Depletion of aneuploid cells in epithelial tissues is shaped by cell-to-cell interactions

Abstract

[eng] Aneuploidy, the major cause of miscarriages, is pervasive in early human embryos, and later in life, it correlates with pathological conditions including cancer and other ageing-related conditions. At the cellular level, both gains and losses of chromosome are deleterious and result in growth defects. At the organismal level, almost all trisomies and monosomies are lethal and those that are compatible with life are associated with severe developmental defects. Surprisingly, 80% of blastocysts are reported to be aneuploid mosaics. In disease, aneuploidy is present in 90% of human solid tumors, it confers selective advantage to cancer cells and significantly contributes to tumorigenesis. Identification of the mechanisms underlying the elimination of aneuploid cells is therefore relevant in development and disease. Since aneuploid cells in vivo generally emerge as a consequence of missegregation events during cell division, it is often found in mosaics. One mechanism that has been proposed to participate in the recognition and elimination of aneuploid cells to ensure correct development and tissue homeostasis in cell competition, a process were difference in fitness are sensed and less fit cells are actively eliminated by fitter cells. In order to study aneuploidy it is crucial to dispose of good experimental models. In particular, sequence-specific methods allow to differentiate between general and karyotype-specific effects of gene dosage imbalance. Unfortunately, such strategies have been developed mainly in vitro therefore lacking the ability to characterize the impact of the interaction between aneuploid and wild type cells. Here, we developed a strategy based on the Flp/FRT sequence-specific recombination system to generate labelled segmental aneuploid cells within epithelial tissues of Drosophila. We generated cells carrying molecularly defined segmental monosomies and trisomies and characterized their immediate impact on cellular behavior, growth and survival. Our data reveal signs of out-competition of cells carrying monosomies in genomic regions devoid of previously known haploinsufficient genes due to newly identified haploinsufficient genes or to cumulative haploinsufficiency. Notably, these mechanisms of cell competition rely on distinct molecular pathways, namely Xrp1-mTor-dependent or -independent cell competition. By simultaneously inducing cells carrying monosomies and trisomies of the same genomic location, we present evidence that segmental trisomies potentiate or alleviate the negative effects of the monosomy on growth. We describe a case of supercompetition of the trisomies, that overgrows respect to control cells at the expenses of the monosomic cells, and a case of growth compensation, where trisomic cells induce compensatory proliferation of otherwise outcompeted monosmies. Furthermore, we describe two triplosensitive regions. Overall, our results reveal that the genome is full of dosage-sensitive loci and uncover a key role of cell interactions and specifically of cell competition in defining the in vivo elimination of aneuploid cells.

[cat] La aneuploïdia es la principal causa d’avortaments espontanis i és molt present en els embrions humans durant les primeres etapes del desenvolupament. També més endavant s’associa amb condicions patològiques com el càncer i altres malalties relacionades amb l’envelliment com malalties neurodegeneratives. Tant els guanys (trisomía) com les pèrdues (monosomía) de cromosomes són perjudicials i provoquen defectes significatius de creixement o letalitat en la majoria dels casos. Sorprenentment, un 80% dels blastocists són mosaics aneuploides. En el context de les malalties, l’aneuploïdia és present en el 90% dels tumors sòlids humans, contribueix significativament a la tumorogènesi. Identificar els mecanismes que permeten l’eliminació de cèl·lules aneuploides és fonamental tant en el desenvolupament com en el context de la malaltia. In vivo, les aneuploïdies sovint apareixen com a conseqüència d’errors en la segregació cromosòmica durant la divisió cel·lular, fet que resulta en mosaicisme. Un dels mecanismes proposats per mantenir l’homeòstasi tissular és la competició cel·lular. Aquest procés implica detectar diferències en la capacitat de supervivència entre cèl·lules, permetent que les menys competitives siguin eliminades activament per les més competitives. Per estudiar l’aneuploïdia, és essencial disposar de models experimentals robustos i adequats. Els mètodes seqüència-específics permeten diferenciar entre efectes generals i efectes específics d’un cariotip concret causats per desequilibris en la dosi gènica. Malauradament, aquestes estratègies s’han desenvolupat principalment in vitro, limitant la capacitat d’investigar l’impacte de les interaccions entre cèl·lules aneuploides i salvatges dins d’un teixit viu. En aquest treball, hem desenvolupat una estratègia basada en el sistema Flp/FRT per generar cèl·lules segmentalment aneuploides marcades dins de teixits epitelials de Drosophila. També hem explorat com els desequilibris genòmics impacten en processos específics relacionats amb el desenvolupament tissular. Hem creat cèl·lules amb monosomies i trisomies segmentals molecularment definides, caracteritzant l’impacte d’aquestes anomalies en el comportament cel·lular, el creixement i la supervivència. Els nostres resultats mostren signes clars de competició cel·lular desfavorable per a cèl·lules amb monosomies en regions genòmiques sense gens haploinsuficients prèviament coneguts. Això suggereix l’existència de nous gens haploinsuficients o haploinsuficiència acumulativa. Aquests mecanismes es basen en vies moleculars diferents, incloent mecanismes dependents o independents de Xrp1-mTor. També hem descobert que les trisomies poden potenciar o mitigar els efectes negatius de les monosomies en el creixement. Hem descrit un cas de supercompetència, en què les cèl·lules trisòmiques creixen a costa de les monosòmiques, i un cas de compensació de creixement, on les cèl·lules trisòmiques indueixen proliferació compensatòria de les monosomies que, d’una altra manera, serien eliminades. Finalment, hem identificat dues regions triplosensibles que contribueixen significativament a aquests fenòmens. En conjunt, els nostres resultats posen de manifest que el genoma conté nombrosos loci sensibles a la dosi gènica i que les interaccions cel·lulars tenen un paper central en la sort de les cèl·lules aneuploides in vivo. Això reforça la rellevància de la competició cel·lular com a mecanisme clau per mantenir l’homeòstasi tissular i eliminar cèl·lules anòmales.