The role of innate immunity and stress signalling pathways in intestinal proliferation, endoreplication and tumorigenesis

Abstract

Ο ανεξέλεγκτος κυτταρικός πολλαπλασιασμός και ο πολλαπλασιασμός του DNA που δεν συνοδεύεται από κυτταρική διαίρεση έχουν περιγραφεί εκτενώς στα καρκινικά κύτταρα. Δεδομένου ότι και τα δύο προαναφερθέντα φαινόμενα προκαλούνται από απορρυθμίσεις του κυτταρικού κύκλου, η εις βάθος κατανόηση της γενετικής και μοριακής τους βάσης είναι θεμελιώδους σημασίας για τη βιολογία του καρκίνου. Αρχικά, μελετήσαμε τη φαινοτυπική διακύμανση των μιτώσεων στο μεσέντερο της Drosophila melanogaster χρησιμοποιώντας μια σειρά αμιγών στελεχών αγρίου τύπου και ταυτοποιήσαμε μια συσχέτιση μεταξύ των μιτώσεων και της ικανότητας αντιμετώπισης βακτηριακών λοιμώξεων και δυσπλασιών. Στελέχη που παρουσιάζουν είτε υψηλή είτε χαμηλή μιτωτική ικανότητα μπορούν να διατηρήσουν την ομοιόσταση του ιστού. Επιπλέον, όταν η ικανότητα ανανέωσης των κυττάρων είναι περιορισμένη, τα διαφοροποιούμενα κύτταρα των στελεχών με χαμηλή μιτωτική ικανότητα υφίστανται πολλαπλασιασμό του DNA χωρίς να διαιρούνται, μια βιολογική διαδικασία που ορίζεται ως ενδοπολλαπλασιασμός και εξυπηρετεί στην αντιστάθμιση των κυτταρικών απωλειών και στην επιδιόρθωση του ιστού. Όσον αφορά στην ογκογένεση, αποδεικνύουμε ότι η ανεξέλεγκτη μίτωση των βλαστικών κυττάρων προδιαθέτει για την ανάπτυξη δυσπλασίας, η οποία με τη σειρά της υποβαθμίζει την άμυνα του ξενιστή. Οι συνεργάτες μου και εγώ ταυτοποιήσαμε το Eiger (Egr) ως ένα μιτογόνο που ελέγχει την εξισορρόπηση μεταξύ της μίτωσης και του ενδοπολλαπλασιασμού. Ο γενετικός χειρισμός της έκφρασης του Egr και η ποσοτικοποίηση του ενδοπολλαπλασιασμού στον ιστό, υποδεικνύουν ότι το Egr επιταχύνει τη μίτωση και την εμφάνιση δυσπλασίας εις βάρος του ενδοπολλαπλασιασμού. Ως εκ τούτου, η ρύθμιση της αναγεννητικής ικανότητας του οργανισμού μέσω του Egr ή και άλλων μιτογόνων, θα ήταν υψίστης σημασίας για την αντιμετώπιση γενετικής ποικιλομορφίας και του κινδύνου εμφάνισης καρκίνου του παχέος εντέρου. Ο καρκίνος του παχέος εντέρου αποτελεί την δεύτερη κύρια αιτία θανάτου στον δυτικό κόσμο. Η πολύπλοκη διαδικασία διείσδυσης των καρκινικών κυττάρων στους γειτονικούς ιστούς και η συνεπακόλουθη μετάστασή τους ευθύνονται για το 90% περίπου των θανάτων που σχετίζονται με τον καρκίνο. Ως εκ τούτου, η εύρεση νέων μοριακών δεικτών που αναπτύσσουν τα καρκινικά κύτταρα κατά τη μετάβασή τους σε κακοήθη, κρίνεται καίριας σημασίας. Με τη βοήθεια ανάλυσης του μεταγραφήματος των ογκογονικών εντεροκυττάρων του οπισθέντερου της Δροσόφιλας, εντοπίσαμε διαφορική έκφραση γονιδίων που κωδικοποιούν συστατικά των small Rho-GTPases και του Toll (NF-κB-like) ανοσολογικού μονοπατιού. Ακολούθως, πραγματοποιώντας γενετικό χειρισμό αυτών των διαφορικώς εκαφραζόμενων γονιδίων, αποδεικνύουμε ότι αυτά τα σηματοδοτικά μονοπάτια είναι απαραίτητα και ικανά για την μετανάστευση των εντεροκυττάρων του οπισθεντέρου. Προτείνουμε έναν μηχανισμό αμφίδρομης ρύθμισης μεταξύ των small Rho-GTPases και των Toll και JNK σηματοδοτικών μονοπατιών που επάγει μεταβολές στον κυτταροσκελετό της ακτίνης και προωθεί τη μετάβαση των κυττάρων του οπισθεντέρου από επιθηλιακά σε μεσεγχυματικά (epithelial-to-mesenchymal transition), μέσω της εξαρτώμενης από το Snail καταστολής της E-Cadherin. Σε αντίθεση με τις Rho-GTPases και το Toll σηματοδοτικό μονοπάτι, η σηματοδότηση μέσω του JNK δεν επαρκεί για να προκαλέσει κυτταρική αποκόλληση από τη βασική τους μεμβράνη. Παρ’ όλα αυτά, αποδεικνύουμε την ύπαρξη λειτουργικής αλληλεπίδρασης (cross-talk) ανάμεσα στη σηματοδότηση των Rho, Rac1, Toll και JNK που, πέραν των αναδιατάξεων του κυτταροσκελετού και των κυτταρικών συνδέσμων, αυξάνει την έκφραση της MMP1, οδηγώντας στην αποικοδόμηση της βασικής μεμβράνης και στην εισβολή σε γειτονικούς ιστούς.

Excessive cell proliferation and DNA replication without cell division have been widely described in cancer. Given that both phenomena are driven by misregulations of cell cycle, a thorough understanding of their genetic and molecular underpinnings is fundamental in cancer biology. Primarily, we dissected the phenotypic variation of Drosophila melanogaster midgut mitosis using an array of highly inbred wild-type strains and identified a correlation between mitosis and ability to cope with bacterial infection and dysplasia. Strains exhibiting either high or low mitotic potential can maintain tissue homeostasis. Moreover, when cell renewal capacity is limited, the differentiating cells of lowly mitotic strains undergo DNA replication without division, termed endoreplication, as a means to compensate for cell loss in tissue repair. With reference to oncogenesis, we demonstrate that excessive stem cell mitosis predisposes for dysplasia, which in turn compromises host defense. We identified Eiger (Egr) as a mitogen controlling the counterbalance between mitosis and endoreplication. Genetic manipulation of Egr expression and quantification of tissue endoreplication indicates that Egr accelerates mitosis and dysplasia to the expense of endoreplication. Modulating regeneration responses through Egr and other mitogens, could be of high significance in dealing with genetic variation and colorectal cancer (CRC) risk. CRC is the second leading cause of death in the western world. The complex process of cancer cell invasion into local tissues and concomitant metastasis accounts for ~90% of cancer related deaths. Thus, revealing novel molecular markers deployed by cancer cells in their transition to malignancy is paramount. Using transcriptomic analysis of the Drosophila oncogenic hindgut enterocytes, we identified differential expression in genes encoding components of small Rho-GTPases and the Toll (NF-κB-like) immune pathway. Following genetic manipulation of these differentially expressed genes, we demonstrate that these signalling pathways are necessary and sufficient for hindgut enterocyte dissemination. We propose a mechanism of cross-regulation among small Rho-GTPases and Toll and JNK pathway responses that facilitates actin cytoskeleton alterations and hindgut epithelial-to-mesenchymal transition through the Snail-depended E-cadherin repression. Unlike Rho-GTPases and the Toll signalling pathway, JNK signalling does not suffice to cause cell delamination. Nevertheless, we demonstrate the existence of a cross-talk among Rho, Rac1, Toll and JNK signalling that in addition to cytoskeletal and cell junction rearrangements upregulates MMP1 expression leading to basement membrane degradation and neighboring tissues invasion.