• No results found

University of Groningen The consequences of aneuploidy and chromosome instability Schukken, Klaske Marijke

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "University of Groningen The consequences of aneuploidy and chromosome instability Schukken, Klaske Marijke"

Copied!
7
0
0

Bezig met laden.... (Bekijk nu de volledige tekst)

Hele tekst

(1)

University of Groningen

The consequences of aneuploidy and chromosome instability

Schukken, Klaske Marijke

DOI:

10.33612/diss.135392967

IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.

Document Version

Publisher's PDF, also known as Version of record

Publication date: 2020

Link to publication in University of Groningen/UMCG research database

Citation for published version (APA):

Schukken, K. M. (2020). The consequences of aneuploidy and chromosome instability: Survival, cell death and cancer. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.135392967

Copyright

Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Take-down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.

Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.

(2)

1

   

(3)

1

Chapter 1

General introduction

and chapter outlines

   

1

General Introduction and Chapter Outlines

 

 

 

(4)

8 CHAPTER 1     General Introduction  Chromosomal Instability (CIN) is the process that causes cells to change  their chromosome number or structure over time. The process of CIN can  lead to aneuploidy, which is defined as the presence of extra or missing  chromosomes in a cell. While related, CIN and aneuploidy are different  concepts1, as CIN is an ongoing process and aneuploidy is a state.   To better understand the differences between CIN and aneuploidy, imagine  a car factory. This factory uses an instruction manual to create cars.  However, if there is a faulty copy machine which produces copies of  manuals with extra or missing pages, the resulting car will also be affected;  there may be cars with extra wheels, or missing screws, with extra engines  or missing doors. Some of these cars might still be able to deal with their  alterations and drive on the road, but many others will not. In this scenario,  the bad copy machine which creates altered copies of the manual is CIN,  while the cars with extra or missing components are the aneuploid cells.   CIN and aneuploidy are generally detrimental to cell growth1–3, and almost  always cause lethality in embryonic development4–6. Despite this, 3 out of 4 

cancers are aneuploid7,8, CIN is considered a hallmark of cancer9,10, and 

patients with aneuploid cancers have a lower survival rate1,11–13.This 

seeming paradox can be better understood by carefully examining the  circumstances surrounding cell death or cell survival as a result of the CIN  phenotype. The fate of CIN and aneuploid cells are strongly influenced by  cell type14,15, grade and type of CIN14,16, the resulting aneuploid 

karyotype7,17, mutational background14,18–21, the immune system22,23 and 

whether cells reside in vivo vs in vitro 14,15,24,25 Part of the reason that CIN cancers are so difficult to target, is because CIN  is an ongoing source of change that allows for selection and evolution9,26. A  single CIN tumor can be made up of several different aneuploid clones27 which facilitates resistance to cancer therapies26,28, and tumor recursion29 Furthermore, CIN has been linked to chronic inflammation and  metastasis22,30. One potential method to target CIN cancers is by increasing  the rate of chromosome mis‐segregation to a level beyond what can be  tolerated by the cell population16,31,32. However, the level of CIN necessary  to kill cancer cells in vivo is not known, as there are no models to properly  measure CIN in living tissues. Furthermore, CIN tolerance is highly      dependent on the tissue type15,18, further complicating the efforts to target  CIN in vivo.    The aim of this thesis is to further explore the consequences of CIN and  aneuploidy, so as to better understand their role in cancer progression and  aid in the creation of cancer therapies targeting CIN and aneuploidy. We do  so by reviewing the differences between the two, showing that CIN and  aneuploid cells are vulnerable to different drugs, reporting on the  engineering of two novel mouse models to observe the occurrence and fate  of either CIN or aneuploid cells in vivo, and further exploring the tissue  specific consequences of CIN.     Thesis Outline 

In Chapter 2 the consequences of CIN and aneuploidy are reviewed1. While 

similar, CIN and aneuploidy are different concepts with different  consequences for the cell. This chapter further discusses the seeming  paradox of how aneuploidy and CIN are detrimental to cell growth and  function1–3, yet present in the majority of cancers7,8. Here we look at the 

effects of aneuploidy and the effects of CIN separately, and review how CIN  and aneuploidy are assessed in the field. Aneuploidy can be measured in  dead cells, making it easier to assess in cell culture and tissues. CIN, on the  other hand, can only be observed in actively proliferating cells, making it  much more difficult to examine in vivo with the mouse models currently  available.   In Chapter 3 we set up a screen in an effort to identify drugs which  selectively target CIN or aneuploid cells. A cohort of drug‐like molecules  which were either already being used in the clinic or are being evaluated in  clinical trials were applied to both control and stable aneuploid drugs. Cells  were grown and growth curves were analyzed relative to their cell line  controls to find drugs which selectively inhibited aneuploid cells. Then a  similar screen was set up with CIN cells; CIN was induced in otherwise  stable cells by knocking down Mad2, an essential part of the Spindle  Assembly Checkpoint (SAC). We found one drug that selectively inhibited  aneuploid cells, and two drugs that selectively inhibited CIN cells, and  followed up on one of the CIN‐targeting drugs, Bosutinib. This drug was  found to be a Src inhibitor33,34 which deregulated the spindle network and 

(5)

GENERAL INTRODUCTION AND CHAPTER OUTLINES 9

1

    General Introduction  Chromosomal Instability (CIN) is the process that causes cells to change  their chromosome number or structure over time. The process of CIN can  lead to aneuploidy, which is defined as the presence of extra or missing  chromosomes in a cell. While related, CIN and aneuploidy are different  concepts1, as CIN is an ongoing process and aneuploidy is a state.   To better understand the differences between CIN and aneuploidy, imagine  a car factory. This factory uses an instruction manual to create cars.  However, if there is a faulty copy machine which produces copies of  manuals with extra or missing pages, the resulting car will also be affected;  there may be cars with extra wheels, or missing screws, with extra engines  or missing doors. Some of these cars might still be able to deal with their  alterations and drive on the road, but many others will not. In this scenario,  the bad copy machine which creates altered copies of the manual is CIN,  while the cars with extra or missing components are the aneuploid cells.   CIN and aneuploidy are generally detrimental to cell growth1–3, and almost  always cause lethality in embryonic development4–6. Despite this, 3 out of 4 

cancers are aneuploid7,8, CIN is considered a hallmark of cancer9,10, and 

patients with aneuploid cancers have a lower survival rate1,11–13.This 

seeming paradox can be better understood by carefully examining the  circumstances surrounding cell death or cell survival as a result of the CIN  phenotype. The fate of CIN and aneuploid cells are strongly influenced by  cell type14,15, grade and type of CIN14,16, the resulting aneuploid 

karyotype7,17, mutational background14,18–21, the immune system22,23 and 

whether cells reside in vivo vs in vitro 14,15,24,25 Part of the reason that CIN cancers are so difficult to target, is because CIN  is an ongoing source of change that allows for selection and evolution9,26. A  single CIN tumor can be made up of several different aneuploid clones27 which facilitates resistance to cancer therapies26,28, and tumor recursion29 Furthermore, CIN has been linked to chronic inflammation and  metastasis22,30. One potential method to target CIN cancers is by increasing  the rate of chromosome mis‐segregation to a level beyond what can be  tolerated by the cell population16,31,32. However, the level of CIN necessary  to kill cancer cells in vivo is not known, as there are no models to properly  measure CIN in living tissues. Furthermore, CIN tolerance is highly      dependent on the tissue type15,18, further complicating the efforts to target  CIN in vivo.    The aim of this thesis is to further explore the consequences of CIN and  aneuploidy, so as to better understand their role in cancer progression and  aid in the creation of cancer therapies targeting CIN and aneuploidy. We do  so by reviewing the differences between the two, showing that CIN and  aneuploid cells are vulnerable to different drugs, reporting on the  engineering of two novel mouse models to observe the occurrence and fate  of either CIN or aneuploid cells in vivo, and further exploring the tissue  specific consequences of CIN.     Thesis Outline 

In Chapter 2 the consequences of CIN and aneuploidy are reviewed1. While 

similar, CIN and aneuploidy are different concepts with different  consequences for the cell. This chapter further discusses the seeming  paradox of how aneuploidy and CIN are detrimental to cell growth and  function1–3, yet present in the majority of cancers7,8. Here we look at the 

effects of aneuploidy and the effects of CIN separately, and review how CIN  and aneuploidy are assessed in the field. Aneuploidy can be measured in  dead cells, making it easier to assess in cell culture and tissues. CIN, on the  other hand, can only be observed in actively proliferating cells, making it  much more difficult to examine in vivo with the mouse models currently  available.   In Chapter 3 we set up a screen in an effort to identify drugs which  selectively target CIN or aneuploid cells. A cohort of drug‐like molecules  which were either already being used in the clinic or are being evaluated in  clinical trials were applied to both control and stable aneuploid drugs. Cells  were grown and growth curves were analyzed relative to their cell line  controls to find drugs which selectively inhibited aneuploid cells. Then a  similar screen was set up with CIN cells; CIN was induced in otherwise  stable cells by knocking down Mad2, an essential part of the Spindle  Assembly Checkpoint (SAC). We found one drug that selectively inhibited  aneuploid cells, and two drugs that selectively inhibited CIN cells, and  followed up on one of the CIN‐targeting drugs, Bosutinib. This drug was  found to be a Src inhibitor33,34 which deregulated the spindle network and 

(6)

10 CHAPTER 1     significantly increased CIN in SAC deficient cells. We found that this  synergistic toxicity is the result of increased CIN beyond a tolerable level  and may be a viable method to target CIN cancer cells in the future.    Chapter 4 covers the creation and initial validation experiments of a novel  mouse model called the “CIN tracker”. This mouse model allows for  inducible, tissue specific expression of three fluorophores to label key  mitotic processes: H2B‐GFP to label the chromatin, CenpB‐mCherry to label  kinetochores and mTurquoise2‐αTubulin to label the mitotic spindle,  respectively. Indeed, we succeeded in imaging a live mouse after inducing  fluorescence and observed H2B and tubulin expression within the  epidermis. This new mouse model will allow us to observe chromosome  segregation and mis‐segregation in vivo, and image cells over time to  monitor their fate after mis‐segregation in vivo.   The development of another mouse model, the “AneuTracker mouse”, is  described in Chapter 5. While the CIN tracker allows us to view  chromosome mis‐segregation during mitosis in vivo, AneuTracker mice  allow us to image the copy number state of one targeted chromosome in  interphase and immediately assess the copy number state of this  AneuTracker chromosome. To engineer this mouse model, we investigated  two techniques used to fluorescently label chromosome loci: Tetracycline  Repetitive Element (TRE) repeats combined with fluorescent tetR35, or  endogenous genomic repeats targeted by fluorescent dCas936,37. After  comparing the two techniques, we found that the TRE/tetR approach was  most feasible and therefore next engineered the AneuTracker mouse taking  this approach. We found that Mouse Embryonic Fibroblasts (MEFs) made  from these mice show clear foci within the nucleus when transduced with  fluorescent binding proteins.  In the future, this aneuploid model can be  used to observe aneuploidy in living tissues, and track the fate of aneuploid  cells over time.   We further investigate the consequences of CIN in vivo in Chapter 6. We  knockout the SAC to induce CIN in mammary tissue and find that this has no  effect on overall mouse survival. This is in accordance with previous studies  showing that some tissues can tolerate ongoing CIN long term15,38 Intriguingly, we find that the consequences of CIN in a tumor prone  background are highly dependent upon the type of CIN induction, as  different mutations can either accelerate or have no significant effect on  tumorigenesis. Next, we look at the consequences of inducing high grade      CIN by knocking out the SAC systemically in adult mouse. We find that  systemic inactivation of the SAC is acutely lethal to adult mice. While  several tissues were unaffected by four days of SAC alleviation, the  intestinal villi showed severe degradation leading to significant and acute  weight loss in the mice, presumably because this is one of the tissues with  the highest turnover of cells. We therefore conclude that the response to  CIN can vary dramatically per tissue type.   Finally, Chapter 7 summarizes and discusses the major findings of this work  and addresses the future research directions and potential applications of  our findings.      

(7)

GENERAL INTRODUCTION AND CHAPTER OUTLINES 11

1

    significantly increased CIN in SAC deficient cells. We found that this  synergistic toxicity is the result of increased CIN beyond a tolerable level  and may be a viable method to target CIN cancer cells in the future.    Chapter 4 covers the creation and initial validation experiments of a novel  mouse model called the “CIN tracker”. This mouse model allows for  inducible, tissue specific expression of three fluorophores to label key  mitotic processes: H2B‐GFP to label the chromatin, CenpB‐mCherry to label  kinetochores and mTurquoise2‐αTubulin to label the mitotic spindle,  respectively. Indeed, we succeeded in imaging a live mouse after inducing  fluorescence and observed H2B and tubulin expression within the  epidermis. This new mouse model will allow us to observe chromosome  segregation and mis‐segregation in vivo, and image cells over time to  monitor their fate after mis‐segregation in vivo.   The development of another mouse model, the “AneuTracker mouse”, is  described in Chapter 5. While the CIN tracker allows us to view  chromosome mis‐segregation during mitosis in vivo, AneuTracker mice  allow us to image the copy number state of one targeted chromosome in  interphase and immediately assess the copy number state of this  AneuTracker chromosome. To engineer this mouse model, we investigated  two techniques used to fluorescently label chromosome loci: Tetracycline  Repetitive Element (TRE) repeats combined with fluorescent tetR35, or  endogenous genomic repeats targeted by fluorescent dCas936,37. After  comparing the two techniques, we found that the TRE/tetR approach was  most feasible and therefore next engineered the AneuTracker mouse taking  this approach. We found that Mouse Embryonic Fibroblasts (MEFs) made  from these mice show clear foci within the nucleus when transduced with  fluorescent binding proteins.  In the future, this aneuploid model can be  used to observe aneuploidy in living tissues, and track the fate of aneuploid  cells over time.   We further investigate the consequences of CIN in vivo in Chapter 6. We  knockout the SAC to induce CIN in mammary tissue and find that this has no  effect on overall mouse survival. This is in accordance with previous studies  showing that some tissues can tolerate ongoing CIN long term15,38 Intriguingly, we find that the consequences of CIN in a tumor prone  background are highly dependent upon the type of CIN induction, as  different mutations can either accelerate or have no significant effect on  tumorigenesis. Next, we look at the consequences of inducing high grade      CIN by knocking out the SAC systemically in adult mouse. We find that  systemic inactivation of the SAC is acutely lethal to adult mice. While  several tissues were unaffected by four days of SAC alleviation, the  intestinal villi showed severe degradation leading to significant and acute  weight loss in the mice, presumably because this is one of the tissues with  the highest turnover of cells. We therefore conclude that the response to  CIN can vary dramatically per tissue type.   Finally, Chapter 7 summarizes and discusses the major findings of this work  and addresses the future research directions and potential applications of  our findings.      

Referenties

GERELATEERDE DOCUMENTEN

Chapter 2 discusses a possible role of aneuploidy in normal brain development and neurodegeneration, and reviews the studies investigating the presence or absence of aneuploid

While methods that can quantify aneuploidy rates in interphase cells can be used to circumvent this bias, most of these methods cannot detect aneuploidies at the single cell

In addition to these well-known roles of aneuploidy, chromosome copy number changes have also been reported in some studies to occur in neurons in healthy human brain and

Results: In the current study we used a novel single-cell whole genome sequencing (scWGS) approach to assess aneuploidy in isolated neurons from the frontal cortex of normal control

 Single-cell sequencing allows analysis of rare cell types such as circulating tumor cells  Single-cell sequencing may provide future applications in the diagnosis,

4) The CIN tracker mouse model can be used to assess and better understand the rates and types of chromosome mis-segregation taking place in vivo within living cells in

Kortom, aneuploïdie is nadelig voor gezonde cellen, maar kankercellen hebben mechanismen die ervoor zorgen dat ze aneuploïdie kunnen tolereren.. In dit proefschrift hebben we

PRMT5 accumulation in cytoplasmic granules increases upon aneuploidy in untransformed cells, suggesting that PRMT5 specifically responds to aneuploidy-induced stress. PRMT5 is