# name
Pdk1+ cells as drivers of stem cell activity and tumorigenesis in the intestine

# metadata.dc.contributor.other[].value
Universitat de Barcelona. Departament de Biologia Cel·lular, Fisiologia i Immunologia

# metadata.dc.description.abstract[].value
[eng] Adult stem cells have been proposed as the cells of origin for several types of cancer, including colorectal cancer. Their intrinsic capacity for long-term self-renewal and their ability to survive and regenerate tissue following injury place them as key players in both tissue homeostasis and malignant transformation. While recent studies have shed light on the signalling pathways that regulate stem cell behaviour, the metabolic determinants of stem cell fate — including their quiescence, activation, and lineage commitment — remain poorly understood. Similarly, despite extensive body of work has demonstrated that metabolic reprogramming is a hallmark feature of most cancer cells, it remains unclear whether this metabolic rewiring represents a mere adaptation to the increased energetic and biosynthetic demands of uncontrolled proliferation, or whether it plays an active, instructive role in promoting tumour initiation and expansion. In this context, very little is known about how metabolism contributes to the earliest steps of malignant transformation, particularly in the subset of cells that act as tumour-initiating cells. Exploring these aspects could offer new insights into the biological basis of tumour heterogeneity and reveal novel vulnerabilities for therapeutic intervention. Using the intestinal epithelium as a model system, our laboratory has demonstrated metabolic heterogeneity among both normal epithelial cells and tumour cells in intestinal adenomas. In this context, we identified a rare population of highly glycolytic cells expressing elevated levels of Pyruvate Dehydrogenase Kinase 1 (Pdk1). In this thesis, we have tested the hypothesis that Pdk1+ cells drive stem cell activity and tumorigenesis in the intestine. To do so, we have employed 3D-organoid cultures, mouse models and novel genetically-encoded metabolic reporters in combination with lineage-tracing experiments, advanced imaging techniques and metabolic experiments. Our results indicate that Pdk1⁺ cells are spatially distributed throughout both the crypt and villus compartments, independent of proximity to blood vessels, suggesting that their metabolic phenotype is not dictated by the microenvironment but rather reflects a stable, cell-intrinsic state. Further characterisation revealed that Pdk1⁺ cells belong to the enteroendocrine (EE) lineage and display features of quiescent cells. Remarkably, we demonstrated that these cells possess intrinsic stem cell potential, they contribute to intestinal regeneration in vivo and contribute to organoids growth in vitro. Importantly, this stem cell activity is dependent on Pdk1 function, indicating that glycolytic metabolism plays a decisive role in maintaining their identity and regenerative capacity. Having established their stem cell-like behaviour, we next explored their potential involvement in tumorigenesis. Using inducible in vivo tumour models, we found that Pdk1⁺ cells can initiate intestinal tumours and contribute to tumour growth and maintenance, highlighting their functional relevance beyond initiation. Altogether, our findings suggest that metabolic state is not only a marker of cell identity, but also a functional regulator of both stem cell behaviour and tumour initiation. Glycolysis, mediated by Pdk1, emerges as a key determinant of regenerative potential in the intestinal epithelium and appears to confer tumour-initiating capacity on certain cell populations. From a clinical perspective, this work has important implications. Identifying metabolically distinct cell populations with intrinsic tumour-initiating properties offers a new angle for early detection and stratification of tumour risk. Moreover, targeting metabolic enzymes such as Pdk1 could represent a therapeutic strategy to eliminate cells with stem cell-like and tumour-initiating features before they contribute to tumour progression. Understanding how metabolism governs cell fate at the interface of regeneration and transformation may pave the way for novel approaches to prevent or intercept cancer at its earliest stages.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[cat] Les cèl·lules mare adultes han estat proposades com a cèl·lules d’origen de diversos tipus de càncer, inclòs el càncer colorectal. La seva capacitat intrínseca d’autorenovació a llarg termini, juntament amb l’habilitat de sobreviure i regenerar teixit després d’una lesió, les situa com a peces clau tant en la homeòstasi tissular com en la transformació maligna. Tot i que estudis recents han aclarit algunes de les vies de senyalització que regulen el comportament de les cèl·lules mare, els determinants metabòlics del seu destí cel·lular —incloent-hi l’estat de quiescència, activació i el compromís de llinatge— continuen sent poc coneguts. Igualment, malgrat que una gran quantitat d’estudis han demostrat que la reprogramació metabòlica és una característica distintiva de la majoria de cèl·lules canceroses, encara no està clar si aquest remodelatge metabòlic representa només una adaptació a les elevades demandes energètiques i biosintètiques derivades de la proliferació descontrolada, o si exerceix un paper actiu i instructiu en la iniciació i expansió tumoral. En aquest context, es coneix ben poc sobre com el metabolisme contribueix als primers estadis de la transformació maligna, especialment en el subgrup de cèl·lules que actuen com a cèl·lules iniciadores de tumors. Explorar aquests aspectes podria oferir noves perspectives sobre les bases biològiques de l’heterogeneïtat tumoral i revelar noves vulnerabilitats per a la intervenció terapèutica. Utilitzant l’epiteli intestinal com a sistema model, el nostre laboratori ha demostrat l’existència d’heterogeneïtat metabòlica tant en cèl·lules epitelials normals com en cèl·lules tumorals d’adenomes intestinals. En aquest context, hem identificat una població poc freqüent de cèl·lules altament glicolítiques que expressen nivells elevats de la Piruvat Deshidrogenasa Quinasa 1 (Pdk1). En aquesta tesi, hem posat a prova la hipòtesi que les cèl·lules Pdk1⁺ impulsen l’activitat de cèl·lules mare i la tumorigènesi a l’intestí. Per fer-ho, hem utilitzat cultius tridimensionals d’organoides, models murins i nous biosensors metabòlics genèticament codificats, en combinació amb experiments de traçat de llinatge, tècniques d’imatge avançades i anàlisis metabòliques. Els nostres resultats indiquen que les cèl·lules Pdk1⁺ es distribueixen espacialment tant en les criptes com en les vellositats, independentment de la proximitat als vasos sanguinis, cosa que suggereix que el seu fenotip metabòlic no està determinat pel microambient, sinó que reflecteix un estat estable i intrínsec a la cèl·lula. La seva caracterització ha revelat que aquestes cèl·lules pertanyen al llinatge enteroendocrí (EE) i són quiescents. De manera remarcable, hem demostrat que aquestes cèl·lules posseeixen potencial de cèl·lula mare intrínsec, contribueixen a la regeneració intestinal in vivo i contribueixen en el creixement d’organoides in vitro. Aquestes activitats de cèl·lula mare depenen de l’activitat de Pdk1, cosa que indica que el metabolisme glicolític juga un paper decisiu en el manteniment de la seva identitat i capacitat regenerativa. Un cop establert el seu comportament semblant al de cèl·lules mare, vam explorar la seva possible implicació en la tumorigènesi. Utilitzant models de tumors induïbles in vivo, vam observar que les cèl·lules Pdk1⁺ poden iniciar tumors intestinals i contribuir al seu creixement i progressió, fet que destaca la seva rellevància funcional més enllà de la iniciació tumoral. En conjunt, els nostres resultats suggereixen que l’estat metabòlic no és només un marcador de la identitat cel·lular, sinó també un regulador funcional tant del comportament de les cèl·lules mare com de la iniciació tumoral. La glicòlisi emergeix com un determinant clau del potencial regeneratiu en l’epiteli intestinal i sembla conferir capacitat iniciadora de tumors a certes poblacions cel·lulars. Des d’una perspectiva clínica, aquest treball té implicacions importants. Identificar poblacions cel·lulars metabòlicament distintes amb propietats iniciadores de tumors ofereix una nova via per a la detecció precoç del risc tumoral. A més, dirigir-se a enzims metabòlics com Pdk1 podria representar una estratègia terapèutica per eliminar cèl·lules amb característiques de cèl·lula mare i iniciadores de tumors abans que contribueixin a la progressió del càncer. Comprendre com el metabolisme governa el destí cel·lular en el punt de trobada entre regeneració i transformació podria obrir el camí a nous enfocaments per prevenir o interceptar el càncer en les seves etapes més inicials.

# metadata.dc.rights[].value
cc by-nc-nd (c) Fortuny Martí, Lidia, 2025

# metadata.dc.source[].value
Tesis Doctorals - Departament - Biologia Cel·lular, Fisiologia i Immunologia

# metadata.dc.title[].value
Pdk1+ cells as drivers of stem cell activity and tumorigenesis in the intestine