Self-renewal is essential for multicellular organisms, but carries the risk of somatic mutations that can lead to cancer, which is particularly critical for rapidly renewing tissues in a highly mutagenic environment such as the intestinal epithelium. Using computational modeling and in vivo experimentation, we have analyzed how APC mutations and β-catenin aberrations affect the maintenance of mutant cells in colonic crypts. The increasing abundance of APC along the crypt axis forms a gradient of cellular adhesion that causes more proliferative cells to accelerate their movement towards the top of the crypt where they are shed into the lumen. Thus, the normal crypt can efficiently eliminate β-catenin mutant cells whereas APC mutations favor retention. Together, the molecular design of the APC/β-catenin signaling network integrates cell proliferation and migration dynamics to translate intracellular signal processing and protein gradients along the crypt into intercellular interactions and the whole crypt physiological or pathological behavior.
다세포 생명체가 단세포 생명체에 비해 유리한 점은 손상된 조직을 스스로 복구할 수 있다는 점이지만, 그러한 자가 복구 과정에는 필연적으로 암을 일으킬 수 있는 유전자변이가 동반된다. 그 이유는 자가 복구가 근본적으로 복제오류 가능성을 내포한 세포분열에 기반을 두기 때문이다. 이러한 문제는 인체 내에서 자가 복구에 의한 세포분열 속도가 가장 높을 뿐만 아니라 유전자변이의 확률 또한 높은 대장 점막의 장샘조직에서 특히 중요하다. 우리는 그러한 조직재생과정에 동반될 수 있는 발암 가능성을 극복할 수 있도록 우리 몸이 갖추고 있는 숨겨진 방어메커니즘을 ‘개별세포 이동모델’이라 명명한 조직수준의 수학모델과 생체실험을 통하여 최초로 규명하였다. 본 연구에서는 개별세포 이동모델을 활용하여 세포증식의 증가와 접착력 차이에 의한 세포위치의 국소적 재배치가 유발하는 기능적 효과를 조사하였다. 그 결과 장샘의 수직구조를 따라 형성되는 에이피시 발현 프로화일이 베타카테닌의 윈트신호전달과 세포접착 기능의 균형을 조절함으로써 세포접착의 구배를 형성하게 한다는 것을 발견하였다. 흥미롭게도 이러한 장샘조직 구조를 따라서 형성되어지는 세포접착의 구배에 의하여 베타카테닌의 양이 증가한 과증식성 세포들이 장샘조직 위쪽으로 이동하게 함으로써 대장내강으로 효과적으로 배출된다. 이는 세포접착의 구배 및 세포접착차이에 종속적으로 장샘세포들이 이동하는 방향을 결정하기 때문이다. 즉, 조직화된 장샘조직 세포들의 집단적인 행동에 의해서 세포접착력의 차이에 근거한 방향성 있는 힘이 유도되어지고, 그 결과 비정상적으로 증식하는 세포들의 조직 내 생존시간의 감소를 야기한다. 그러므로 본 연구에서는 변이 세포들의 이동을 조절함으로써 능동적으로 암의 진화를 억제하는 메커니즘이 장샘조직에 내재되어 있다고 제안한다.
