T cell N-glycosylation in inflammatory bowel-disease associated colorectal cancer

Abstract

Long-term inflammatory bowel disease (IBD) is associated with a significantly increased risk of colorectal cancer (CRC), a frequent concern in the clinical management of IBD patients. Notably, CRC accounts for 15% of IBD-associated mortality and there are currently no effective means of preventing or predicting carcinogenic progression in this context. Chronic mucosal inflammation, as observed in IBD, is known to be shaped by T cell dysfunction through imbalances towards pro-inflammatory effector cells and suppression of regulatory subsets. Conversely, defective T cell responses are a crucial component of cancer progression, as the suppression of effector CD8+ and CD4+ T cells is indispensable for immune evasion during tumor development. N-glycans (macromolecular structures formed by linkages between monosaccharides and added to proteins, lipids and other molecules) have been extensively implicated in intestinal homeostasis and inflammation. In IBD, evidences from our group have shown that pro-inflammatory T cell phenotypes result from diminished levels of beta-1,6-GlcNAc branched N-glycans, as this results in enhanced T cell receptor signalling and T cell activation. Opposingly, in the context of CRC, branched N-glycans on cancer cells contribute to immune evasion, invasiveness and metastasis. As such, we hypothesized that alterations in the intestinal glycome may mediate the transition from chronic inflammation to malignancy. Herein we sought to investigate a potential N-glycan-driven regulatory process underlying the modulation of T cell responses which may significantly impact colitis-associated carcinogenesis. In particular, we aimed to characterize T cell glycosylation over the course of inflammation-associated carcinogenesis; assess how branched N-glycans influence T cell function in vitro and evaluate whether adoptive transfer of glycomodulated T cells influences IBD-associated CRC progression. The results gathered from this Master’s thesis suggest that a progressive increase in beta-1,6-GlcNAc branched N-glycan levels accompany carcinogenic progression in an inflammatory setting. This was observed for the in situ mucosal N-glycome of human-derived samples and subsequently verified within the T cell compartment in mice-derived samples. This altered glycoprofile was concurrent with diminished CD8+ T cell abundance and increased PD-1 expression in CD4+ and CD8+ T cells in mice. Interestingly, ablation of N-glycan branching in adoptively transferred T cells resulted in more severe inflammatory phenotypes. However, in this mouse model of adoptive cell transfer, no significant differences were observed in tumor development, in CD8+ and CD4+ T cell abundance or in PD-1 expression. Altogether, this work suggests that, during inflammation-associated carcinogenesis, T cell glycosylation undergoes alterations which may impact their infiltration and function. Thus, T cell N-glycan branching could possibly be leveraged as a relevant biomarker for stratification of CRC risk in IBD patients.

A doença inflamatória intestinal (DII) de longa duração está associada a um aumento significativo do risco de cancro colorretal (CRC), sendo esta uma preocupação frequente na gestão clínica de pacientes com DII. Notavelmente, esta complicação representa 15% de mortes associadas a DII e atualmente não existem meios eficazes de prevenir ou prever a progressão carcinogénica. A inflamação crónica da mucosa intestinal observada no decurso da DII é influenciada por fenótipos disfuncionais de linfócitos T, em particular devido ao desequilíbrio entre populações efetoras e regulatórias. Por outro lado, defeitos ao nível das respostas de tais células são cruciais para a progressão para cancro, uma vez que a supressão de linfócitos T CD8+ e CD4+ efetores é indispensável para a evasão imunológica durante o desenvolvimento tumoral. Os N-glicanos (estruturas macromoleculares produzidas pela ligação entre açúcares, adicionadas a proteínas, lípidos e outras moléculas) estão extensivamente envolvidos na homeostasia e inflamação intestinal. Em DII, evidências obtidas pelo nosso grupo sugerem que fenótipos pro-inflamatórios de linfócitos T resultam de níveis reduzidos de N-glicanos com ramificações beta1,6-GlcNAc, ao promover a ativação e vias de sinalização associadas ao recetor do linfócito T (TCR). Em contraste, no contexto de CRC, estes N-glicanos ramificados contribuem para a evasão imune, invasão e metástase. Como tal, propomos aqui que alterações ao nível do glicoma intestinal possam mediar a transição de inflamação crónica para doença maligna. Aqui investigaremos um potencial processo regulatório ditado por N-glicanos, envolvido na modulação das respostas de linfócitos T que poderá ter um impacto significativo para a carcinogénese associada a inflamação crónica. Em particular, ambicionamos caracterizar a glicosilação de linfócitos T durante a carcinogénese associada a inflamação; determinar como glicanos N-ramificados influenciam a função de linfócitos T in vitro e avaliar se a terapia celular baseada na transferência adotiva de linfócitos T glicomodulados é capaz de influenciar a progressão maligna num contexto inflamatório. Ao longo da cascata carcinogénica associada à inflamação, denotamos um aumento progressivo nos níveis de N-glicanos ramificados. Isto foi observado in situ na mucosa intestinal em amostras humanas e verificado em linfócitos T de modelos animais. Estas alterações acompanharam uma diminuição da abundância de linfócitos T CD8+ e um aumento dos níveis de PD-1 em linfócitos T CD4+ e CD8+. A remoção de N-glicanos ramificados em linfócitos T introduzidos por transferência adotiva resultou em fenótipos mais severos de doença inflamatória. No entanto, não verificamos diferenças ao nível do desenvolvimento tumoral, abundância de linfócitos T CD4+ e CD8+ ou expressão de PD-1 neste modelo animal de transferência adotiva. Em suma, este trabalho sugere que, no decurso de carcinogénese associada a inflamação, a glicosilação de linfócitos T sofre alterações que poderão influenciar a infiltração e função dos mesmos. Como tal, a ramificação de N-glicanos em linfócitos T poderá ser alavancada como potencial biomarcador para estratificação de risco de CRC em pacientes com DII.