten talar för att sänkningen av alkaliskt sfingomyelinas är ett fenomen som kommer före cancerutvecklingen och sänkningen i den normala slemhinnan talar för att det skulle kunna vara en mycket tidigt fenomen, möjligen kopplat till APC-genen. Ytterligare stöd för denna hypotes, var att den icke-ärftliga formen av tjocktarmcancer uppvisar APC mutationer i hög frekvens.



I delarbete 4 studerade vi därför kopplingen mellan förekomst av APC mutationer och alkaliskt sfingomyelinas-aktivitet. Den medfödda APC mutationen undersöktes i en musmodell av FAP och den sporadiskt förekommande mutationen (som bara drabbar den sjuka cancercellen) undersöktes i tumörvävnad från opererade patienter. Båda undersökningarna var samstämmiga i att koppling saknases till APC mutationen. Vid utvecklingen av tjocktarmcancer sker en hel serie av mutationer, där APC mutationen är den tidigast kända. Alkaliskt sfingomyelinas kan således var kopplat till någon av de andra kända mutationerna.



I delarbete 5 undersöktes effekten av renat alkaliskt sfingomyelinas på celler från tjocktarmcancer i cellkultur (HT-29 celler) jämfört med ett neutralt sfingomyelinas av bakteriellt ursprung. Fynden visade att alkaliskt sfingomyelinas hämmar celltillväxten i cancercellerna till skillnad från det bakteriella sfingomyelinaset och att den tillväxthämmande effekten inte beror på en ökad programmerad celldöd. Detta tyder på att effekten utövas genom att bromsa cellernas delningshastighet. I detta arbete kunde vi också konstatera att signalkedjan aktiverades genom sfingomyelin nedbrytning och bildning av ceramid. Huruvida detta är mekanismen bakom den bromsande effekten på celldelningen kräver dock ytterligare studier.



Sammanfattningsvis har avhandlingen visat att tarmen är utrustad med ett specifikt alkaliskt sfingomyelinas som inte finns i andra organ. Nedbrytningen av sfingomyelin i tarmen är långsam, vilket leder till att signalsubstanser når tjocktarmen och kan påverka cellregleringen i slemhinnan. Enzymaktiviteten är reducerad både i godartade och elakartade tumörer samt i den för ögat normala slemhinnan vid FAP, som präglas av en snabb celldelning. Slutligen visas att ett renat alkaliskt sfingomyelinas hämmar cancerceller i cellkultur. Avhandlingen visar således på en möjlig betydelse för alkaliskt sfingomyelinas som en motverkande faktor vid uppkomsten av tjocktarmcancer.

• author: Hertervig, Erik
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Sjödahl, Rune, Linköping University Hospital
• organization: Medicine, Lund
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Clinical Medicine
• keywords: onkologi, cancer, Cytologi, cancerology, oncology, Cytology, Gastroenterologi, Gastro-enterology, HT-29, MIN mouse, FAP, colorectal cancer, human, alkaline sphingomyelinase
• pages: 136 pages
• defense location: N/A
• defense date: 2000-05-31 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEMA/-2000(1060)-SE
• ISBN: 91-628-4191-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 603d26bb-26e4-418a-851a-d314da2052fa (old id 40563)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:24:40
• date last changed: 2023-04-18 18:40:53