Genetic, region-specific and environmental factors induce DNA Damage Response and dysplasia in the aging Drosophila midgut

Abstract

Τα έντερα των θηλαστικών και των εντόμων εκτίθενται συνεχώς σε παθογόνους και στρεσογόνους παράγοντες που τα καθιστούν επιρρεπή σε βλάβη, φλεγμονή και ογκογένεση. Η δυσπλασία του εντέρου προηγείται και μπορεί να είναι αιτία ογκογένεσης, ωστόσο, είναι ανιχνεύσιμη μόνο με ιστοπαθολογική ανάλυση σε ηλικιωμένα άτομα. Χρησιμοποιώντας την Drosophila σαν μοντέλο αυθόρμητης εντερικής δυσπλασίας και ογκογένεσης, έδειξα ότι η δυσπλασία ξεκινά νωρίς στην ενήλικη ζωή και εξελίσσεται γρήγορα και στα δύο φύλα. Η προοδευτική δυσπλασία συσχετίζεται θετικά στις θηλυκές και στις αρσενικές μύγες με τη μιτωτική δραστηριότητα. Αυτό συμφωνεί με την καλά εδραιωμένη συσχέτιση μεταξύ των διαιρέσεων των βλαστοκυττάρων και του καρκίνου στον άνθρωπο. Ωστόσο, οι μηχανισμοί που οδηγούν την υψηλή μίτωση σε δυσπλασία και ογκογένεση παραμένουν ασαφείς. Η δουλειά μου αποκάλυψε ένα θεμελιώδες ελάττωμα στη διαφοροποίηση των κυττάρων του εντέρου της Drosophila που οδηγεί σε δυσπλασία και ογκογένεση. Αναγνώρισα δυσπλαστικά κύτταρα στο νεαρό έντερο της Drosophila που βρίσκονται σε κατάσταση ελαττωματικής διαφοροποίησης και σε διάφορους βαθμούς πλοειδίας. Επιπλέον, τα δυσπλαστικά κύτταρα σχηματίζουν συναθροίσεις σε όλο το έντερο, αλλά περισσότερο στις οπίσθιες περιοχές του που χρησιμεύουν ως εστίες για δυσπλασία και αυθόρμητο σχηματισμό όγκου. Κάνοντας μεταγραφική ανάλυση και συγκρίνοντας την πρόσθια περιοχή του εντέρου Α1, με τις περιοχές του οπίσθιου εντέρου, P1 και P4, σε νεαρές και ηλικιωμένες μύγες, εντόπισα γονίδια και σηματοδότικα μονοπάτια που ελέγχουν τη μίτωση και τη δυσπλασία των εντερικών βλαστοκυττάρων, συμπεριλαμβανομένων των γονιδίων των σηματοδότικων μονοπατιών JNK, ινσουλίνης και στόχου ραπαμυκίνης.

Μammalian and insect intestines are continuously exposed to pathogens and stress factors making them susceptible to damage, inflammation and tumorigenesis. Spontaneous colonic dysplasia precedes and may be causal to tumorigenesis, however, it is only detectable upon histopathological analysis in old individuals. Using a Drosophila model of spontaneous intestinal dysplasia and tumorigenesis, I showed that dysplasia starts early in adult life and progresses rapidly in both sexes. Progressive dysplasia is positively corelated in female and male flies with mitotic activity. This is in full agreement with the well-established correlation between stem cell divisions and cancer in humans. However, the mechanisms that drive high mitosis into dysplasia and tumorigenesis remain elusive. My work unraveled a fundamental flaw in the Drosophila midgut cell differentiation leading to dysplasia and tumorigenesis. I identified dysplastic cells in the young Drosophila midgut which are found in a miss-differentiation state and various degrees of ploidy. Moreover, dysplastic cells form clusters throughout the midgut, but posterior midgut regions serve as hotspots for dysplasia and spontaneous tumor formation. Performing transcriptomic analysis comparing the cold spot anterior midgut region, A1, with the hotspot posterior midgut regions, P1 and P4, in 4-day and 30-day old flies, I identified genes and pathways controlling Intestinal Stem Cell (ISC) mitosis and dysplasia, including JNK, Insulin and Target of Rapamycin (TOR) signalling pathways genes. Moreover, using the chemotherapy drugs rapamycin and floxuridine and yeast calorie restriction I managed to lower the progression of dysplasia and tumorigenesis during aging. Furthermore, JNK, a pathway involved in the intestinal stem cell (ISC) proliferation and dysplasia formation during aging, is activated in the hotspot midgut regions of female and male flies. Downregulation of the JNK pathway genes, including the ligand, eiger, and its receptors grinderwald and wengen reduced ISC mitosis and dysplasia. Another key factor contributing to dysplasia is Notch signaling. I found that strong Notch signaling safeguards midgut enteroblast differentiation into enterocyte, reducing dysplasia. Finally, I found that DNA damage response is not only active in tumors but is also a key attribute of progressive dysplasia.