Induktion och diagnos av tumörer i<em> Drosophila</em> Imaginal Disc Epithelia
Summary
Mosaisk klonanalys i Drosophila imaginal disc epithelia är ett kraftfullt modellsystem för att studera de genetiska och cellulära mekanismerna av tumöresesen. Här beskriver vi ett protokoll för att inducera tumörer i Drosophila- vinge-imaginala skivor med hjälp av GAL4-UAS-systemet, och introducera en diagnosmetod för att klassificera tumörfenotyperna.
Abstract
I de tidiga stadierna av cancer uppvisar transformerade mutanta celler cytologiska abnormiteter, börjar okontrollerad överväxt och gradvis störar vävnadsorganisationen. Drosophila melanogaster har framkommit som ett populärt experimentellt modellsystem i cancerbiologi för att studera de genetiska och cellulära mekanismerna av tumörgenesen. I synnerhet möjliggör genetiska verktyg för Drosophila- imaginala skivor (utvecklande epitel i larver) skapandet av transformerade pro-tumörceller inom en normal epitelvävnad, en situation som liknar de inledande stadierna av mänsklig cancer. En nyligen genomförd studie av tumörgenesen i Drosophila- vinge-imaginala skivor visade emellertid att tumörinitiering beror på vävnadsinriktad cytoarkitektur och lokal mikromiljö, vilket tyder på att det är viktigt att överväga den regionspecifika mottagligheten för tumörgeneriska stimuli vid utvärdering av tumörfenotyper i imaginal skivor. För att underlätta fenotypisk analys av tumörprogressiPå imaginal-skivor beskriver vi här ett protokoll för genetiska experiment som använder GAL4-UAS-systemet för att inducera neoplastiska tumörer i vinge-imaginala skivor. Vi introducerar vidare en diagnosmetod för att klassificera fenotyperna av klonala lesioner inducerade i imaginal epithelia, eftersom en tydlig klassificeringsmetod för att diskriminera olika stadier av tumörprogression (såsom hyperplasi, dysplasi eller neoplasi) inte tidigare beskrivits. Dessa metoder kan vara brett tillämpliga på klonanalysen av tumörfenotyper i olika organ i Drosophila .
Introduction
Epitelvävnader är högorganiserade system som har den anmärkningsvärda homeostatiska förmågan att behålla sin organisation genom utveckling och cellomsättning. Detta robusta självorganiserande system störs dock progressivt under tumörutveckling. I början av tumörutveckling uppstår individuella mutantceller som uppstår vid onkogenaktivering eller tumör-suppressorgeninaktivering inom ett epitelskikt. När denna transformerade "pro-tumörcell" undviker en undertryckande miljö, stör epithelorganisationen och börjar okontrollerad proliferation, uppträder tumogeneses 1 . Under de senaste decennierna har framstående tekniska framsteg inom genetik och molekylärbiologi gjort märkliga framsteg på cancerforskning. I synnerhet nyligen gjorda studier med hjälp av genetiskt mosaikanalysverktyg i Drosophila melanogaster , såsom FLP-FRT (flippasrekombinas / flippasrekombinasmål) mitotiskt rekombinAtion 2 och flip-out-GAL4-UAS (uppströms aktiverande sekvens) system 3 har kraftigt bidragit till bättre förståelse av de genetiska mekanismerna som är involverade i bildandet och metastasen av tumörer 4 , 5 , 6 .
Studier av en grupp konserverade Drosophila- tumör-suppressorgener, dödliga jätte larver ( lgl ), skivor stora ( dlg ) och scribble ( scrib ) framhävde det kritiska sambandet mellan förlust av epitelorganisation och tumörutveckling, eftersom dessa gener spelar nyckelroller I reglering av apikalbasalcellspolaritet och cellproliferation i epitelvävnader 7 . Medan Drosophila imaginal skivor normalt är monoskiktad epitel, ger homozygote mutationer i någon av dessa tre gener celler att förlora struktur och polaritet, misslyckas med att skilja sigHyra, överproliferera och slutligen bilda flerlagiga amorfa massor som smälter med intilliggande vävnader 7 . På liknande sätt är störningar av dessa gener i däggdjur involverade i utvecklingen av maligna tumörer 8 , 9 . De neoplastiska fenotyperna som uppvisas av mutantvävnaderna har lett till klassificeringen av dessa tre gener som konserverade neoplastiska tumör-suppressorgener (nTSGs) 7 , 8 . När homozygote nTSG-mutanta celler genereras sporadiskt vid utveckling av vildtyps imaginala skivor med användning av FLP-FRT-medierad mitotisk rekombination elimineras mutantceller från vävnaden genom c-Jun N-terminala kinas (JNK) -beroende apoptos 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , strängsprutning 15 </suP> , 16 eller engulfment och fagocytos av grannar 17 . I denna genetiska mosaikepitel, upptäcks apoptos mestadels i nTSG-mutanta celler som ligger vid klongränsen, vilket tyder på att intilliggande normala celler utlöser apoptosen hos nTSG-mutanta celler 10 , 11 , 12 , 18 . Tidigare studier i däggdjursceller har bekräftat att denna celltävlingsberoende eliminering av pro-tumorceller är en evolutionärt konserverad epithelial självförsvarsmekanism mot cancer 19 , 20 , 21 , 22 , 23 .
En nyligen genomförd studie i Drosophila imaginal-skivor visade emellertid att mosaik-nTSG-knockdown-kloner inducerar neoplastiska tumörer i specifikaIc regioner av vinge imaginal skivor 16 . Den initiala tumörbildningen hittades alltid i det perifera "gångjärnet" -regionen och observerades aldrig i den centrala "påsen" -regionen av vingskivepitelet, vilket tyder på att den tumörgeneriska potentialen hos nTSG-knockdown-celler beror på lokalmiljön. Den centrala pouchregionen fungerar som en "tumörkylspets" där pro-tumörceller inte uppvisar dysplastisk överväxt, medan den perifera gångjärnsregionen uppträder som en "tumör hotspot" 16 . I "coldspot" -påsregioner delamineras nTSG-knockdown-celler från bassidan och genomgår apoptos. I motsats härtill, som "hotspot" gångjärnsceller har ett nätverk av robusta cytoskeletala strukturer på sina basala sidor, delaminerar nTSG-knockdown-celler från apitelens apikala sida och initierar tumörgenerisk överväxt 16 . Därför kräver analys av tumörfenotyper i imaginalskivor noggrann konsistensHärdning av den regionspecifika mottagligheten för tumörgeneriska stimuli.
Här beskriver vi ett protokoll för att inducera neoplastisk tumörbildning i Drosophila- vinge-imaginala skivor som använder GAL4-UAS- RNAi- systemet, med vilka nTSG-knockdown-celler genereras i normal vinge-skivepitel. Även om dessa experimentella system är användbara för att studera de tidiga stadierna av cancer, har en tydlig klassificeringsmetod för att utvärdera stadierna av tumörprogression i imaginal disc epithelia inte beskrivits tydligt tidigare. Därför föreslår vi också en diagnosmetod för att klassificera pro-tumörklonala fenotyper som induceras i vingskivepiteln i tre kategorier: hyperplasi (ackumulering av ett alltför stort antal normala celler med ökad proliferation), dysplasi (premalignerad vävnad som består av abnormt förekommande Celler) och neoplasi (godartad eller malign tumör som består av celler som har ett abnormt utseende och onormalt proliferationsmönster).
Protocol
Representative Results
Discussion
GAL4-UAS-systemet är ett av de mest kraftfulla genetiska verktygen för målinriktat genuttryck i Drosophila 26 och underlättar kraftigt inducering och analys av tumörceller in vivo 4 . Detta system möjliggör generering av kloner som bär knockdown av tumör-suppressorgener eller överuttryck av onkogener inom vildtypsepitelvävnad, en situation som mycket liknar de initiala stadierna av humankanker, där transformerade pro-tumorceller är omgivna av…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar J. Vaughen för kritisk läsning av manuskriptet. Detta arbete stöddes av bidrag från JSPS KAKENHI Grant Numbers 26891025, 15H01500 och Takeda Science Foundation Research Grant till YT
Materials
| Reagents | |||
| Phosphate buffered saline (PBS) | Wako | 162-19321 | |
| TritonX-100 | Wako | 168-11805 | |
| Formaldehyde | Wako | 064-00406 | |
| bovine serum albumin | Sigma | A7906 | |
| normal goat serum | Sigma | G6767 | |
| mounting medium, Vectashield | Vector Laboratories | H-1000 | |
| DAPI | Sigma | D9542 | |
| mouse-anti-Dlg 4F3 | Developmental Studies Hybridoma Bank | 4F3 anti-discs large, RRID:AB_528203 | dilute in PBTG, 1:40 |
| mouse-anti-MMP1 | Developmental Studies Hybridoma Bank | 3A6B4, RRID:AB_579780 | 3 mixed 1:1:1 and dilute in PBTG, 1:40 |
| mouse-anti-MMP1 | Developmental Studies Hybridoma Bank | 3B8D12, RRID:AB_579781 | 3 mixed 1:1:1 and dilute in PBTG, 1:40 |
| mouse-anti-MMP1 | Developmental Studies Hybridoma Bank | 5H7B11, RRID:AB_579779 | 3 mixed 1:1:1 and dilute in PBTG, 1:40 |
| mouse-anti-atubulin | Developmental Studies Hybridoma Bank | AA4.3, RRID:AB_579793 | dilute in PBTG, 1:100 |
| Alexa Fluor 546 Phalloidin | Molecular probes | A22283 | dilute in PBS, 1:40 |
| goat anti-mouse IgG antibody, Alexa Fluor 546 | Molecular probes | A11030 | dilute in PBTG, 1:400 |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Fly strains | |||
| sd-Gal4 | Bloomington Drosophila Stock Center | #8609 | recombined with UAS-EGFP |
| upd-Gal4 | Bloomington Drosophila Stock Center | #26796 | recombined with UAS-EGFP |
| UAS-lgl-RNAi | Vienna Drosophila RNAi center | #51247 | |
| UAS-scrib-RNAi | Vienna Drosophila RNAi center | #105412 | |
| UAS-RasV12 | Bloomington Drosophila Stock Center | #64196 | |
| UAS-Yki3SA | Bloomington Drosophila Stock Center | #28817 | |
| hsFLP | Bloomington Drosophila Stock Center | #6 | |
| Act>CD2>GAL4 (flip-out GAL4) | Bloomington Drosophila Stock Center | #4780 | recombined with UAS-EGFP |
| UAS-EGFP | Bloomington Drosophila Stock Center | #5428 | X chromosome |
| UAS-EGFP | Bloomington Drosophila Stock Center | #6658 | third chromosome |
| UAS-Dicer2 | Bloomington Drosophila Stock Center | #24650 | second chromosome |
| UAS-Dicer2 | Bloomington Drosophila Stock Center | #24651 | third chromosome |
| vkg-GFP | Morin et al. 2001 | GFP protein trap |
References
- Hanahan, D., Weinberg, R. A. The hallmarks of cancer. Cell. 100 (1), 57-70 (2000).
- Xu, T., Rubin, G. M. Analysis of genetic mosaics in developing and adult Drosophila tissues. Development. 117 (4), 1223-1237 (1993).
- Struhl, G., Basler, K. Organizing activity of wingless protein in Drosophila. Cell. 72 (4), 527-540 (1993).
- Potter, C. J., Turenchalk, G. S., Xu, T. Drosophila in cancer research. An expanding role. Trends Genet. 16 (1), 33-39 (2000).
- Miles, W. O., Dyson, N. J., Walker, J. A. Modeling tumor invasion and metastasis in Drosophila. Dis Model Mech. 4 (6), 753-761 (2011).
- Tipping, M., Perrimon, N. Drosophila as a model for context-dependent tumorigenesis. J Cell Physiol. 229 (1), 27-33 (2013).
- Bilder, D. Epithelial polarity and proliferation control: links from the Drosophila neoplastic tumor suppressors. Genes Dev. 18 (16), 1909-1925 (2004).
- Humbert, P. O., et al. Control of tumourigenesis by the Scribble/Dlg/Lgl polarity module. Oncogene. 27 (55), 6888-6907 (2008).
- Huang, L., Muthuswamy, S. K. Polarity protein alterations in carcinoma: a focus on emerging roles for polarity regulators. Curr Opin Genet Dev. 20 (1), 41-50 (2010).
- Brumby, A. M., Richardson, H. E. scribble mutants cooperate with oncogenic Ras or Notch to cause neoplastic overgrowth in Drosophila. EMBO J. 22 (21), 5769-5779 (2003).
- Igaki, T., Pastor-Pareja, J. C., Aonuma, H., Miura, M., Xu, T. Intrinsic tumor suppression and epithelial maintenance by endocytic activation of Eiger/TNF signaling in Drosophila. Dev Cell. 16 (3), 458-465 (2009).
- Tamori, Y., et al. Involvement of Lgl and Mahjong/VprBP in cell competition. PLoS Biol. 8 (7), e1000422 (2010).
- Cordero, J. B., et al. Oncogenic Ras diverts a host TNF tumor suppressor activity into tumor promoter. Dev Cell. 18 (6), 999-1011 (2010).
- Yamamoto, M., Ohsawa, S., Kunimasa, K., Igaki, T. The ligand Sas and its receptor PTP10D drive tumour-suppressive cell competition. Nature. 542 (7640), 246-250 (2017).
- Vaughen, J., Igaki, T. Slit-Robo Repulsive Signaling Extrudes Tumorigenic Cells from Epithelia. Dev Cell. 39 (6), 683-695 (2016).
- Tamori, Y., Suzuki, E., Deng, W. -. M. Epithelial Tumors Originate in Tumor Hotspots, a Tissue-Intrinsic Microenvironment. PLoS Biol. 14 (9), e1002537 (2016).
- Ohsawa, S., et al. Elimination of oncogenic neighbors by JNK-mediated engulfment in Drosophila. Dev Cell. 20 (3), 315-328 (2011).
- Menéndez, J., Pérez-Garijo, A., Calleja, M., Morata, G. A tumor-suppressing mechanism in Drosophila involving cell competition and the Hippo pathway. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (33), 14651-14656 (2010).
- Hogan, C., et al. Characterization of the interface between normal and transformed epithelial cells. Nat Cell Biol. 11 (4), 460-467 (2009).
- Kajita, M., et al. Interaction with surrounding normal epithelial cells influences signalling pathways and behaviour of Src-transformed cells. J Cell Sci. 123 (Pt 2), 171-180 (2010).
- Norman, M., et al. Loss of Scribble causes cell competition in mammalian cells. J Cell Sci. 125 (1), 59-66 (2012).
- Wagstaff, L., et al. Mechanical cell competition kills cells via induction of lethal p53 levels. Nat Commun. 7, 1-14 (2016).
- Kajita, M., Fujita, Y. EDAC: Epithelial defence against cancer-cell competition between normal and transformed epithelial cells in mammals. J Biochem. 158 (1), 15-23 (2015).
- North, A. J. Seeing is believing? A beginners’ guide to practical pitfalls in image acquisition. J Cell Biol. 172 (1), 9-18 (2006).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nat Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
- Brand, A. H., Perrimon, N. Targeted gene expression as a means of altering cell fates and generating dominant phenotypes. Development. 118 (2), 401-415 (1993).
- Jory, A., et al. A survey of 6,300 genomic fragments for cis-regulatory activity in the imaginal discs of Drosophila melanogaster. Cell Rep. 2 (4), 1014-1024 (2012).
- McGuire, S. E., Le, P. T., Osborn, A. J., Matsumoto, K., Davis, R. L. Spatiotemporal rescue of memory dysfunction in Drosophila. Science. 302 (5651), 1765-1768 (2003).
- Rodrigues, A. B., et al. Activated STAT regulates growth and induces competitive interactions independently of Myc, Yorkie, Wingless and ribosome biogenesis. Development. 139 (21), 4051-4061 (2012).
- Khan, S. J., et al. Epithelial neoplasia in Drosophila entails switch to primitive cell states. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (24), E2163-E2172 (2013).
- Pagliarini, R. A., Xu, T. A genetic screen in Drosophila for metastatic behavior. Science. 302 (5648), 1227-1231 (2003).
- Gonzalez, C. Drosophila melanogaster: a model and a tool to investigate malignancy and identify new therapeutics. Nat Rev Cancer. 13 (3), 172-183 (2013).
- Patel, P. H., Edgar, B. A. Tissue design: how Drosophila tumors remodel their neighborhood. Semin Cell Dev Biol. 28, 86-95 (2014).
- Nakajima, Y. -. I., Meyer, E. J., Kroesen, A., McKinney, S. A., Gibson, M. C. Epithelial junctions maintain tissue architecture by directing planar spindle orientation. Nature. 500 (7462), 359-362 (2013).
- Colombani, J., Andersen, D. S., Léopold, P. Secreted peptide Dilp8 coordinates Drosophila tissue growth with developmental timing. Science. 336 (6081), 582-585 (2012).
- Garelli, A., Gontijo, A. M., Miguela, V., Caparros, E., Dominguez, M. Imaginal discs secrete insulin-like peptide 8 to mediate plasticity of growth and maturation. Science. 336 (6081), 579-582 (2012).
