Abstract
En ubalansert kromosom nummer (Aneuploidy) er til stede i de fleste ondartede svulster og har blitt tilskrevet mitotiske mis-segregering av kromosomer. Imidlertid har nyere studier vist en relativt høy forekomst av kromosom mis-segregering også i ikke-neoplastiske humane celler, mens hyppigheten av aneuploide celler fortsatt lav gjennom hele livet i de fleste normale vev. Dette innebærer at nydannede aneuploide celler er gjenstand for negativ seleksjon i friskt vev og at dempningen av dette valget kan bidra til Aneuploidy i kreft. For å teste dette, modellert vi cellevekst som diskret tid forgrening prosesser, der kromosom gevinster og tap ble generert og deres vertsceller utsatt for seleksjonspress i ulike størrelser. Vi så vurdert eksperimentelt hyppigheten av kromosomale mis-segregering, samt forekomsten av aneuploide celler i humane ikke-neoplastiske celler og i kreftceller. Integrere disse dataene inn i våre modeller tillot estimering av trenings reduksjon som følge av et enkelt kromosom kopiantall endring til et gjennomsnitt på ≈30% i normale celler. Til sammenligning kreftceller viste en gjennomsnittlig reduksjon på egnethet bare 6% (p = 0,0008), som indikerer Aneuploidy toleranse. Simuleringer basert på den kombinerte tilstedeværelse av kromosom mis-segregering og Aneuploidy toleranse reproduseres distribusjoner av kromosomavvik i 400 krefttilfeller med høyere kvalitet enn modeller basert på kromosom mis-segregering alene. Reverse engineering av aneuploid kreft celle utvikling
i silico spådd Hotell som Aneuploidy intoleranse er en sterkere begrensende faktor for klonal ekspansjon av aneuploide celler enn kromosom mis-segregering rate. I konklusjonen, våre funn tyder på at ikke bare en forhøyet kromosom mis-segregering rate, men også en generell toleranse for nye kromosom ubalanser bidra til genomisk landskapet av humane tumorer
Citation. Valind A, Jin Y, Gisselsson D (2013) Forhøyet Toleranse til Aneuploidy i kreftceller: Estimering av Fitness Effekter av kromosom nummer Endringer av
i Silico
Modellering av Somatic Genome Evolution. PLoS ONE 8 (7): e70445. doi: 10,1371 /journal.pone.0070445
Redaktør: Daniela Cimini, Virginia Tech, USA
mottatt: 21 mars 2013; Godkjent: 18 juni 2013; Publisert: 24.07.2013
Copyright: © 2013 Valind et al. Dette er en åpen-tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres
Finansiering:. Finansiering: svenske Childhood Cancer Foundation, svensk Kreftforeningen, Vetenskapsrådet, Gunnar Nilsson Cancer Foundation, og BioCare Strategic Research Programme. Finansiører hadde ingen rolle i studiedesign, datainnsamling og analyse, beslutning om å publisere, eller utarbeidelse av manuskriptet
Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklært at ingen konkurrerende interesser eksisterer
Innledning
i løpet av det siste tiåret, har en rekke molekylære mekanismer som forårsaker genomisk endringer i kreftceller er beskrevet. Strukturelle avvik kromosomer, som slettinger duplikasjoner og genet presiseringer, er ofte forårsaket av telomeric dysfunksjon eller andre utløsere av DNA-dobbelttrådbrudd, etterfulgt av mitotiske brudd-fusion-bro sykluser [1] – [3]. Et ubalansert antall hele kromosomer (numeriske forstyrrelser, fremkalle aneuploidi), på den annen side, er i stor grad forårsaket av mitotiske spindel defekter slik som merotelic kromosom vedlegg [4], [5] eller spindel multipolaritet kombinert med cytokinetic svikt [6]. Nylig har det også blitt vist at kromosomer at mis-segregate kan bli skadet under cytokinese, som fører til DNA-dobbeltstrengbrudd og ubalanserte translokasjoner i datterceller, og dermed til en overlapping mellom de ruter som fører til numeriske og strukturelle avvik [7]. En forutsetning for etablering av komplekse strukturelle kromosomforstyrrelser er toleranse til DNA-dobbeltstrengbrudd, mest spesielt inaktivering av p53-avhengig respons [1], [8]. Alt i alt, en toleranse til DNA-bryter synes å være en svært vanlig trekk i tumorceller sammenlignet med ikke-neoplastiske celler, slik at mekanismene som gir opphav til genomiske forandringer for å bli etablert i tumorer og øke sannsynligheten for å forekomme tumorigene mutasjoner [9] .
en gjenværende spørsmål er om kreftceller reagerer også til nye endringer i kromosom nummer, for eksempel monosomies og trisomier, på en måte som skiller dem fra normale celler. I så fall kan denne faktoren være like viktig som mitotiske spindel defekter for generering av Aneuploidy i kreft. Noen indisier har blitt presentert for en økt toleranse for nye kromosomavvik i kreftceller. Ikke-neoplastiske humane celler har vist seg å oppvise en betydelig hastighet av kromosom segregering feil ved mitose [6]. På grunn av at forekomsten av aneuploide celler forblir ikke desto mindre lav i de fleste somatiske celler over hele levealderen, indikerer dette nærvær av en endogen negativ seleksjonstrykk mot (redusert egnethet av) aneuploide celler i menneskelig vev, som har blitt funnet i flere modellorganismer [10 ], [11]. Denne negative valget kan teoretisk sett bli redusert i kreft for å tillate Aneuploidy på en bred skala. At eukaryote celler kan faktisk utvikle en slik toleranse mot Aneuploidy har nylig blitt rapportert for en gjær modellsystem, hvor fremkalle aneuploidi-tolerer mutasjoner ble funnet å påvirke mest fremtredende ubiquitin-proteosomal nedbrytningsmekanismer [12]. Samlet utgjør disse dataene tigger spørsmålene (1) om en generell toleranse for Aneuploidy er tilstede i humane kreftceller, (2) hva størrelse vil en slik toleranse har i kreftceller sammenlignet med normale celler, og (3) hvordan ville selektive krefter opptrer på Aneuploidy påvirke genomisk landskapet av svulster?
Så vidt vi vet, få om noen forsøk har adressert disse problemene ved hjelp av primære humane celler med sammenligninger til humane kreftceller. En årsak til dette er at det er vanskelig å kvantifisere samtidig kromosomal ustabilitet, Aneuploidy og cellulær proliferasjon parametre i økende humane celler. En alternativ tilnærming er å vurdere nøye de forekomst av kromosomale mis-segregering samt den nøyaktige utbredelsen av aneuploide celler i både kreft og normale cellepopulasjoner, etterfulgt av inkorporering av disse data i et robust datamodell for utviklingen på cellenivå. Ved hjelp av en slik beregningsorientert tilnærming, har vi undersøkt hvorvidt kreftcellene har et høyere toleranse mot nye hel-kromosom endringer sammenlignet med ikke-neoplastiske celler og i hvilken utstrekning en slik redusert toleranse kunne forklare den globale mønster av kromosom endringer i neoplasi.
Resultater
Konstruere Algoritmer for å estimere virkningen av Aneuploidy på proliferativ Cell Survival
hoved~~POS=TRUNC med denne studien var å estimere konsekvensene av Aneuploidy på langsiktig cellular overlevelse i en menneskelige systemet, inkludert både normale og kreftceller. For å oppnå dette, konstruerte vi en algoritme som simulerte veksten av en multi-cellulær populasjon fra en enkelt celle som en diskret tid forgrening prosess med påfølgende mitoser, hver med en konstant sannsynlighet for kromosom segregering feil (figur 1 og 2). Den viktigste algoritmen implementert som programvare Chiron (fig S1; Protocol S1, Software S1 og S2), hvor følgende parametere kan settes vilkårlig: (1) frekvens av hele kromosom segregering feil pr kromosom per mitose; (2) virkningen på proliferative overlevelsen av noen autosomal hele kromosomavvik (monosomi, trisomi, tetrasomy etc.), med unntak for nullisomy (0 kopier av en autosome). Komplett autosomal nullisomy ble alltid betraktet dødelig, fordi denne type avvik er observert svært sjelden i levende menneskelige celler. De negative konsekvensene av Aneuploidy ble spesifisert av valget parameter 0 ≤
s
≤ 1, i forhold til den gjennomsnittlige proliferative overlevelse av normale diploide celler. Hvis
s = 0
for en bestemt kromosomavviks, da den proliferative overlevelsen av en celle som bærer denne aberrasjon (
ie
være aneusomic) vil være lik den til de omkringliggende diploide celler, som simulert en lik sannsynlighet for å gjennomgå en annen mitose. Hvis
s =
1, noe som tyder på maksimal negativ seleksjon, den aneuploid cellen vil bli ekskludert fra alle fremtidige mitotiske generasjoner. Verdier av
s
under ett, men større enn 0 innebærer en relativ reduksjon av proliferativ overlevelse. For eksempel,
s
= 0,4 tilsvarer en 40% sannsynlighet for permanent å avslutte den mitotiske syklus før den neste celledelingen, gitt at sannsynligheten for en annen mitose for diploide celler er 100%,
ie
en 60% reduksjon av proliferativ overlevelse.
Basert på tidligere eksperimentelle data [6] mis-segregering ble simulert som følge av søster-kromatid ikke-disjunksjon som resulterer i en monosomic og en trisomic datter celle (øvre panel) og kromatid lagging resulterer i monosomi i en datter kjerne (nedre panel). Hver av disse hendelsene var omtrent lik i frekvens, i alt resulterer i et gjennomsnitt på 75% aneuploid datterceller (rød og grønn bakgrunn) per mis-segregering hendelsen.
Aneuploidy genereres ved en bestemt hastighet (
p
) mitotisk mis-segregering, der trisomic (røde sirkler) og monosomic celler (grønne sirkler) har visse sannsynligheter (
s
t og
s
m henholdsvis) av permanent proliferativ arrest /død (svarte vannrette streker) på hver mitotisk syklus. To eller flere aneusomies vil resultere i økte sannsynligheten for pågripelse /død som eksemplifisert av celler merket ++ og + -.
For å overvåke de iboende egenskapene til denne modellen, må vi først utført simuleringer med frekvensen av mitotiske segregering feil festet til den størrelsesorden som finnes i ikke-neoplastiske humane celler. I en tidligere studie [6], rapporterte vi en median mis-segregering rate på 4 × 10
-4 /kromosom /mitose (område 3.3 til 4.1 × 10
-4) i primære humane lav-passasje fibroblast celler , med en 2:01 forholdet mellom symmetriske nondisjunction av kromatider og kromatid lagging (figur 1). Dette mis-segregering var lik i størrelse til tidligere rapporterte priser for ikke-neoplastiske immortaliserte humane cellelinjer, avledet fra fosterets eller postnatal fibroblaster og /eller epitel [4], [13], [14]. Ved hjelp av en konstant mis-segregering hastighet på 4 x 10
-4 /kromosom /mitose, utbredelsen av aneusomic celler ble studert som en funksjon av forskjellige grader av negativ seleksjon mot aneusomy for enhver kromosom i en cellepopulasjon ekspandert for 500 generasjoner . Som forventet, er forekomsten av celler med aneusomy var omvendt proporsjonal med graden av negativ seleksjon. Etter ca 25 generasjoner simuleringer med
s
≥ 10% nådd et platå, noe som indikerer at en tilstand av dynamisk likevekt var oppnådd mellom generering av aneusomic celler og deres eliminering av negativ seleksjon (figur 3A). Fordi 25 post-zygotiske generasjoner vil generere et maksimum på 3,36 x 10
7-celler (ikke medregnet celledød og dannelse av ekstra-embryonale vev), som igjen svarer til en fast biomasse i størrelsesorden på kun 18-140 ul ( forutsatt en celle diameter rekke 10-100 mikrometer), kan den dynamiske likevekt antas å ha presentert godt før fødselen for utvalgsnivå ≥ 10%. Derfor, for en somatisk celle avstamning med et forholdsvis konstant nivå av kromosom mis-segregering, dens frekvens av aneusomic celler kan brukes til å anslå graden av aneusomy avhengig negativ seleksjon for en viss kromosom med mindre dette valget verdi er meget liten (figur 3B ).
(A) Chiron-basert simulering (20 parallelle kjøringer) av en voksende cellepopulasjon med en mis-segregering rate på 4 × 10
-4 der ulike grader av utvalg (
s
) mot aneuploide celler er pålagt. De resulterende gjennomsnittsvalens verdier av celler aneusomic (non-disomic) for en viss kromosom er gitt som aneusomy indekser (AI) på y-aksen. AI er redusert med høyere
s
verdier og når en dynamisk likevekt rundt 25 generasjoner selv ved valg verdier så lave som 10%. (B) Forholdet mellom gjennomsnitts AI for en bestemt kromosom og negativ seleksjon virker på celler med aneusomy for dette kromosomet. Røde linjer tilsvarer beregninger av utvalget laget av eksperimentelle data for kromosomene 1 og 17 i F1 og F2. Feilfelt tilsvarer standardavvik på 20 simuleringer. (C) Fluorescens
in situ
hybridisering (FISH) ble brukt til å estimere AI i normale humane fibroblaster, eksemplifisert ved F1-celler disomic (2n) og trisomic (3n) for kromosom 17 (rød, q arm probe signal; blå, centromeric signal). (D) Utbredelse av monosomic og trisomic celler samt generell AI anslått av fisk i de to fibroblast linjer F1 og F2. (E) Chiron-baserte estimater av graden av negativ seleksjon virker på celler aneusomic for kromosomene 2 og 17 i F1 og F2, utledet ved å sammenligne fiskedata (AI) med modellering av AI som en funksjon av
s
(figur 3B). De maks- og minverdier tilsvarer ± 2 standardavvik.
Estimering Aneuploidy Nivåer og Aneuploidy Toleranse i normale celler
For å estimere graden av redusert kondisjon som følge av autosomal aneusomy i normal post -Natal humane celler ved sannsynlighetsmodellering, så bestemt vi utbredelsen av aneusomic celler i fibroblast populasjoner fra to prepubescent individer (F1 og F2) hvor mis-segregering priser hadde tidligere blitt anslått [6]. Tidligere studier av Aneuploidy prevalens i humane celler fra friskt vev har vist vesentlig forskjellige resultater, til og med innenfor samme celletype [15] – [19]. Disse variasjonene kan til en viss grad tilskrives den relativt høy bakgrunn av falske positive for den type analyse som brukes (fluorescens in situ hybridisering, FISH), når man anvender en enkelt sonde for å evaluere et kromosom som aneusomy er til stede bare i et lite antall av celler. For å skille de antagelig lavt nivå av aneusomy i normale celler fra bakgrunnen skyldes uspesifikk hybridisering, brukte vi to forskjellig merket FISH prober for hvert kromosom undersøkt i F1 og F2, rettet mot cent og et kromosom arm, henholdsvis. Denne tilnærmingen tillates ikke bare å identifisere falske positive på grunn av kryss-hybridiseringen av en enkelt sonde, men også subtraksjon av bakgrunnsverdier som følge av feilaktig hybridisering av to forskjellig merkede prober (dobbel falske positiver, figur S2). For å kontrollere for eventuelle forskjeller i effekt mellom aneusomies for kromosomer med forskjellig størrelse og genet innhold [15], vi valgte kromosomer 2 (≈243 Mb; 10,496 transkripsjon justeringer) og 17 (≈81 Mb; 6,330 transkripsjon justeringer) som indeks kromosomene for evaluering av inter FISH (figur 2C).
Estimering av utbredelsen av celler aneusomic for kromosomene 2 og 17 i F1 og F2 av denne tilnærmingen resulterte i en gjennomsnittlig prevalens av aneusomic celler på 1,5 × 10
-3 per kromosompar etter bakgrunn subtraksjon (figur 2D). Dette tilsvarte en forekomst av aneuploide celler av ca. 3%, da ekstrapoleres til alle kromosomer (= 23 kromosom par). Det var ingen signifikant forskjell i aneusomy prevalens mellom fibroblast populasjoner eller mellom de to indeks kromosomer. De observerte aneusomies var begrenset til monosomies og trisomier, hvor det tidligere var minst to ganger mer vanlig enn det sistnevnte. Dette var i overensstemmelse med tidligere studier [6] viser at mitotiske mis-segregering i normale celler består i hovedsak av søsterkromatidutveksling ikke-motsetninger (3-1 segregering) og kromatid henger (2-1 segregering), samlet resulterer i genereringen av en relativt høyere andel av monosomies enn trisomier på en omtrentlig 02:01 ratio. Den doble farge FISH tilnærming resultert i en betydelig lavere forekomst estimat av aneusomy enn tidligere single-probe FISH studier viser aneusomy priser på 1-20% per kromosompar [16] – [19], noe som indikerer at vår tilnærming redusert frekvensen av falsk positive. Våre anslag var i samme størrelsesorden som tidligere studier utført av kromosom banding på lymfocytter og amniocytes [20]. For ytterligere å validere vår tilnærming vi utført cytogenetisk analyser på flere primære humane fibroblast kulturer inkludert F1 og F2 (tabell S1 og S2), alle viser en aneusomy prevalens på ca 1 × 10
-3. I motsetning til single-probe anslag over utbredelsen av aneusomic celler i F1 og F2 var i gjennomsnitt ni ganger høyere. Til sammen finner vi at de fleste tidligere studier har gitt overvurderinger av utbredelsen av Aneuploidy i ikke-neoplastiske humane celler, mens en tofarget tilnærming gitt en mer robust vurdering.
Forekomsten av aneusomies i F1 og F2 var deretter sammenlignet med Chiron-genererte data for å utlede graden av fitness reduksjon /negativ seleksjon for monosomic og trisomic celler sammenlignet med diploide celler (Figur 3B). Simulere monoklonalt utvidelse med en normal mis-segregering rate (4 × 10
-4), ble den negative utvalget som følge av monosomi funnet å være i gjennomsnitt 28% og at fra trisomi 31%, med ingen signifikante forskjeller mellom dem (figur S3). Heller ikke var det noen signifikante forskjeller mellom de to indeks kromosomer. For å estimere den største mulige feilmarginen for disse beregningene vi da også tok hensyn til (1) variasjon i anslått fibroblast mis-segregering rate på 3.3 til 4.1 × 10
-4 og (2) det faktum at variasjoner eksisterte for indeks kromosomer. Dette resulterte i en periode på negativ seleksjon fra 19% til 50% (som gjenspeiler gjennomsnitt ± 2 standardavvik). Den maksimale grad av negativ seleksjon i disse estimatene var alltid langt under 100%, noe som tyder på at eliminering av aneuploide celler fra en voksende normal cellepopulasjon er vanligvis en prosess som tar flere mitotiske generasjoner. Fordi det var ingen signifikant forskjell mellom trisomi og monosomi, beregnet vi samlet negativ seleksjon mot aneusomy hjelp Chiron, noe som resulterer i et gjennomsnitt på 29% på en relativ skala (figur 3B, E). Dette betyr at i en stadig ekspanderende befolkning med 100% sannsynlighet for å skrive inn mitose for diploide celler, ville en nylig generert aneuploid cellen stå en sjanse til rundt 49% for proliferativ overleve opp til to generasjoner, men bare 3% sjanse for overlevende opp til 10 generasjoner.
humane kreftceller kan ha økt toleranse for Aneuploidy
for å gjøre en tilsvarende vurdering av graden av cellulær trenings reduksjon som følge av Aneuploidy i kreftceller, vi brukte fire kreftcelle linjer (LoVo, DLD1 og SW480 avledet fra kolorektalt karsinom, CRC; WiT49 avledet fra Wilms tumor, WT) der vi tidligere hadde antatt en hastighet på kromosom mis-segregering [6]. Mens DLD1 og WiT49 hadde mis-segregering priser nær til de av fibroblaster, LoVo og SW480 viste en høy grad av mitotisk ustabilitet (tabell 1). Mens stemline av DLD1 var pseudo-diploid, de andre linjene oppviste betydelig Aneuploidy med et kopitall ≠ 2 for flere kromosomer i stemline [3], [21]. For å estimere utbredelsen av aneuploide celler i disse linjene, FISH analyser med bakgrunn subtraksjon igjen ble utført. Fordi vårt mål var å studere kontinuerlig dannelse og eliminering av aneusomies ble aneusomy indeksen i cancercellelinjer definert som utbredelsen av celler med en ikke-sperrende kopitallet for target-kromosomet [22]. For å kunne overvåke mulige forskjeller i negativ seleksjon mellom cellene endrer kopiantall fra disomy og de endrer kopiantall fra en pre-eksisterende tilstand av stemline aneusomy, ble prober valgt å dekke kromosomer som viser disomy, trisomi og tetrasomy i stemlines av de ulike cellelinjer (tabell 1).
Som forventet, utbredelsen av celler med ikke-modale kromosomtall var betydelig (≈10-300 ganger) høyere i kreftcellelinjer med forhøyede kromosom mis-segregering priser (LoVo og SW480) enn i de tidligere undersøkte normale celler. Men også i kreftcellepopulasjoner med en tilnærmet normal mis-segregering hastighet (DLD1 og WiT49), utbredelsen av celler med ikke-sperrende kopiantall var minst 10 ganger høyere enn den gjennomsnittlige verdien i fibroblaster (tabell 1). Dette ga indirekte bevis for dempning av Aneuploidy-avhengig negativ seleksjon i kreftceller i forhold til normale humane celler. Men analysen ikke
per se
avkastning relative verdier av proliferativ overlevelse som kunne sammenlignes mellom normale celler og kreftceller. For å oppnå dette, innlemmet vi den kromosomale mis-segregering hastighet for hver cellelinje inn i Chiron algoritmen og brukes i stadig større målestokk av negativ seleksjon mot nye aneusomies på en måte analogt til analysen av fibroblaster. Dette ble gjort under forutsetning av at ulike kromosomer varierer litt med hensyn til deres individuelle mis-segregerings priser, noe som er i samsvar med tidligere data [4], [6]. Negative seleksjons verdier for kreftcellelinjene ble beregnet for hvert kromosom, ved å sammenligne dets aneusomy nivå til et punkt av dynamisk likevekt mellom mis-segregering og eliminering av seleksjon (figur 4). Bortsett WiT49, ble den dynamiske likevekt nås før 500 mitotiske generasjoner. Derfor likevektspunkter fra 500 generasjoner ble brukt for estimering av negativ seleksjon. WiT49 ikke nådde likevekt før ≈1800 generasjoner for negative seleksjons verdier 0,5%, og derfor ble likevektspunkter på 2000 generasjoner som brukes for estimering av negativ seleksjon. Et monoklonalt tumorcellepopulasjon avledet fra en kontinuerlig fornyende stilk cellepopulasjon kan anslås til å ha gjennomgått minst 2000 generasjoner før deteksjon [23]. Dermed er det rimelig å anta at WiT49 celler, som representerer en kontinuerlig under dyrket etablert cellelinje, har gjennomgått minst 2000 generasjoner før analysene som utføres her.
(A-B) En dynamisk likevekt med respekt å aneusomy indeks (AI) er nådd før 500 generasjoner selv med svært lave negative seleksjonspress i kreftcellepopulasjoner med lav mis-segregering rate (eksemplifisert med 1% for DLD1 å ha en nesten normal mis-segregering rate). Begge tomtene er fra enkle simulerings går. (C-F) I alle fire analyserte cancercellelinjer simuleringer spådd en nær-lineær negativ sammenheng mellom anusomy indeks (AI) og graden av negativ seleksjon (
s
) på en log-log skala. Full linjene indikerer gjennomsnitts AI verdier og brutte linjer minimums- og maksimumsverdier for hver simulering av AI for en viss
s
. Grå linjer tilsvarer simulert AI for normale fibroblaster og grå sirklene viser AI kvantifisert ved FISH for kromosomer 2 og 17 i fibroblaster. Fargede linjer tilsvarer simulert AIs for kromosomer i ulike modale tall og fargede sirkler fiske anslått AI verdier for de analyserte kromosomer hos kreftcellelinjer. Med unntak av ett kromosom i LoVo, de negative seleksjonstrykk som virker på aneusomic celler er lavere i kreftcellelinjer. De fullstendige data beregnet fra disse AI
s
estimatene er presentert i tabell 1 og oppsummert i figur 5.
Vurdering av de negative seleksjonspress mot nye aneusomic celler i kreftcelle populasjoner avslørte at LoVo oppviste en større interchromosomal variasjon i Aneuploidy toleranse enn de andre tre cellelinjer, med en tendens til overlapping med normale celler (figur 4 og 5, tabell 1). De tre andre kreftcellepopulasjoner utstilt mindre mangfold med opptil 30 ganger lavere Aneuploidy avhengig negativ utvalg enn de normale cellene. Tatt sammen, kreftceller viste en gjennomsnittlig risiko for død /rest fra en nylig vedvarende aneusomy på bare 5,8% (p = 0,0008 i forhold til normale fibroblaster), som indikerer Aneuploidy toleranse. Spesielt, dette ble funnet ikke bare i WiT49 og SW480, har massive stemline Aneuploidy, men også i DLD1 med en pseudo-diploid stemline og Aneuploidy stede bare på subclonal nivå [3]. Disse data indikerte at inter mangfold i kromosom nummer i kreftceller er avhengig ikke bare av en forhøyet mis-segregering rate av kromosomer, men også på en forhøyet toleranse nyervervede avvik.
Mean aneusomy avhengig negativ seleksjon (
s
) anslått av Chiron-simuleringer. Den eneste stjerne betegner p 0,05 og dobbeltstjerner p. 0,001 (Students
t
-test) ved sammenligning mellom hver kreftcellelinje og normale fibroblaster (F1 + F2)
kombinert mitotisk Ustabilitet og Aneuploidy toleranse Tipp Scenario av Aneuploidy i Human kreft
Våre resultater antydet at numeriske kromosomendringer kreft kan skyldes en kombinasjon av økt mitotisk feilrate og økt Aneuploidy toleranse. Derimot har de aller fleste tidligere modeller av Aneuploidy i kreft innlemmet bare genomisk ustabilitet forårsaket av forhøyet mis-segregering hastighet [3], [4], [6], [7], [22]. For å teste om vår kombinerte modellen forklarte den epidemiologiske situasjonen for kromosomavvik i kreft bedre enn modeller basert på kromosom ustabilitet alene, analyserte vi publiserte distribusjoner av numeriske endringer i tumortyper som våre eksperimentelle kreft data hadde blitt innhentet,
dvs.
. CRC og WT. Slike generelle distribusjoner av kromosomavvik har tidligere vist seg å være svært informativ med hensyn til tidsmessige mønstre av klonal evolusjon og deres underliggende mekanismer [24] – [27]
For å utforske spesielt fordelingen av numeriske avvik i CRC. og WT, cytogenetiske data ble importert fra Mitelman Database for kromosomavvik og Gene Fusions i Cancer (https://cgap.nci.nih.gov/Chromosomes/Mitelman), som består av 346 og 463 tilfeller med unormale Karyotyper hhv. Etter å filtrere ut Karyotyper med ufullstendig eller tvetydig cytogenetisk informasjon (markører, ring kromosomer, ufullstendige Karyotyper, og diploide tilfeller), der forble Karyotyper fra 151 CRC og 269 WT. Plotting av de relative frekvensene av tumor tilfeller i henhold til deres totale antall numeriske forstyrrelser viste en svært lignende log-lineær fordeling (figur 6A) for begge tumortyper, hvor forekomsten av tilfeller med et visst antall avvik var omvendt proporsjonal med antallet avvik. Fordelingen var tydelig forskjellig fra de tidligere rapporterte samlet log-log forholdet mellom avvik, herunder strukturelle endringer [27]. Dette tyder på at ingen av de to teoretiske modeller foreslått før for akkumulering av kromosomavvik i kreft (multiplikativ svingninger og fortrinnsrett vedlegg [27]) kan forklare mønsteret av numeriske avvik /Aneuploidy i CRC eller WT.
( A) Rapportert cytogenetiske data fra Mitelman Database for kromosomavvik og Genfusjonene i Cancer viser en log-lineær sammenheng mellom relativ utbredelse og antall numeriske avvik per tumor (Nnapt), med svært lignende distribusjoner for Wilms tumor (WT) og tykktarmskreft (CRC). (B) Modellering av et visst antall kreft stemlines som oppstår i det samme antall pasienter. Hver stemline antas å stamme fra en diploid celle (med 0 numeriske avvik) og får lov til å spre seg til maksimalt 2000 generasjoner (G), når den totale fordelingen av numeriske avvik samples. Stemlines samle numeriske avvik på et visst mis-segregering rate (
p
) og er underlagt Aneuploidy avhengig utvalg til en viss grad (
s
), noe som igjen kan føre til oppsigelse av den stemline (horisontal dumbbell), svarende til enden av klonal ekspansjon. Fordi dette kan føre til regresjon av tumordannelse på et tidlig stadium, var tilfeller der stemlines ble dermed avsluttet fjernet fra prøvetaking. (C) Simulert fordeling av tumor tilfeller med et visst antall av numeriske aberrasjoner som tumoren kullet blir samplet ved generasjoner 1-2000 i en innstilling hvor tumorer huse en forhøyet mis-segregering hastighet i fravær av negativ seleksjon mot aneuploide-celler (se hoved tekst for detaljer). Dette vil resultere i en binomial-lignende distribusjon allerede etter 100 generasjoner, den modal verdi som øker med tiden, i motsetning til den faktiske fordelingen i humane tumorer (sammenlignet med 6A).
På leting andre forklaringsmodeller, setter vi opp en algoritme som etterlignet den parallelle utviklingen av 500 svulst stemline Karyotyper (krefttilfeller) over 2000 generasjoner [23], hver starter med en normal diploid genom, som ulike forhold av mitotisk ustabilitet og utvalg ble brukt ( Figur 6B). Vi testet først standard modell av kromosomal ustabilitet i kreft, som ikke tar seleksjon mot nydannede aneuploide celler i betraktning, mens frekvensen av mitotiske kromosom mis-segregering ofte forhøyet. Fordi mitotiske mis-segregering hastighet er kjent for å variere i stor grad mellom svulster, ble hver virtuelle svulst stemline tildelt et tilfeldig mis-segregering rente spenner fra normal (4 × 10
-4 /kromosom /mitose) til den høyeste verdien som er rapportert ( 36 × 10
-4 [6]). Den eneste valgkriterium pålegges var obligat utryddelsen av stemlines har innhentet nullisomies, basert på det faktum at svulster med fullstendig fravær av materiale fra en autosome er rapportert svært sjelden (https://cgap.nci.nih.gov/Chromosomes/Mitelman) . Disse betingelser resulterte i en kontinuerlig økning av det totale antall av kromosomforstyrrelser i prøven populasjon med økende mitotiske generasjoner (figurene 6C og S4A), noe som resulterer i en binomial-lignende fordeling med en modus av 15 aberrasjoner etter 2000 generasjoner (figur 7A). Flere variasjoner i fordelingen av mis-segregerings priser ble også testet, med lignende resultater av en binomial-lignende distribusjon.
De forventede fordelinger i henhold til ulike forhold av kromosom mis-segregering og valg ble spådd av simuleringer som beskrevet i Figur 6. i hver graf, er de rapporterte data for Wilms tumor (WT, svarte sirkler) og endetarmskreft (CRC, røde sirkler) inkludert for sammenligning. (A) Den forventede fordeling (åpne blå sirkler) av numeriske endringer i en setting med kromosom ustabilitet (CIN) i fravær av Aneuploidy avhengig negativ seleksjon (
s
) er binomisk-aktig med en høy modal nummer
