background image

 

Stool  protein  mass  spectrometry  identifies  biomarkers  for  the  early 

detection of diffuse-type gastric cancer 

Running Title: Stool protein biomarkers for early detection of diffuse GC 

Chi-Lee C. Ho

1,2

, Michael B. Gilbert

3

, Guillaume Urtecho

4

, Hyoungjoo Lee

5

, David A. Drew

6,7

, Samuel J. 

Klempner

8

,  Jin  S.  Cho

1

,  Thomas  J.  Ryan

1

,  Naryan  Rustgi

1

,

 

Hyuk  Lee

9

,  Jeeyun  Lee

9

,  Alexander 

Caraballo

7

,  Marina  V.  Magicheva-Gupta

7

,  Carmen  Rios

10

,  Alice  E.  Shin

11

,  Yuen-Yi  Tseng

10

,

 

Jeremy  L. 

Davis

12

, Daniel C. Chung

7

, Andrew T. Chan

6

, Harris H. Wang

4

, Sandra Ryeom

1

 

1

Department  of  Surgery,  Herbert  Irving  Comprehensive  Cancer  Center,  Columbia  University  Irving 

Medical  Center,  New  York,  NY; 

2

Cell  and  Molecular  Biology  Program,  University  of  Pennsylvania 

Perelman  School  of  Medicine,

 

  Philadelphia,  PA;

 

3

Department  of  Biochemistry  and  Biophysics, 

University of Pennsylvania Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA; 

4

Department  of  Systems  Biology,  Columbia  University,  New  York,  NY; 

5

Quantitative  Proteomics 

Resource  Core,  University  of  Pennsylvania,  Philadelphia,  PA; 

6

Clinical  Translational  Epidemiology 

Unit,  Massachusetts  General  Hospital  and  Harvard  Medical  School,  Boston,  MA;

  7

Division  of 

Gastroenterology,  Massachusetts  General  Hospital  and  Harvard  Medical  School,  Boston,  MA; 

8

Department  of  Medicine,  Division  of  Hematology-Oncology

,

  Massachusetts  General  Hospital,  Boston, 

MA; 

9

Division  of  Hematology-Oncology,  Department  of  Medicine,  Samsung  Medical  Center, 

Sungkyunkwan  University  School  of  Medicine,  Seoul,  Korea; 

10

Broad  Institute  of  MIT  and  Harvard, 

Dana-Farber Cancer Institute, Boston, MA

;

 11

Herbert Irving Comprehensive Cancer Center, Division of 

Digestive and Liver Diseases, Department of Medicine, New York, New York, USA;

 12

Surgical Oncology 

Program, Center for Cancer Research, National Cancer Institute, NIH, Bethesda, MD  

 

 

 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

 

Conflicts of Interest 

S.J. Klempner has served a consultant/advisory role for Bristol Myers Squibb, Merck, Eli Lilly, Astellas, 

Daiichi-Sankyo,  Pieris,  Natera,  Novartis,  AstraZeneca,  Mersana,  Sanofi-Aventis,  Servier,  and  Coherus. 

S.J. Klempner reports stock/equity in Turning Point Therapeutics.  

J.  Lee  has  served  a  consultant/advisory  role  for  Mirati,  Oncxerna,  Seattle  Genetics,  Guardant  AMEA, 

Daiichi-Sankyo, and AstraZeneca.  

A.T.  Chan  has  served  as  a  consultant  to  Pfizer  Inc.  and  Boerhinger  Ingelheim.  ATC  has  also  received 

grant support from Pfizer Inc., Freenome, and Zoe Lt. 

S. Ryeom has received grant support from Immpact Bio. 

The remaining authors disclose no conflicts. 

 

Corresponding author

: Dr Sandra Ryeom 

Phone: (212) 305-9645 

Email: 

swr2117@cumc.columbia.edu

 

Mailing address: 630 W. 168th Street, P&S 17-409, NY, NY 10032 

 

 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

 

 

ABSTRACT 

There  is  a  high  unmet  need  for  early  detection approaches  for  diffuse  gastric  cancer  (DGC).  We 

examined whether the stool proteome of mouse models of GC  or individuals with hereditary diffuse GC 

(HDGC)  have  utility  as  biomarkers  for  early  detection.  Proteomic  mass  spectrometry  of  stool  from  a 

genetically  engineered  mouse  model  driven  by  oncogenic 

Kras

G12D

  and  loss  of 

p53

  and 

Cdh1

  in  gastric 

parietal  cells  (known  as  TCON  mice)  identified  differentially  abundant  proteins  compared  to  littermate 

controls.  Immunoblot  assays  validated  a  panel  of  proteins  including  actinin  alpha  4  (ACTN4),  N-

acylsphingosine  amidohydrolase  2  (ASAH2),  dipeptidyl  peptidase  4  (DPP4),  and  valosin-containing 

protein  (VCP)  as  enriched  in  TCON  stool  compared  to  littermate  control  stool.  Immunofluorescence 

analysis of these proteins in TCON stomach sections revealed increased protein expression as compared to 

littermate  controls.  Proteomic  mass  spectrometry  of  stool  obtained  from  HDGC  patients  with 

CDH1 

mutations  identified  increased  expression  of  ASAH2,  DPP4,  VCP,  lactotransferrin  (LTF),  and 

tropomyosin-2 (TPM2) relative to stool from healthy sex and age-matched donors. Chemical inhibition of 

ASAH2  using  C6-urea  ceramide  was  toxic  to  GC  cell  lines  and  patient  derived-GC  organoids.  This 

toxicity  was  reversed  by  adding  downstream  products  of  the  S1P  synthesis  pathway,  suggesting  a 

dependency on ASAH2 activity in GC. An exploratory analysis of the HDGC stool microbiome identified 

features  which  correlated  with  patient  tumors.  Here  we  provide  evidence  supporting  the  potential  of 

analyzing stool biomarkers for the early detection of DGC. 

Prevention Relevance: 

This  study  highlights  a  novel  panel  of  stool  protein  biomarkers  which  correlate  with  the  presence  of 

diffuse-type gastric cancer and has potential use as early detection to improve clinical outcomes.

 

 

 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

 

INTRODUCTION 

Gastric cancer (GC) is ranked 4

th

 in prevalence and 4

th

 in mortality among cancers worldwide(1). 

Cancer  stage  at  diagnosis  is  a  critical  factor  in  patient  prognosis  as  5-year  survival  rates  for  localized 

disease is 70% compared to 6% for patients who present with disseminated disease(2). Regular screening 

programs  have  proven  effective  in  increasing  GC  patient  survival  by  promoting  early-stage  disease 

detection. In  one  such  case,  biennial  screening  in  South  Korea  for  adults  over  40  years-old  has  led  to  a 

significant increase in the diagnosis of GC patients with early-stage disease from 39% in 2001 to 73% in 

2016. This is in contrast to the United States where routine screening is not practiced and only 25% of GC 

patients present with early-stage disease(3). GC is primarily diagnosed by endoscopy, which is arduous, 

resource intensive, and has inherent limitations, particularly in the detection of early-stage gastric cancers 

which  can  be  morphologically  subtle.  Therefore,  alternative,  non-invasive  approaches  to  detect  early-

stage GC are needed. 

GC can be histologically classified as diffuse, intestinal, or mixed subtypes(4). Whereas intestinal-

type  GC  (IGC)  has  a  better  prognosis  and  decreasing  incidence,  diffuse-type  GC  (DGC)  has  a  worse 

prognosis  and  rising  incidence(5,6).  DGC  does  not  classically  undergo  stepwise  development  of 

metaplasia  or pre-neoplastic lesions as seen in IGC, further limiting the ability for early detection through 

endoscopic  screening(7).  The  spontaneous  nature  of  DGC  development  makes  studying  the  disease 

difficult; however in cases of hereditary DGC (HDGC), patients possess pathogenic germline mutations, 

predominantly  in  CDH1,  which  predispose  them  to  developing  DGC(8).  HDGC  is  associated  with  a 

cumulative lifetime risk of developing GC between 33-83%(9), thereby necessitating routine surveillance 

and  providing  an  opportunity  to  study  DGC.  As  early-stage  DGC  frequently  appears  macroscopically 

normal, regular endoscopic screening and extensive biopsies are required for disease surveillance. Thus, 

non-invasive  approaches  to  early  detection  through  profiling  of  tumor-associated  biomarkers  in  bodily 

fluids  are  particularly  attractive.  Indeed,  GC  patient  saliva,  serum,  and  excreta  have  been  shown  to  be 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

 

variably  enriched  for  tumor-associated  DNA(10,11),  RNA(12–14),  and  proteins(15–18).  Unfortunately, 

these studies have not yet resulted in clinically available biomarker assays for GC detection. 

Stool is a promising source of GC biomarkers as it is an easily obtainable direct byproduct of the 

gastrointestinal  system.  We  performed  an  unbiased  protein  mass  spectrometry  screen  on  stool  obtained 

from  genetically  engineered  mice  with  mixed-type  GC  and  from  HDGC  patients  to  identify  potential 

biomarkers for DGC detection. Since mass spectrometry of stool is not routinely performed, we validated 

our  approach  using  a  genetically  engineered  mouse  model  of  GC  previously  described  by  our  group 

(referred to as TCON mice) with tumorigenesis driven by oncogenic 

Kras

G12D

 and loss of 

p53

 and 

Cdh1

 

in gastric parietal cells together with a yellow fluorescent protein (YFP) reporter(19). Proteomic analysis 

of TCON mouse stool revealed differential abundance of a panel of proteins which correlated with tumor 

development: actinin alpha 4 (ACTN4), neutral ceramidase (ASAH2), dipeptidyl peptidase 4 (DPP4), and 

valosin-containing protein (VCP). Immunofluorescence analysis of TCON mouse stomachs with early to 

late-stage  GC  revealed  corresponding  protein  enrichment  in  the  tissue.  Proteomic  analysis  of  stool 

obtained from HDGC patients identified proteins that overlapped with the mouse panel, namely ASAH2, 

DPP4,  and  VCP,  as  well  as  HDGC  specific  proteins  lactotransferrin  (LTF)  and  tropomyosin-2  (TPM2) 

that were enriched compared to gender and age-matched healthy individuals. ASAH2, which has not been 

previously  associated  with  GC  tumorigenesis,  is  a  neutral  ceramidase  that  catalyzes  ceramide  to 

sphingosine which becomes phosphorylated to sphingosine-1-phosphate (S1P), a potent regulator of cell 

growth and survival(20). Pharmacologic targeting of ASAH2  reduced viability of GC cell lines and GC 

patient-derived  organoids  that  was  rescued  with  the  addition  of  S1P.  We  also  characterize  the  HDGC 

stool microbiome and identified microbial features which correlate with patient disease status. Using an 

unbiased approach, we identified proteins enriched in the stool of GC mouse models and HDGC patients 

that correlate with disease and may serve as biomarkers for the early detection of DGC. 

 

 

 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

 

MATERIALS AND METHODS 

Animals 

Animal  studies  were  approved  by  Columbia  University  Animal  Research  Compliance.  Our 

laboratory’s TCON mouse model of mixed type GC was previously described(19).  TCON and littermate 

control  mice  were  co-housed  when  necessary.  Fresh  stool  samples  obtained  from  mice  were  directly 

collected  into  microtubes.  For  flank  tumor  studies,  TCON  cells  grown  in  Dulbecco’s  Modified  Eagle 

Medium  (DMEM)  supplemented  with  penicillin,  streptomycin,  L-glutamine,  and  fetal  bovine  serum 

(FBS)(Gibco) were  subcutaneously injected into the flank of  mice  at 1x10

6

  cells.  The  orthotopic mouse 

model  was  generated  by  injecting  C57BL/6  mice  with  1x10

6

  TCON  cells  transduced  with  luciferase 

lentivirus (Cellomics). For the generation of TCON tumor derived cell-lines,

 

TCON mice stomachs were 

minced, digested in 2.5mg/mL collagenase II and 0.5mg/mL DNAse, passed through 40µm strainer, and 

cells  were  grown  in  complete  DMEM  media  at  37°C  with  5%  CO

2

.

 

  The  esophageal  adenocarcinoma 

mouse  model  was  previously  established  by  another  group(21).  Briefly,  it  was  generated  by  adding 

deoxycholic acid (Sigma) at 0.3% in water of L2-IL-1β mice for ad libitum consumption beginning at 6-

weeks of age. N-Methyl-N-nitrosourea (MNU)(Spectrum) was added to this water at alternating weeks for 

5  treatment  cycles.  The  azoxymethane  (AOM)-induced  colorectal  cancer  model  was  generated  using 

C57BL/6J mice (Jackson Laboratory) using a method previously described by another group(22). Briefly, 

8-week  old  mice  were  administered  AOM  (Sigma  Aldrich,  A5486)  via  intraperitoneal  injection  at  a 

dosage  of  10  mg/kg  body  weight.  This  treatment  was  repeated  weekly  for  a  total  duration  of  6  weeks, 

amounting  to  six  injections  per  mouse.  Mice  weights  were  monitored  regularly  and  developed  tumors 

around 20 weeks post initial AOM treatment. Stool was collected as mice weights declined, indicative of 

growing tumors. Tumor growth was validated post-mortem by examining histology slides of the intestinal 

tract.

 

Gastric lavage of mice 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

 

Mice  were  fed  a  liquid  diet  (Bio-Serv)  48  hours  prior  to  euthanasia  with  isoflurane.  To  collect 

gastric fluid, PBS (Corning) was flushed through the stomach and collected. To remove debris, the lavage 

was centrifuged at 5000xg for 5 min  and the supernatant was retained. This was performed three times. 

The supernatant was processed using a DNA/protein isolation kit (Qiagen). Protein was quantified using 

DC Protein Assay (Biorad) measured on a SpectraMax iD3. DNA was quantified using a DeNovix DS-11 

Spectrophotometer. 

Stool Immunoblotting 

Stool was dissociated in RIPA lysis buffer (25mM Tris pH=7.4, 2.5mM EDTA, 1% Triton X100, 

0.1% SDS, 150mM NaCl) supplemented with 5% SDS and protease inhibitors (ThermoFisher) for 30 min 

at  room  temperature  with  intermittent  vortexing.  The  solution  was  centrifuged  for  10  min  at  15,000xg, 

supernatant was collected, quantified by DC Protein Assay (Bio-Rad) on a SpectraMax iD3, mixed with 

6x  Laemmli  buffer,  and  boiled  at  95°C  for  5  min.  40

g  of  lysate  per  sample  was  loaded  onto  pre-cast 

SDS-PAGE  gels  (GeneScript)  and  electrophoresis  was  conducted  for  70  min  at  110V.  Gels  were 

transferred to methanol activated PVDF membranes for 70 min at 110V. Membranes were blocked in 5% 

BSA in PBST for 1 hour at room temperature. Antibodies for ACTN4 (Proteintech Group, PTG #19096-

1-AP), ASAH2 (PTG 

 

27742-1-AP), DPP4 (PTG #29403-1-AP), LTF (PTG #10933-1-AP), TPM2 (PTG 

#11038-1-AP),  VCP  (PTG  #10736-1-AP),  YFP  (Abcam  #ab13970),  and  α-tubulin  (PTG  #66031-1-Ig) 

were  diluted  1:2000  in  5%  BSA  in  PBST  and  added  to  membranes  for  1  hour  at  room  temperature. 

Membranes  were  washed  three  times  with  PBST  for  10  min  and  incubated  with  HRP  conjugated 

secondary  antibody  (PTG)  diluted  1:4000  in  5%  BSA  in  PBST  for  1  hour  at  room  temperature. 

Membranes  were  washed  3  times  with  PBST  before  incubation  with  ECL  reagent  (ThermoFisher)  and 

imaged using the iBright 1500CL (ThermoFisher). 

 

For dot blot assays, 10µg of protein in 3µL of lysate was spotted onto a nitrocellulose membrane 

and incubated at room temperature for 60 min. Membranes were blocked in 5% BSA in PBST for 1 hour 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

 

at room temperature. Primary and secondary antibody protocols and imaging are the same as for Western 

blots.  

 

 

Patient stool collection 

 

Stool was collected from patients enrolled in the GI Disease and Endoscopy Registry (GIDER) at 

Massachusetts General Hospital. Patients were provided an at-home stool collection kit for use two days 

prior  to  scheduled  endoscopy.  Stool  was  self-collected  using  a  tube  containing  200  proof  ethanol  with 

enclosed scoop. Once returned, stool samples were centrifuged at 15,000xg for 10 minutes, decanted, and 

the pellet was rinsed in ethanol twice and stored at -80°C. Study participants provided written informed 

consent.  The  study  protocol  was  approved  by  the  Mass  General  Brigham  Institutional  Review  Board 

(Protocol  #2015P000275). 

Studies  were  conducted  in  accordance  with  the  Good  Clinical  Practice  and 

Declaration of Helsinki

.

 

NanoLC-MS/MS of Urea lysed stool 

Samples were lysed in a buffer of 8 M urea, 100 mM NaCl, 50 mL Tris-HCl (pH=8) and protease 

inhibitors.  Samples  were  sonicated  with  a  Biorupter  (Diagenode),  incubated  on  ice,  and  centrifuged  at 

21,000xg at 4°C. Protein was quantified using BCA protein assay (ThermoFisher). Proteins were reduced 

with 5 mM dithiothreitol for 30 min at 55°C and alkylated with 10 mM iodoacetamide in the dark for 30 

min.  Proteins  were  diluted  to  2  M  urea  with  Tris-HCl  and  digested  with  trypsin  (Promega)  at  an 

enzyme:protein ratio of 1:25 for 12 hr at 37°C. The digestion was quenched with 1% trifluoroacetic acid. 

Samples were desalted using Pierce C18 Tips, 10 µL bed (ThermoFisher). Peptides were brought to 0.33 

μg/μL in 0.1% formic acid. 

Samples  were  analyzed  with  nanoLC-MS/MS.  Peptides  were  separated  using  an  UltiMate3000 

(Dionex)  HPLC  system  (ThermoFisher)  using  75  μm  ID  fused  capillary  and  packed  with  2.4  μm 

ReproSil-Pur C18 beads to 20 cm. The HPLC gradient was 0%–35% solvent B (A = 0.1% formic acid, B 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

 

= 95% acetonitrile, 0.1% formic acid) over 20 min and from 45% to 95% solvent B in 40 min at a flow 

rate  of  300nL/min.  The  QExactive  HF  (ThermoFisher)  mass  spectrometer  was  configured  following  a 

data-dependent acquisition method. All solvents used in analysis of MS samples were LC-MS grade. Full 

MS scans from 300-1500 m/z were analyzed in the Orbitrap at 120,000 FWHM resolution and 5E5 AGC 

target  value,  for  50  ms  maximum  injection  time.  Ions  were  selected  for  MS2  analysis  with  an  isolation 

window of 2 m/z, for a maximum injection time of 50 ms and a target AGC of 5E4. MS raw files were 

processed with Proteome Discoverer version 2.3 and MS spectra were searched against a target + reverse 

database  with  the  SEQUEST  search  engine  using  H.  sapiens  FASTA  databases  (reviewed,  canonical 

entries,  downloaded  9/27/21).  For  global  proteome  samples,  iBAQ  quantification  was  performed  on 

unique  +  razor  peptides.  Trypsin  cleavage  was  specific  with  up  to  2  missed  cleavages  allowed.  Match 

between runs parameters included a retention time alignment window of 20 min and a match time window 

of 0.7 min. False discovery rate was set to 0.01. 

LC-MS/MS of 5% SDS lysed stool 

Stool supernatant was harvested after centrifugation at 15,000xg for 10 min and reduced using 5 

mM  dithiothreitol/25  mM  NH4HCO3  pH=8.0  for  60  min  at  52°C.  The  solution  was  stored  at  room 

temperature  in  25  mM  iodoacetamide  in  the  dark  for  60  min.  Protein  digestion  was  performed  with  S-

TrapTM Column (Protifi). Nano high-performance liquid chromatography analyses were performed using 

an  Easy  n-LC  1000  system  (ThermoFisher).  A  Q-Exactive  HF-X  (ThermoFisher)  was  used  for  MS 

analyses and operated with Xcalibur. Full MS scans were acquired on the Orbitrap from m/z 350–1200 at 

a  resolution  of  60,000  using  an  automatic  gain  control  (AGC)  value  of  5x10

5

.  The  minimum  threshold 

was  50,000  ion  counts.  MS/MS  data  were  collected  in  centroid  mode  in  the  ion  trap  using  an  isolation 

width of 1.6 m/z units, a maximum injection time of 50 ms, and an AGC value of 1x10

4

. Raw data files 

were analyzed using the Proteome Discoverer software (ThermoFisher) against Mus musculus database. 

Immunofluorescence 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

10 

 

 

Stomachs  were  dissected,  rinsed  in  PBS,  and  incubated  in  10%  formalin  overnight  at  room 

temperature  before  rinsing  with  PBS,  embedded  in  paraffin,  and  sectioned  by  the  Columbia  University 

Molecular Pathology Shared Resource. Antigens were unmasked by sequential 5 min incubations in the 

following  solutions:  Xylene,  100%  EtOH,  95%  EtOH,  80%  EtOH,  70%  EtOH,  50%  EtOH,  and  water. 

Slides were pressure and heat treated for 1 min in unmasking solution (Vector Labs H-3300). Slides were 

rinsed  in  PBST  then  blocked  in  5%  BSA  PBST  for  1  hr  at  room  temp.  Primary  antibodies  listed  above 

were incubated per manufacturer recommendations in 5% BSA PBST for 1 hr at room temp. Slides were 

rinsed 5 times with PBST then incubated with fluorescent antibodies for 1 hr at room temp in  the dark. 

Slide  covers  were  mounted  using  DAPI  mounting  gel  (Electron  Microscopy  Sciences)  incubated 

overnight at 4°C. Images were obtained using a Nikon TI2E AXR confocal microscope. 

Patient derived cancer organoid model generation 

Human 

gastric 

adenocarcinoma 

specimens, 

namely 

CCLF_UPGI_0008_T 

and 

CCLF_UPGI_0061_T,  were  obtained  from  consenting  patients  at  the  Dana-Farber  Cancer  Institute 

(DFCI)  under  IRB  protocol  DF-HCC  03-189.  The  organoid  model  generation  process  was  done  by  the 

Cancer Cell Line Factory team at the Broad Institute. All procedures were carried out in accordance with 

an  Institutional  Review  Board  (IRB)-approved  protocol.  Patient  tumor  resections  were  immediately 

placed  in  a  sterile  conical  tube  containing  DMEM  media  (ThermoFisher)  supplemented  with  10%  FBS 

(Sigma  Aldrich),  1%  penicillin-streptomycin  (ThermoFisher),  10  μg/mL  of  gentamicin,  and  250  ng/mL 

fungizone. This media was maintained at a cold temperature during transport from the operating room to 

the research laboratory. Upon arrival, resections were transferred to a 15 ml conical tube containing 5 mL 

of  DMEM  media  with  10%  FBS,  1%  penicillin-streptomycin,  and  digestion  enzymes  including  regular 

collagenase  (StemCell  #07912)  and  dispase  (StemCell  #07913).  The  tube  was  subjected  to  rotation  and 

incubated at 37°C for 1 hour.  Subsequently, the cells were centrifuged at 1,000 rpm  for 5  minutes.  The 

resulting  cell  pellets  were  resuspended  and  subsequently  embedded  into  Matrigel  (Corning  #356231) 

following an established protocol(23). Gastric cancer organoids were maintained and passaged using cold 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

11 

 

PBS  and  TrypLE  Express  (ThermoFisher  #12604039)  upon  reaching  80-90%  confluence.  Tumor  purity 

was verified by Whole Exon Sequencing. 

In vitro

 cell viability assays 

 

Gastric  epithelial  adenocarcinoma  cell  lines  AGS  (female  patient)(RRID:CVCL_0139)(CRL-

1739)  and  NCI-N87  (male  patient)(RRID:CVCL_1603)(CRL-5822)  were  obtained  from  ATCC  which 

performs STR profiling  on its  cell  lines.  Cells were  not  authenticated  again after purchase from  ATCC. 

MKN45  gastric  adenocarcinoma  cell  line  (female  patient)(RRID:CVCL_0434)(ACC409)  was  obtained 

from  the  DSMZ  Leibniz  Institute  which  performs  STR  profiling  of  its  cell  lines.  Cells  were  not 

authenticated again after purchase from ATCC. AGS, NCI-N87 and MKN45 cell lines were expanded and 

tested for mycoplasma using MycoAlert Plus Mycoplasma Detection Kit (Lonza LT07-318) upon receipt 

from ATCC and DSMZ before aliquoting in freezing media CELLBANKER 1 (Amsbio LLC 11910) and 

stored in liquid nitrogen. Each cell line aliquot was thawed and used for experiments described here after 

one week in culture and cells were used only for 8-10 passages. 2D cell culture assays were maintained in 

RPMI  media  supplemented  with  10%  FBS  and  1%  penicillin,  streptomycin,  glutamine  (ThermoFisher) 

and  grown  in  an  incubator  at  5%  CO

2

  at  37°C.  Small  molecules  C6  urea  ceramide,  D-erythro-MAPP, 

ARN14988, ceramide, sphingosine, and S1P were solubilized as recommended by manufacturer (Cayman 

Chemicals).  For  viability  assays,  96-well  plates  were  seeded  at  2000  cells  per  well,  allowed  to  recover 

overnight,  and  compounds  were  added  and  incubated  at  5%  CO

2

  at  37°C  for  72  hours.  Viability  was 

measured  using  Cell  titer  glo  viability  reagent  (Promega)  and  luminescence  was  measured  using  the 

SpectraMax iD3. 

 

Patient derived organoids were obtained from the Broad Institute and maintained in 50uL Matrigel 

(Corning, #354234) in 24-well plates and cultured in 5% CO2 and at 37°C. After Matrigel solidification, 

organoids  were  overlaid  with  DMEM/F-12  (Gibco,  #11320-033)  supplemented  with  1X  B-27  (Gibco, 

#0080085SA),  and  1X  N2  (Gibco,  #A13707-01);  Wnt3A  conditioned  media,  m-Noggin  conditioned 

media, and R-spondin conditioned media (10% total for all three); 3% L-WRN conditioned media (Sigma 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

12 

 

Aldrich,  #SCM105).  Organoid  media  included  the  following  additional  growth  factors,  cofactors,  and 

hormones:  50ng/mL  human  epidermal  growth  factor  (Sigma  Aldrich,  #E9644),  1mmol/L  N-

acetylcysteine  (Sigma  Aldrich,  #A9165),  20mmol/L  nicotinamide  (Sigma  Aldrich,  #N0636),  2nmol/L 

human  gastrin  I  (Sigma  Aldrich,  #G9145),  10mmol/L  SB202190  (Sigma  Aldrich,  #S7067),  10ng/mL 

fibroblast growth factor-basic (PeproTech, #100-18B), 10ng/mL FGF-10 (PeproTech, #100-26), 1µmol/L 

prostaglandin  E2  (Tocris  Bioscience,  #2296),  and  1µmol/L  A83-01  (R&D  Systems,  #2939).  Organoids 

were  passaged  weekly,  during  which  Matrigel  was  removed  using  Cell  Recovery  Solution  (Corning, 

#354253) following manufacturer’s instructions and split at a ratio of 1:4-1:8 with fresh Matrigel. PDOs 

were  incubated  with  C6  urea  ceramide  for  72  hours  and  viability  was  measured  using  WST-1  viability 

reagent and measured using the SpectraMax iD3. 

 

DATA AVAILABILITY 

The  stool  proteome  and  microbiome  data  generated  in  this  study  may  be  requested  from  the 

corresponding author.

 

 

 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

13 

 

RESULTS 

YFP detection validates stool protein biomarkers for GC in TCON mice

 

Few  studies  have  investigated  the  use  of  stool  proteins  as  biomarkers  for  GC  in  an  unbiased 

manner,  thus  we  utilized  our  previously  described  transformed  gastric  parietal  cell  specific  KPC  mouse 

model of GC, referred to as TCON, as a discovery platform(19). We hypothesized that stool biomarkers 

would originate from biomolecules shed into the stomach lumen either by tumor cells or non-tumor cells 

affected by the presence of the tumor. To assess this, gastric lavage was collected from 5 to 9-week-old 

TCON and  littermate  control  mice  and  measured  for  total DNA and  protein  concentration  (

Figure  1A

). 

Significantly higher DNA and  protein  concentrations  were observed  in  the gastric lavage  obtained  from 

TCON mice as compared to littermate controls. The yellow fluorescent protein (YFP) reporter expressed 

in  ATP4b-Cre  expressing  transformed  gastric  parietal  cells  represents  a  surrogate  for  GC  cell-derived 

proteins  in  the  TCON  mouse  model.  We  probed  for  YFP  in  gastric  lavage  fluid  from  TCON  mice  by 

Western blot, revealing robust expression (

Figure 1B)

 which suggests that tumor cell-derived proteins are 

being  released  into  the  GI  tract  and  possibly  in  the  stool.  To  assess  this,  stool  lysates  from  TCON  and 

littermate  control  mice  were  probed  for  YFP,  revealing  enrichment  in  TCON  mouse  stool  but  not 

littermate controls (

Figure 1C

). The ability to detect tumor cell YFP in the stool of TCON mice suggests 

that other protein biomarkers may be present in stool.  

 

Proteomic mass spectrometry analysis of TCON stool nominates early detection biomarkers

 

Previous stool mass spectrometry studies demonstrate that protein identification is variable based 

upon  the  lysis  buffer  composition(24);  thus,  we  utilized  two  buffers  types  that  maximize  protein 

discovery: 8M Urea and 5% SDS. We selected 6-week-old TCON mice as our window for early detection 

since  mice  display  YFP-positive  tumors  in  the  stomach  without  signs  of  metastasis(19)  and  co-housed 

them with littermate control mice to normalize their microbiome(25).  Stool from 6-week-old TCON and 

littermate  control  mice  were  lysed  and  analyzed  by  mass  spectrometry.  A  Venn  diagram  of  identified 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

14 

 

stool proteins based on lysis buffer used (

Supplemental Figure 1

) suggests certain proteins are enriched 

in  stool  depending  on  the  lysis  buffer  and  the  presence  of  GC  tumors.  Previously  published  mass 

spectrometry analysis of WT mouse stool proteins(26) was additionally considered with our control stool 

proteins  to  validate  our  approach.  A  total  of  765  proteins  were  identified  by  stool  protein  mass 

spectrometry  from  n=2  littermate  controls  and  n=4  TCON  mice.  The  10  most  enriched  and  depleted 

proteins (

Figure 2A)

 from the stool of TCON mice are listed as candidate biomarkers for GC detection. 

We focused on proteins enriched in TCON stool and validated them by probing stool from 7 to 9-week-

old mice with commercially available antibodies. Multiple proteins were found to be consistently enriched 

in stool from TCON mice as compared to littermate controls: ACTN4, VCP, ASAH2, and DPP4 (

Figure 

2B

). This data identifies a panel of proteins that specifically correlate with stool from the TCON mouse 

model of GC which may serve as biomarkers for gastric cancer detection.

 

 

Candidate TCON stool biomarkers are detected in early gastric tumors 

Next,  we  sought  to  understand  the  kinetics  of  stool  biomarker  protein  expression  in  our  TCON 

mouse model to evaluate its effectiveness in early detection. We conducted a weekly collection of stool 

from  TCON  and  littermate  control  mice  from  4  to  8  weeks  of  age.  As  previously  published(19),  by  3 

weeks  of  age,  TCON  mice  have  dysplastic  lesions  throughout  the  stomach.  By  6  weeks,  there  is 

significant increase in lesion size with some localized invasion, while by 9 weeks of age, 100% of mice 

have  invasive  carcinomas  with  a  median  overall  survival  of  11  weeks.

 

Immunoblot  analysis  of  stool 

lysates  identified  biomarker  protein  expression  as  early  as  4  weeks  with  increasing  abundance  during 

disease progression (

Figure 3A

). Next, we assessed the expression of stool biomarker proteins in stomach 

tumors.  Stomachs  isolated  from  6-week-old  TCON  and  littermate  control  mice  were  sectioned  and 

analyzed by immunofluorescence for biomarker protein expression along with YFP to indicate tumor cells 

(

Figure  3B

)  (

Supplemental  Figure  2

).  ACTN4  and  DPP4  were  identified  as  significantly  upregulated 

whereas ASAH2 and VCP were noticeably enriched. The expression of ACTN4 and DPP4 was examined 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

15 

 

in the stomach tissue of TCON mice at 4 and 8 weeks of age which mirrored previous observations that 

biomarker protein expression concentrated at areas of YFP-positive tumor growth, in contrast to control 

tissue with general diffuse expression (

Supplemental Figure 3

). Taken together, the data suggest that our 

stool biomarkers are upregulated in stomach tumors. 

 

TCON stool biomarkers in other models of GC

 

To further characterize our stool biomarkers, we examined their presence in the stool of multiple 

mouse  models  of  gastrointestinal  cancer.  A  commonly  used  experimental  model  of  tumorigenesis  is 

subcutaneous  injection  of  tumor  cells  into  the  flanks  of  mice.  This  model  allows  for  convenient 

monitoring  of  tumor  growth  but  has  limited  physiological  relevance  since  tumors  lack  the  appropriate 

microenvironment.  Subcutaneous  implantation  of  TCON-derived  GC  cells  into  the  flank  of  syngeneic 

C57BL/6  mice  did  not  result  in  biomarker  expression  of  ACTN4  in  the  stool  at  early  or  late  stages  of 

tumor growth 

(Figure 4A

). In contrast, orthotopic injection of luciferase expressing TCON GC cells into 

the stomachs of syngeneic C57BL/6 mice resulted in significant enrichment of ACTN4 and DPP4 in the 

stool after tumor presence was confirmed by luminescence imaging (

Figure 4B

). The difference in stool 

biomarker presence between subcutaneous and orthotopic GC cell implantation suggests a dependence on 

location  for  stool  biomarker  detection,  namely  along  the  GI  tract.  Published  studies  have  compared  GC 

with Barrett’s esophagus/esophageal adenocarcinoma (EAC) and indicated a similar cell of origin(21) and 

molecular fingerprint(27). To explore whether our GC-correlated biomarkers also identify the presence of 

EAC, we probed for biomarker expression in stool from a previously established model of EAC generated 

by treating mice overexpressing IL-1β in the esophageal epithelium with N-methyl-N-nitrosourea (MNU) 

and deoxycholate (DCA) administered in the drinking water(21). Immunoblot analysis of stool from EAC 

mice after MNU and DCA treatment revealed enrichment of ACTN4 and DPP4 in the stool as compared 

to stool from control mice without treatment (

Figure 4C

). Colorectal cancer (CRC) is the only GI cancer 

with an FDA approved stool test, potentially owing to reduced biomarker degradation at the posterior GI 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

16 

 

tract. Studies have suggested a role of ACTN4 and DPP4 in the tumorigenesis of CRC(28,29); therefore, 

we  wanted  to  examine  the  efficacy  of  these  proteins  as  biomarkers  for  CRC.  We  analyzed  the  stool  of 

mice treated with Azoxymethane (AOM), a model frequently used to study spontaneous CRC(30). Mice 

developed  tumors  approximately  20  weeks  after  initial  AOM  treatments,  indicated  by  weight  loss  and 

posthumously  confirmed  by  histology.  Compared  to  untreated  controls,  we  identified  a  significant 

correlation of ACTN4  and DPP4 in the stool of AOM-driven CRC mouse models compared to age and 

sex  matched  untreated  healthy  controls  (

Figure  4D

).  Collectively,  these  observations  suggest  that  our 

stool  biomarkers  correlate  with  tumorigenesis  along  the  GI  tract  and  are  potentially  biomarkers  in 

multiple types of GI cancers. 

 

Proteomic mass spectrometry analysis of HDGC patient stool nominates detection biomarkers 

Currently,  the  only  FDA  approved  use  of  stool  in  cancer  diagnostics  is  for  colorectal  cancer 

screening.  Previous  studies  of  stool  biomarkers  for  GC  detection  were  targeted  and  limited  in 

outcome(17,18). We performed an unbiased stool mass spectrometry approach based upon the conditions 

utilized  in  our  mouse  studies  for  biomarker  discovery  in  HDGC  patient  stool.  Stool  was  collected  from 

healthy  donors  (H)  and  HDGC  patients  with 

CDH1

  germline  mutations  stratified  into  an  at-risk  group 

(HDGC-AR)  if  GC  was  not  detected  by  endoscopy  or  as  GC-confirmed  (HDGC-GC)  if  endoscopy 

confirmed  the  presence  of  GC  at  the  time  of  stool  collection.  Donor  information  is  summarized  in 

Supplemental Table 1

. Stool from our cohorts were analyzed by mass spectrometry which identified 834 

proteins in total. The 20 most upregulated and downregulated proteins in HDGC patient stool compared 

to  healthy  donor  stool  are  listed  (

Table  1

).    Select  proteins  were  used  to  generate  heat  maps  of  stool 

proteins  enriched  in  HDGC-GC  and  -AR  groups  (

Supplemental  Figure  4A

)  and  diminished  stool 

proteins  in  the  HDGC-GC  group  compared  to  healthy  donors  (

Supplemental  Figure  4B

).  These  data 

reveal  distinct  stool  proteomes  which  correlate  with  the  donor  tumor  status.  Additionally,  a  panel  of 

proteins  was  identified  that  distinguishes  the  HDGC-GC  group  from  the  HDGC-AR  group 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

17 

 

(

Supplemental  Figure  4C

)  and  may  represent  proteins  specific  to  the  presence  of  more  established 

lesions.  Validation  of  biomarkers  enriched  in  HDGC  patient  stool  compared  to  healthy  donors  by 

immunoblot assay identified a panel of proteins associated with the presence of disease: ASAH2, DPP4, 

VCP, lactotransferrin (LTF), and tropomyosin-2 (TPM2) (

Figure 5A

). Similar to our findings in TCON 

mice,  we sought to  determine if the stool biomarkers enriched  in  HDGC patients  are upregulated in the 

stomach. The primary tumor proteome of 84 DGC patients compared to healthy adjacent tissue (HAT) has 

been previously characterized(31) and searching for our biomarkers in their data confirmed DPP4, LTF, 

and  VCP  as  significantly  upregulated  (

Figure  5B

).  We  next  validated  the  HDGC  stool  biomarkers  in  a 

simplified  version  of  an  immunoblot  analysis,  commonly  referred  to  as  a  dot  blot  assay,  to  assess  the 

feasibility of rapid screening. Dot blot analysis revealed robust detection of ASAH2 and DPP4 in the stool 

of  donors  with  endoscopy  confirmed  GC  tumors  compared  to  healthy  donors  or  HDGC  donors  without 

tumors (

Figure 5C

). These data support the feasibility of stool protein diagnostics for HDGC and suggest 

potential candidate proteins for further study and translation to the clinic. 

 

Stool biomarker ASAH2 as a potential therapeutic target for GC treatment 

 

ASAH2 is a stool biomarker identified in our screen that has not been previously associated with 

GC tumorigenesis. ASAH2 is a neutral ceramidase which converts ceramide into sphingosine, after which 

it is phosphorylated by kinases into sphingosine-1-phosphate (S1P). S1P is a pro-tumorigenic lipid that is 

secreted  by  many  cancer  cells  and  recognized  by  S1P  receptors  which  are  G-protein  coupled  receptors 

that promote signaling through canonical growth pathways such as RAS, P13K, and STAT3(20). Multiple 

tumor  types  have  been  demonstrated  to  exploit  S1P  signaling  to  promote  tumorigenesis  and  metastasis, 

including  liver(32),  breast(33),  colon(34),  pancreatic(35),  and  gastric  cancer(36).  To  test  the  role  of 

ASAH2  in  GC,  we  treated  multiple  GC  cell  lines  with  C6 urea  ceramide  (C6-U-Cer), a  small  molecule 

inhibitor  of  ASAH2  (

Figure  6A

).  GC  cell  lines  were  sensitive  to  ASAH2  inhibition  with  apparent 

complete toxicity at 5µM C6-U-Cer. There are five human ceramidases: one acid ceramidase (ASAH1), 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

18 

 

three  alkaline  ceramidases  (ACER1-3),  and  one  neutral  ceramidase  (ASAH2).  To  determine  which 

ceramidases were  critical  for GC  cell  viability,  we challenged  the IGC cell  line  NCI-N87 and  the  DGC 

cell  line  MKN45  with  inhibitors  specific  for  neutral  (C6-U-Cer),  acidic  (ARN14988),  and  alkaline  (D-

erythro-MAPP)  ceramidases  (

Figure  6B

).  Only  inhibition  of  neutral  ceramidase  ASAH2  induced  cell 

death, suggesting that among the ceramidases, ASAH2 is critical for GC viability.  

ASAH2  activity  is  downstream  of  ceramide  and  upstream  of  sphingosine  in  the  S1P  synthesis 

pathway;  therefore,  we  hypothesized  that  addition  of  downstream  products  of  ASAH2  may  rescue  the 

anti-proliferative  effects  of  C6-U-Cer.  GC  cell  lines  MKN  and  NCI-N87  were  treated  with  C6-U-Cer 

immediately followed by the addition of either ceramide, sphingosine, or S1P (

Figure 6C

)(

Supplemental 

Figure  5

).  Indeed,  the  addition  of  ceramide  did  not  affect  C6-U-Cer  toxicity  however  the  addition  of 

downstream  products  sphingosine  and  S1P  significantly  restored  GC  cell  viability.  These  data  suggest 

that  ASAH2  has  a  functional  role  in  the  survival  of  GC  cell  lines,  possibly  through  S1P  signaling.  GC 

patient-derived organoids (PDOs) more closely model an 

in vivo 

tumor as compared to 2D cell lines thus 

we treated GC PDOs with C6-U-Cer and determined that GC PDOs are similarly sensitive to the ASAH2 

inhibitor  (

Figure  6D

).  PDO  Patient  biopsy  information  (

Supplemental  Table  2

)  suggests  that  ASAH2 

inhibition is effective against primary and peritoneal cavity metastasis tumors.  These data support further 

investigation of ASAH2 inhibition as targeted therapy for GC. 

 

Stool microbial features distinguish HDGC patient stool from healthy donor stool 

The  microbiome  plays  a  significant  role  in  human  metabolism  and  are  diverse  symbionts  which 

may influence the composition of proteins in the stool(37). In an exploratory analysis, we  characterized 

the  HDGC  patient  microbiome  by  16S  rRNA  sequencing  of  HDGC  patient  and  healthy  donor  stool. 

Generalized  examination  of  the  bacterial  composition  was  done  by  hierarchical  clustering  (

Figure  7A

and Shannon entropy measurements of species richness and evenness (

Figure 7B

) which did not identify 

significant differences between the patient stool cohorts. However, comparisons of the relative abundance 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

19 

 

of  bacterial  families  in  the  stool  (

Figure  7C

)  identified  a  significant  increase  in  members  of  the 

Streptococcaceae

 family among HDGC-GC patient stool (

Figure 7D

) which aligns with observations in 

GC  patients(38).  Furthermore,  analysis  of  bacterial  species  abundance  between  patient  stool  cohorts 

identified  multiple  significantly  differentially  enriched  species  (

Figure  7E

). 

Phascolarctobacterium 

faecium

Ruminococcus bromii

, and 

Escherichia marmotae

 were significantly upregulated in HDGC-AR 

and HDGC-GC stool samples; meanwhile, 

Bacteroides xylanisolvens

 and 

Metalysinibacillus jejuensis

 are 

enriched  in  the  stool  of  healthy  donors.  These  data  highlight  several  microbiome  trends  in  HDGC  and 

healthy  donor  stool  and  suggests  that  the  stool  microbiome  may  be  a  potential  indicator  as  HDGC 

biomarkers.  

 

DISCUSSION 

Our  study  reports  the  identification  of  stool  protein  biomarkers  in  mouse  models  of  GC  and 

HDGC  patients  through  an  unbiased  proteomic  mass  spectrometry  approach.  The  difficulty  of  studying 

biomarkers for DGC is the spontaneous nature of the disease and the advanced stage at which GC patients 

are  diagnosed.  Our  GC  mouse  model  serves  as  a  valuable  platform  for  discovery.  The  TCON  mouse 

model of mixed-type GC reliably develops GC at established kinetics which allowed us to optimize and 

validate  stool  mass  spectrometry  for  the  discovery  of  proteins in  the  stool  which  correlate  with  disease. 

We  leveraged  our  mass  spectrometry  conditions  to  analyze  the  stool  of  HDGC  patients  who  reliably 

develop DGC and are routinely monitored for GC tumorigenesis. Immunoblot analysis validated protein 

candidates  enriched  in  stool  from  TCON  mice  and  HDGC  patients,  confirming  a  correlation  between 

disease  and  protein  upregulation.  Additionally,  many  biomarkers  overlapped  between  TCON  mice  and 

HDGC patients, suggesting a conserved feature of GC tumorigenesis in which proteins are enriched in the 

GI  tract  and  ultimately  end  up  in  the  stool.  Our  mouse  and  human  data  offer  proof  of  principle  for 

coupling preclinical systems and annotated patient cohorts to optimize detection strategies.  We examine 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

20 

 

for  the  first  time,  the  stool  proteome  in  HDGC  patients  and  nominate  several  candidate  proteins  as 

biomarkers for disease detection.  

The  identification  of  proteins  known  to  promote  GC  tumorigenesis  such  as  ACTN4(39), 

DPP4(40),  and  VCP(41)  validates  our  unbiased  approach;  however,  a  subset  of  proteins  have  not  been 

previously  associated  with  GC.  These  potentially  represent  proteins  with  undiscovered  roles  in  GC 

tumorigenesis.  Due  to  the  prevalence  of  S1P  in  tumor  biology,  identification  of  ASAH2  as  a  stool 

biomarker motivated further characterization of its role in GC. Studies characterizing the pro-tumorigenic 

functions  of  ASAH2  include  protecting  myeloid  derived  suppressor  cells  from  ferroptosis(42)  and  its 

importance  in  colorectal  cancer  tumorigenesis(43).  Here  we  demonstrate  that  ASAH2  activity  is 

important in the proliferation of GC cell lines and PDOs derived from a primary tumor and a peritoneal 

cavity  metastasis.  Further  studies  will  determine  if  ASAH2  may  be  a  therapeutic  target  for  GC; 

nonetheless, its importance in GC cell lines 

in vitro

 is promising as validation for the proteins identified 

from our unbiased stool biomarker study. 

We  observed  a  subset  of  our  stool  protein  biomarkers,  originally  discovered  in  GC,  to  correlate 

with  tumorigenesis in multiple mouse  models  of GI cancer.  ACTN4 and  DPP4 have  been implicated in 

the tumorigenesis of multiple tumor types including GC, EAC, and CRC(44,45); therefore, it is possible 

that  these  proteins  may  act  as  stool biomarkers  for  multiple  GI  cancers.  Another  explanation  is  that  the 

presence of the GI tumor induces non-tumor cells along the GI tract to behave differently, resulting in the 

changes  in  stool  protein  levels  and  thus  the  diverse  correlations  with  our  GC  biomarker  panel  with 

multiple  GI  tumor  types.  More  studies  need  to  be  done  to  determine  the  organ(s)  and  cell  type(s) 

responsible for mediating the stool biomarkers.  

Mass  spectrometry  studies  of  the  GC  tumor  proteome  from  patient  biopsies  have  identified 

differentially expressed proteins  and potential biomarkers(31,46–48); however,  our  stool biomarkers are 

not  among  their  most  upregulated  proteins.  One  explanation  is  that  proteins  enriched  in  GC  tumors  are 

abundantly  expressed  by  healthy  tissue  throughout  the  GI  tract,  limiting  its  usefulness  as  a  stool 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

21 

 

biomarker. Additionally, GC specific proteins may be metabolized by the host or microbiome, preventing 

their accumulation in the GI tract and stool. Our approach avoids these and other unknown variables by 

quantifying protein species directly from stool. This is highlighted by our immunofluorescence images of 

mouse  stomachs  (

Figure  3B

)  which  did  not  detect  statistical  difference  between  control  and  TCON 

stomach  expression  levels  of  ASAH2  and  VCP;  however,  stool  protein  levels  show  robust  correlation. 

The  mechanisms  regulating  the  accumulation  and  stability  of  our  stool  biomarker  proteins  through  the 

digestive  process  have  not  yet  been  elucidated.  We  hypothesize  the  possibility  that  some  biomarker 

proteins  are  protected  in  membrane  bound  extracellular  vesicles  which  escort  the  proteins  through  the 

digestive system. Our future studies will aim to identify how the biomarker proteins survive degradative 

pressures in the GI tract. 

Our  exploratory  analysis  of  the  HDGC  stool  microbiome  characterized  microbial  features  which 

distinguish donors based on disease state. We hypothesize that these bacteria may influence the presence 

and  stability  of  proteins  in  the  GI  tract,  therefore  altering  the  stool  protein  composition.  Interestingly,  

several  bacterial  species  which  correlated  in  the  stool  from  non-GC  donors  have  been  shown  to  be 

enriched  in  cancer  patients  who  respond  to  anti-PD1  therapy: 

P.faecium

(49), 

B.xylanisolvens

(50),  and 

R.bromii

(51). Additionally, we found 

E.marmotae

, a potential enteric human pathogen(52), to be enriched 

in the stool of GC-confirmed HDGC patients. The functional significance of these microbial features and 

whether  the  microbiome  influences  the  availability  of  protein  biomarkers  remain  as  topics  for  future 

studies;  however,  our  data  suggest  that  the  microbial  features  themselves  may  be  further  studied  as 

potential biomarkers of GC. 

Our  study  focuses  on  characterizing  stool  proteins  upregulated  in  the  context  of  GC;  however, 

downregulated stool proteins may also serve as potential indicators of disease. Interestingly, many of the 

downregulated stool proteins we identified are digestive enzymes. It has been shown that loss of normal 

digestive function is associated with GC(53), which reflects the reduced abundance of digestive enzymes 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

22 

 

in our stool proteome findings. The stool proteins we identified to be downregulated in the context of GC 

may indicate a healthy state and remains a prospective area of study. 

The  stool  protein  biomarkers  identified  in  this  study  which  correlate  with  disease  in  HDGC 

patients have potential clinical implications for the early detection of GC. However, we could not validate 

many  of  our  top  hits  due  to  the  lack  of  commercially  available  antibodies.  The  use  of  diagnostic  mass 

spectrometry  may  avoid  the  problem  of  antibody  availability  and  is  a  promising  area  of  study.  

Nonetheless, assaying our validated panel of candidate biomarker proteins in stool samples suggests the 

possibility for high throughput routine testing of individuals at high risk for GC to inform them when an 

endoscopy  is  warranted.  These  populations  include  those  infected  with 

H.pylori

,  ethnicities  which  are 

prone to developing GC, and families with history of or individuals with known genetic predispositions to 

developing  GC.  Additionally,  these  stool  biomarkers  may  have  the  potential  to  serve  as  indicators  of 

patient response to tumor therapies, which are currently assessed by arduous tumor biopsies. 

Limitations of the study 

This  study  had  a  limited  number  of  stool  donors  from  the  Boston  area.  Further  studies  are  needed  to 

expand our observations to more populations. 

Concluding remarks 

Through an unbiased mass spectrometry screen of stool, we demonstrate the potential of stool biomarkers 

as  indicators  of  disease  in  HDGC  patients  and  GC  mouse  models.  The  overlap  of  biomarkers  between 

mouse  and  human  stool  suggests  conserved  features  of  stool  biomarker  enrichment  and  supports  the 

possibility of characterizing this phenomenon in the TCON mouse model.  

Acknowledgements 

We thank Joy Hang Che for data analysis advice. We thank Yasmin Kadry and Nancy Shek for engaging 

topic-related 

discussion. 

Heat 

map 

analysis 

performed 

on 

Morpheus 

(https://software.broadinstitute.org/morpheus).  Histology  and  immunofluorescence  analysis  of  mouse 

stomachs  was  performed  by  the  Molecular  Pathology  Shared  Resource  at  the  Herbert  Irving 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

23 

 

Comprehensive  Cancer  Center  at  Columbia  University  Irving  Medical  Center.  This  research  was 

supported  by  a  Stand  Up  to  Cancer  Gastric  Cancer  Interception  Research Team  Grant  (Grant  Number: 

SU2C-AACR-DT-30-20) Award (A.T. Chan, D.A. Drew, S.J. Klempner, J. Lee, S. Ryeom). This research 

grant is administered by the American Association for Cancer Research, the Scientific Partner of SU2C. 

The DeGregorio Family Foundation (S.J. Klempner). This paper was supported by SKKU Excellence in 

Research  Award  Research  Fund,  Sungkyunkwan  University,  2022  (J.  Lee).  D.A.  Drew  is  supported  by 

National  Institutes  of  Health  award  K01DK012.  A.T.  Chan  is  an  American  Cancer  Society  Clinical 

Research Professor and supported by R35 CA253185. H. Wang acknowledges funding support from the 

NIH  NCI  (Grant  no.  1R01CA272898).  G.Urtecho  was  supported  by  the  HHMI  Hanna  H.  Gray 

Postdoctoral Fellowship (GT15182). 

 

 

 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

24 

 

REFERENCES 

1.  

WHO IARC. Cancer today [Internet]. 2020 [cited 2023 Apr 13]. Available from: http://gco.iarc.fr/today/home 

2.  

American Cancer Society. Stomach (Gastric) Cancer Survival Rates [Internet]. 2022 [cited 2023 Apr 13]. 
Available from: https://www.cancer.org/cancer/stomach-cancer/detection-diagnosis-staging/survival-
rates.html 

3.  

Huang RJ, Koh H, Hwang JH, Summit Leaders. A Summary of the 2020 Gastric Cancer Summit at Stanford 
University. Gastroenterology. 2020;159:1221–6.  

4.  

Lauren P. THE TWO HISTOLOGICAL MAIN TYPES OF GASTRIC CARCINOMA: DIFFUSE AND SO-CALLED 
INTESTINAL-TYPE CARCINOMA. AN ATTEMPT AT A HISTO-CLINICAL CLASSIFICATION. Acta Pathol Microbiol 
Scand. 1965;64:31–49.  

5.  

Cammerer G, Formentini A, Karletshofer M, Henne-Bruns D, Kornmann M. Evaluation of important 
prognostic clinical and pathological factors in gastric cancer. Anticancer Res. 2012;32:1839–42.  

6.  

Assumpção PP, Barra WF, Ishak G, Coelho LGV, Coimbra FJF, Freitas HC, et al. The diffuse-type gastric cancer 
epidemiology enigma. BMC Gastroenterol. 2020;20:223.  

7.  

Jencks DS, Adam JD, Borum ML, Koh JM, Stephen S, Doman DB. Overview of Current Concepts in Gastric 
Intestinal Metaplasia and Gastric Cancer. Gastroenterol Hepatol (N Y). 2018;14:92–101.  

8.  

Taja-Chayeb L, Vidal-Millán S, Trejo-Becerril C, Pérez-Cárdenas E, Chávez-Blanco A, Domínguez-Gómez G, et 
al. Hereditary diffuse gastric cancer (HDGC). An overview. Clin Res Hepatol Gastroenterol. 2022;46:101820.  

9.  

Roberts ME, Ranola JMO, Marshall ML, Susswein LR, Graceffo S, Bohnert K, et al. Comparison of CDH1 
Penetrance Estimates in Clinically Ascertained Families vs Families Ascertained for Multiple Gastric Cancers. 
JAMA Oncol. 2019;5:1325–31.  

10.   Qian C, Ju S, Qi J, Zhao J, Shen X, Jing R, et al. Alu-based cell-free DNA: a novel biomarker for screening of 

gastric cancer. Oncotarget. 2017;8:54037–45.  

11.   Cohen JD, Li L, Wang Y, Thoburn C, Afsari B, Danilova L, et al. Detection and localization of surgically 

resectable cancers with a multi-analyte blood test. Science. 2018;359:926–30.  

12.   Iwasaki H, Shimura T, Yamada T, Okuda Y, Natsume M, Kitagawa M, et al. A novel urinary microRNA 

biomarker panel for detecting gastric cancer. J Gastroenterol. 2019;54:1061–9.  

13.   Li F, Yoshizawa JM, Kim K-M, Kanjanapangka J, Grogan TR, Wang X, et al. Discovery and Validation of Salivary 

Extracellular RNA Biomarkers for Noninvasive Detection of Gastric Cancer. Clin Chem. 2018;64:1513–21.  

14.   So JBY, Kapoor R, Zhu F, Koh C, Zhou L, Zou R, et al. Development and validation of a serum microRNA 

biomarker panel for detecting gastric cancer in a high-risk population. Gut. 2021;70:829–37.  

15.   Shimura T, Dayde D, Wang H, Okuda Y, Iwasaki H, Ebi M, et al. Novel urinary protein biomarker panel for 

early diagnosis of gastric cancer. Br J Cancer. 2020;123:1656–64.  

16.   Xiao H, Zhang Y, Kim Y, Kim S, Kim JJ, Kim KM, et al. Differential Proteomic Analysis of Human Saliva using 

Tandem Mass Tags Quantification for Gastric Cancer Detection. Sci Rep. 2016;6:22165.  

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

25 

 
17.   Qiao S-X, Yuan M, Liu Y-L, Lin X-S, Zhang X-P, Tobi M. Detection of gastric cancer and premalignant lesions by 

novel marker glycoprotein 87 using monoclonal antibody Adnab-9. Cancer Epidemiol Biomarkers Prev. 
2003;12:1095–9.  

18.   Zhang B, Chen J-Y, Chen D-D, Wang G-B, Shen P. Tumor type M2 pyruvate kinase expression in gastric 

cancer, colorectal cancer and controls. World J Gastroenterol. 2004;10:1643–6.  

19.   Till JE, Yoon C, Kim B-J, Roby K, Addai P, Jonokuchi E, et al. Oncogenic KRAS and p53 Loss Drive Gastric 

Tumorigenesis in Mice That Can Be Attenuated by E-Cadherin Expression. Cancer Res. 2017;77:5349–59.  

20.   Wang P, Yuan Y, Lin W, Zhong H, Xu K, Qi X. Roles of sphingosine-1-phosphate signaling in cancer. Cancer 

Cell International. 2019;19:295.  

21.   Quante M, Bhagat G, Abrams JA, Marache F, Good P, Lee MD, et al. Bile acid and inflammation activate 

gastric cardia stem cells in a mouse model of Barrett-like metaplasia. Cancer Cell. 2012;21:36–51.  

22.   Shin AE, Tesfagiorgis Y, Larsen F, Derouet M, Zeng PYF, Good HJ, et al. F4/80+Ly6Chigh Macrophages Lead to 

Cell Plasticity and Cancer Initiation in Colitis. Gastroenterology. 2023;164:593-609.e13.  

23.   Boj SF, Hwang C-I, Baker LA, Chio IIC, Engle DD, Corbo V, et al. Organoid Models of Human and Mouse Ductal 

Pancreatic Cancer. Cell. 2015;160:324–38.  

24.   Baniasad M, Kim Y, Shaffer M, Sabag-Daigle A, Leleiwi I, Daly RA, et al. Optimization of proteomics sample 

preparation for identification of host and bacterial proteins in mouse feces. Anal Bioanal Chem. 
2022;414:2317–31.  

25.   Caruso R, Ono M, Bunker ME, Núñez G, Inohara N. Dynamic and Asymmetric Changes of the Microbial 

Communities after Cohousing in Laboratory Mice. Cell Rep. 2019;27:3401-3412.e3.  

26.   Lichtman JS, Marcobal A, Sonnenburg JL, Elias JE. Host-centric proteomics of stool: a novel strategy focused 

on intestinal responses to the gut microbiota. Mol Cell Proteomics. 2013;12:3310–8.  

27.   Barra WF, Moreira FC, Pereira Cruz AM, Khayat AS, Calcagno DQ, Carneiro Dos Santos NP, et al. GEJ cancers: 

gastric or esophageal tumors? searching for the answer according to molecular identity. Oncotarget. 
2017;8:104286–94.  

28.   Fukumoto M, Kurisu S, Yamada T, Takenawa T. α-Actinin-4 Enhances Colorectal Cancer Cell Invasion by 

Suppressing Focal Adhesion Maturation. PLoS One. 2015;10:e0120616.  

29.   Lam CS-C, Cheung AH-K, Wong SK-M, Wan TM-H, Ng L, Chow AK-M, et al. Prognostic significance of CD26 in 

patients with colorectal cancer. PLoS One. 2014;9:e98582.  

30.   Chen J, Huang X-F. The signal pathways in azoxymethane-induced colon cancer and preventive implications. 

Cancer Biol Ther. 2009;8:1313–7.  

31.   Ge S, Xia X, Ding C, Zhen B, Zhou Q, Feng J, et al. A proteomic landscape of diffuse-type gastric cancer. Nat 

Commun. 2018;9:1012.  

32.   Zeng Y, Yao X, Chen L, Yan Z, Liu J, Zhang Y, et al. Sphingosine-1-phosphate induced epithelial-mesenchymal 

transition of hepatocellular carcinoma via an MMP-7/syndecan-1/TGF-β autocrine loop. Oncotarget. 
2016;7:63324–37.  

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

26 

 
33.   Nagahashi M, Yamada A, Katsuta E, Aoyagi T, Huang W-C, Terracina KP, et al. Targeting the 

SphK1/S1P/S1PR1 Axis That Links Obesity, Chronic Inflammation, and Breast Cancer Metastasis. Cancer Res. 
2018;78:1713–25.  

34.   Markowski AR, Żbikowski A, Zabielski P, Chlabicz U, Sadowska P, Pogodzińska K, et al. The Effect of Silencing 

the Genes Responsible for the Level of Sphingosine-1-phosphate on the Apoptosis of Colon Cancer Cells. 
International Journal of Molecular Sciences. Multidisciplinary Digital Publishing Institute; 2023;24:7197.  

35.   Bi Y, Li J, Ji B, Kang N, Yang L, Simonetto DA, et al. Sphingosine-1-Phosphate Mediates a Reciprocal Signaling 

Pathway between Stellate Cells and Cancer Cells that Promotes Pancreatic Cancer Growth. Am J Pathol. 
2014;184:2791–802.  

36.   Shida D, Kitayama J, Yamaguchi H, Yamashita H, Mori K, Watanabe T, et al. Sphingosine 1-phosphate 

transactivates c-Met as well as epidermal growth factor receptor (EGFR) in human gastric cancer cells. FEBS 
Letters. 2004;577:333–8.  

37.   Oliphant K, Allen-Vercoe E. Macronutrient metabolism by the human gut microbiome: major fermentation 

by-products and their impact on host health. Microbiome. 2019;7:91.  

38.   Yu D, Yang J, Jin M, Zhou B, Shi L, Zhao L, et al. Fecal Streptococcus Alteration Is Associated with Gastric 

Cancer Occurrence and Liver Metastasis. mBio. 2021;12:e0299421.  

39.   Liu X, Chu K-M. α-Actinin-4 promotes metastasis in gastric cancer. Lab Invest. 2017;97:1084–94.  

40.   Kushiyama S, Yashiro M, Yamamoto Y, Sera T, Sugimoto A, Nishimura S, et al. Dipeptidyl Peptidase-4 from 

Cancer-associated Fibroblasts Stimulates the Proliferation of Scirrhous-type Gastric Cancer Cells. Anticancer 
Res. 2022;42:501–9.  

41.   Yamamoto S, Tomita Y, Hoshida Y, Takiguchi S, Fujiwara Y, Yasuda T, et al. Expression level of valosin-

containing protein is strongly associated with progression and prognosis of gastric carcinoma. J Clin Oncol. 
2003;21:2537–44.  

42.   Zhu H, Klement J, Lu C, Redd PS, Yang D, Smith AD, et al. Asah2 represses the p53-Hmox1 axis to protect 

myeloid-derived suppressor cells from ferroptosis. J Immunol. 2021;206:1395–404.  

43.   García-Barros M, Coant N, Kawamori T, Wada M, Snider AJ, Truman J-P, et al. Role of neutral ceramidase in 

colon cancer. FASEB J. 2016;30:4159–71.  

44.   Tentler D, Lomert E, Novitskaya K, Barlev NA. Role of ACTN4 in Tumorigenesis, Metastasis, and EMT. Cells. 

2019;8:1427.  

45.   Kawakita E, Koya D, Kanasaki K. CD26/DPP-4: Type 2 Diabetes Drug Target with Potential Influence on 

Cancer Biology. Cancers (Basel). 2021;13:2191.  

46.   Singh S, Bhat MY, Sathe G, Gopal C, Sharma J, Madugundu AK, et al. Proteomic Signatures of Diffuse and 

Intestinal Subtypes of Gastric Cancer. Cancers (Basel). 2021;13:5930.  

47.   Li X, Zheng N-R, Wang L-H, Li Z-W, Liu Z-C, Fan H, et al. Proteomic profiling identifies signatures associated 

with progression of precancerous gastric lesions and risk of early gastric cancer. EBioMedicine. 
2021;74:103714.  

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

27 

 
48.   Song Y, Wang J, Sun J, Chen X, Shi J, Wu Z, et al. Screening of Potential Biomarkers for Gastric Cancer with 

Diagnostic Value Using Label-free Global Proteome Analysis. Genomics Proteomics Bioinformatics. 
2020;18:679–95.  

49.   Gopalakrishnan V, Spencer CN, Nezi L, Reuben A, Andrews MC, Karpinets TV, et al. Gut microbiome 

modulates response to anti–PD-1 immunotherapy in melanoma patients. Science. 2018;359:97–103.  

50.   Routy B, Le Chatelier E, Derosa L, Duong CPM, Alou MT, Daillère R, et al. Gut microbiome influences efficacy 

of PD-1–based immunotherapy against epithelial tumors. Science. American Association for the 
Advancement of Science; 2018;359:91–7.  

51.   Hakozaki T, Richard C, Elkrief A, Hosomi Y, Benlaïfaoui M, Mimpen I, et al. The Gut Microbiome Associates 

with Immune Checkpoint Inhibition Outcomes in Patients with Advanced Non-Small Cell Lung Cancer. Cancer 
Immunol Res. 2020;8:1243–50.  

52.   Sivertsen A, Dyrhovden R, Tellevik MG, Bruvold TS, Nybakken E, Skutlaberg DH, et al. Escherichia marmotae-

a Human Pathogen Easily Misidentified as Escherichia coli. Microbiol Spectr. 2022;10:e0203521.  

53.   Maconi G, Manes G, Porro G-B. Role of symptoms in diagnosis and outcome of gastric cancer. World J 

Gastroenterol. 2008;14:1149–55.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

28 

 

Table 1: List of Proteins Altered in HDGC Patient Stool

 

The 20 most upregulated (blue, top) and downregulated (orange, bottom) stool proteins in HDGC donors 
(n=6) compared to healthy donors (n=6). 

Accession 

Coverage 

[%] 

Peptides 

Gene 

Symbol 

Ratio ALL 

HDGC/Healthy 

p-value 

P12273 

70 

10 

PIP 

10.19 

0.004 

P07951 

46 

18 

TPM2 

6.64 

0.006 

P02788 

75 

46 

LTF 

5.92 

0.005 

P06732 

26 

CKM 

5.74 

0.005 

P01036 

45 

CST4 

5.69 

0.158 

Q14315 

12 

24 

FLNC 

5.62 

0.038 

P14410 

34 

48 

SI 

5.41 

0.005 

P05976 

30 

MYL1 

5.33 

0.007 

P12883 

37 

83 

MYH7 

5.02 

0.027 

O14983 

17 

14 

ATP2A1 

4.02 

0.017 

Q13642 

17 

FHL1 

3.95 

0.021 

P03973 

39 

SLPI 

3.79 

0.013 

P12955 

28 

10 

PEPD 

3.63 

0.039 

P07339 

18 

CTSD 

3.57 

0.033 

Q9UKX3 

16 

38 

MYH13 

3.25 

0.000 

P09622 

19 

DLD 

3.18 

0.126 

P02766 

69 

12 

TTR 

3.09 

0.091 

A7E2Y1 

MYH7B 

2.98 

0.025 

P61626 

63 

LYZ 

2.86 

0.050 

P68032 

64 

26 

ACTC1 

2.82 

0.043 

 

Accession 

Coverage 

[%] 

Peptides 

Gene Symbol 

Ratio ALL 

HDGC/Healthy 

p-value 

P33778 

37 

HIST1H2BB 

0.37 

0.054 

P07148 

53 

FABP1 

0.39 

0.109 

Q6W4X9 

MUC6 

0.44 

0.036 

P35030 

19 

PRSS3 

0.51 

0.117 

P17538 

66 

14 

CTRB1 

0.51 

0.057 

P05451 

56 

10 

REG1A 

0.53 

0.315 

P80188 

49 

LCN2 

0.54 

0.205 

P19835 

19 

11 

CEL 

0.55 

0.120 

Q14CN2 

31 

24 

CLCA4 

0.58 

0.245 

P13646 

14 

KRT13 

0.60 

0.248 

Q03403 

64 

TFF2 

0.62 

0.335 

Q12864 

25 

13 

CDH17 

0.63 

0.207 

Q86UP6 

41 

16 

CUZD1 

0.64 

0.136 

P11277 

SPTB 

0.68 

0.281 

P04054 

66 

PLA2G1B 

0.70 

0.236 

P07355 

56 

17 

ANXA2 

0.71 

0.175 

Q8N6Q3 

29 

CD177 

0.72 

0.331 

A6NMY6 

38 

12 

ANXA2P2 

0.73 

0.195 

P08217 

87 

17 

CELA2A 

0.76 

0.394 

P13533 

30 

67 

MYH6 

0.77 

0.352 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

29 

 

FIGURE LEGENDS 

Figure 1. 

Validation of YFP reporter protein in gastric fluid and stool of TCON mice. (A) Measurement 

of DNA and protein concentration in the gastric lavage fluid of littermate control (n=5) and TCON (n=5) 

mice. Values are normalized to the average concentration of littermate control mice. Immunoblot analysis 

of littermate control (n=3) and TCON (n=3) mice (B) gastric lavage fluid and (C) stool. Band intensities 

are quantified and normalized to average intensity of littermate control mice. Parametric unpaired t-test 

analysis; *p≤0.05, **p≤0.01. 

Figure 2. 

Mass spectrometry identification and immunoblot validation of stool protein biomarkers in 

TCON mice. Stool from TCON (n=4) and littermate control (n=2) mice were collected and analyzed by 

protein mass spectrometry. (A) The top 10 proteins upregulated (blue) and downregulated (orange) in the 

stool of TCON mice are listed. (B) Immunoblot analysis of stool from TCON (n=6) and littermate 

controls (n=6) with quantified band intensities normalized to α-tubulin. Parametric unpaired t-test 

analysis; *p≤0.05, **p≤0.01. 

Figure 3.

 Characterization of TCON stool biomarkers. (A) Immunoblot assay of TCON mice (n=3) and 

littermate control (n=2) stool from 4-8 weeks of age. Quantified band intensities displayed normalized to 

α-tubulin. (B) Representative H&E images and immunofluorescence microscopy images of biomarkers 

ACTN4 and DPP4 in 6-week-old TCON and littermate control mice. Triplicate images for all biomarkers 

can be found in 

Supplemental Figure 2

. Fluorescence intensity of biomarker staining normalized to 

DAPI staining for control (blue) and TCON (red) mice quantified. Parametric unpaired t-test analysis; 

ns=not significant, *p≤0.05, **p≤0.01, *** p≤0.001. 

Figure 4. 

GC stool biomarkers in mouse models of GI cancer. (A) Immunoblot analysis of stool from 

C57BL/6 mice with sub-cutaneous flank implantation of TCON-derived stomach tumor cells cultured 

in 

vitro

 2 and 4 weeks post implantation (post inj)(n=6). ‘TCON’ and ‘Control’ lanes indicate stool lysates 

from 8-week old mice previously analyzed for stool biomarkers. (B) Immunoblot analysis of stool from 

C57BL/6 mice untreated (n=3, Control, blue) or with orthotopic injection of TCON-derived stomach 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

30 

 

tumor cells cultured 

in vitro

 (n=6, red). Representative luciferase activity of 3 GC-bearing mice at the 

time of stool collection 2 weeks after implantation. (C) Immunoblot analysis of stool from a mouse model 

of EAC untreated (n=3, Control, blue) or treated with MNU and DCA (n=6, EAC, red). (D) Immunoblot 

analysis of stool from mice treated with AOM (n=5, red) and healthy control mice (n=5, blue). Parametric 

unpaired t-test analysis; *p≤0.05. 

Figure 5. 

Validation of stool biomarkers that correlate with HDGC. (A) Immunoblot assay validation of 

proteins identified by mass spectrometry. (B) Analysis of HDGC biomarker proteins in DGC patients’ 

tumor (red, n=84) and healthy adjacent tissue (HAT, blue, n=84) from published study

32

. Parametric 

unpaired t-test analysis; ns=not significant, *p≤0.05, **p≤0.01, **** p≤0.001. (C) Dot blot assay of 

HDGC biomarker proteins in stool. 

Figure 6. 

The role of ASAH2 in GC progression. (A) Various GC cell lines (MKN45, NCI-N87, and 

AGS) were incubated with neutral ceramidase inhibitor C6 urea ceramide (C6-U-Cer) at various 

concentrations as indicated for 3 days.  (B) GC cell lines (MKN45 and NCI-N87) were incubated with 

ceramidase inhibitors (C6-U-Cer for neutral ceramidase, D-erythro-MAPP for alkaline ceramidases, and 

ARN14988 for acid ceramidase) at various concentrations as indicated for 3 days. (C) A diagram of the 

ceramide to S1P synthesis pathway is shown. GC cell lines (MKN45 and NCI-N87) were incubated with 

3µM C6-U-Cer immediately followed by vehicle or 9µM of one of the following: C6 ceramide 

(d18:1/6:0), sphingosine (d18:1), or S1P (d18:1). Drugs were incubated for 3 days. Parametric unpaired t-

test analysis; ns=not significant, **p≤0.01, *** p≤0.001. (D) Brightfield microscopy images of 

CCLF_UPGI_0008_T (PDO 008) and CCLF_UPGI_0061_T (PDO 061) GC PDOs after DMSO or C6-U-

Cer (20µM)  treatment. Graph indicates GC PDO viability after incubation with indicated concentrations 

of C6-U-Cer for 3 days. 

Figure 7

. Bacterial microbiota analysis of HDGC patient stool. (A) Hierarchical clustering of 16S rRNA 

composition of patient stool: Healthy (H), HDGC-AR (AR), HDGC-GC (GC). (B) Normalized Shannon 

Entropy analysis of bacterial populations in stool. (C) Relative abundance of bacterial families found in 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

31 

 

the patient stool data. (D) Relative abundance of Streptococcaceae family bacteria between stool from 

Healthy (H), HDGC-AR (AR), HDGC-GC (GC) donors. (E) Abundance of individual operational 

taxonomic units (OTUs) averaged over all members of each cohort. Differential abundance analysis of 

OTUs identified from 16S rRNA sequencing data. Table indicates predicted species according to BLAST 

using default parameters. 

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024

capr-23-0449-html.html
background image

Downloaded from http://aacrjournals.org/cancerpreventionresearch/article-pdf/doi/10.1158/1940-6207.CAPR-23-0449/3448310/capr-23-0449.pdf by CDL - University of California - San Diego user on 01 May 2024