Genetic Dissection of Early Steps of - ETH E

DISS. ETH NO. 20922
Genetic Dissection of Early Steps of
Tumorigenesis in Drosophila Epithelia
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
KATARZYNA NOWAK
magister inżynier, Technical University of Lodz
born on July 11th, 1984
citizen of Poland
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Ernst Hafen
Prof. Dr. Wilhelm Krek
Prof. Dr. Michel Aguet
Zurich, 2013
1 SUMMARY Cancer is a fundamental scientific and societal problem. Vast resources have
been invested in unraveling the causes of cancer, in elucidating the
mechanisms of cancer progression, and in developing effective prevention
and treatment strategies. Unfortunately, at the stage of clinical detection,
tumors typically already consist of millions of genetically heterogeneous cells,
rendering any therapy a challenging endeavor. It is therefore important to
understand the earliest stages of tumorigenesis and to understand how single
cells lacking a particular tumor suppressor acquire the characteristics of
cancer.
Uncontrolled growth of cells due to mutations disturbs tissue homeostasis and
results in a microenvironment characterized by various environmental
stresses, most notably nutrient deficiency. In contrast to cells in a normal
tissue, pre-malignant cells deficient in tumor suppressors manage to
circumvent the starvation-induced growth constraints. Thus, the behavior of
cells lacking the tumor suppressors and the interface between pre-cancerous
and normal cells under different environmental stresses need to be elucidated
in order to understand the mechanisms of cancer initiation.
Using the Flp/FRT-mediated mitotic recombination system, I attempted to
mimic early events in tumor development by inducing mitotic clones of cells
mutant for the tumor suppressor genes PTEN and Tsc1 – encoding the
negative regulators of PI3K/PKB and TORC1 signaling – in developing
Drosophila epithelia. I studied their behavior under conditions of limited
nutrients. I could show that amino acid deficiency is a driver of differential
growth of wild-type and mutant cells. If wild-type cells are neighboring actively
growing cells that lack either PTEN or Tsc1 under condition of nutrient
starvation, the normal cells experience a severe growth retardation. This
4 allows the mutant cells to take over the space of wild-type cells and to
overproliferate, causing an overgrowth of the organ. The wild-type cells are
not eliminated by means of apoptosis but rather endure even harsher
microenvironmental starvation due to their mutant neighbors efficiently
withdrawing the limiting nutrients. As a consequence, the wild-type cells stop
growing and create permissive conditions for the expansion of the mutant
tissue.
The presented findings demonstrate how a microenvironment poor in
nutrients enhances the oncogenic potential of PTEN and Tsc1 mutant cells,
without the need of acquired secondary mutations.
2 ZUSAMMENFASSUNG Krebs ist ein zentrales wissenschaftliches und gesellschaftliches Problem.
Viel ist unternommen worden, um die Ursachen und das Fortschreiten von
Krebserkrankungen zu verstehen, sowie um effektive Präventions- und
Behandlungsmethoden zu entwickeln. Leider bestehen Tumoren, wenn sie in
Patienten entdeckt werden, bereits aus Millionen von genetisch sehr
unterschiedlichen Zellen, was jede Therapie zu einer Herausforderung
werden lässt. Deswegen ist es wichtig, die frühesten Stadien der
Tumorentstehung
zu
verstehen;
wie
eine
einzelne
Zelle,
der
ein
Tumorsuppressor fehlt, inmitten von normalen Zellen die Merkmale von Krebs
ausprägen kann.
Ungehemmtes Wachstum von Krebszellen zerstört die Gewebehomöostase
und führt zu einem Milieu, welches von Nährstoffmangel geprägt ist. Im
Gegensatz zu normalen Zellen sind die prä-malignen Zellen, denen ein
Tumorsuppressor fehlt, dazu in der Lage, wachstumslimitierende Schranken
zu umgehen. Daher ist es besonders wichtig, das Verhalten dieser Zellen
sowie die Vorgänge an der Grenze zwischen Krebs-Vorläuferzellen und
normalen
Zellen
unter
Stressbedingungen
kennenzulernen,
Mechanismen der Krebsentstehung besser zu verstehen.
5 um
die
Mit Hilfe des Flp/FRT Systems, welches mitotische Rekombination ermöglicht,
versuchte ich, die frühen Ereignisse der Tumorentstehung nachzuahmen. Ich
induzierte in wachsenden Epithelien von Drosophila Klone von Zellen, die
mutant sind für die Tumorsuppressorgene PTEN und Tsc1. PTEN und Tsc1
kodieren für die negativen Regulatoren der PI3K/PKB und TORC1
Signalwege. Ich analysierte das Verhalten der mutanten Zellpopulationen
unter Bedingungen limitierender Nährstoffe. Dabei habe ich bewiesen, dass
der Mangel an Aminosäuren, nicht eine sekundäre Mutation, einen selektiven
Stress auf die genetisch unterschiedlichen Zellpopulationen ausübt. Wenn
normale Zellen unter limitierenden Nährstoffbedingungen neben aktiv
wachsenden PTEN oder Tsc1 mutanten Zellen sind, werden sie akut im
Wachstum gehemmt. Dies erlaubt es den mutanten Zellen, ihren Platz
einzunehmen und sich dermassen auszubreiten, dass die übermässige
Proliferation zu einem vergrösserten Organwachstum führt. Die normalen
Zellen werden nicht durch Apoptose eliminiert; ihr Hungerzustand wird aber
dadurch verstärkt, dass die benachbarten mutanten Zellen die limitierten
Nährstoffe effizienter aufnehmen. Deshalb stellen die normalen Zellen das
Wachstum
praktisch
ein
und
ermöglichen
so
die
Ausbreitung
der
Tumorzellen.
Die vorgestellten Resultate zeigen, wie eine an Nährstoffen arme Umgebung
das onkogene Potential von PTEN und Tsc1 mutanten Zellen bereits ohne
weiterer sekundärer Mutationen erhöht.
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