Chromosomal instability induced by cell-to-cell fusion using HeLa cells

Abstract

Tetraploidy, a potential precursor of cancer-associated aneuploidy, is produced either by cell fusion or cytokinesis failure. These cells undergo cell-cycle arrest or apoptosis in a p53-dependent manner. Here, I used low p53-expressing HeLa cells as a model system to address the fate of cancer cells after fusion in the context of decreased influence of p53. I found that massive apoptotic cell death or growth arrest occurred a few days after fusion and was accompanied by an increase in p53. In addition, cells with larger nuclei preferentially died after fusion, suggesting that a larger deviation from normal DNA content is a strong inducer of apoptosis. Closer observation of the cells revealed that the division of fused cells immediately after cell fusion showed the formation of multipolar spindles due to increased number of centrosomes, resulting in various mitotic defects (DNA bridges, lagging chromosome, micronucleus, etc.) and asymmetric division with subsequent cytokinesis failure. After a series of unstable cell division processes, the surviving cells showed depolyploidization to have a little bit more chromosomes comparing to parental cells. The CIN (chromosomal instability) assay measuring the centromere of chromosomes 8 and 18 confirmed that chromosomal instability was increased in fused cells, and even in stable fused cell lines. Notably, a fraction of cells escaped from cell death and proliferated. These surviving fused cells were characterized by upregulation of survivin, reflecting increased survivin protein stability. Moreover, in fused cells, survivin became preferentially localized to the cytosol, where it is known to exert its anti-apoptotic function. Knockdown of survivin decreased survival to a greater extent in fused cells than in unfused cells, suggesting that fused cells became more dependent on survivin. Therefore, above findings indicate that, after cancer cell fusion, a subpopulation of fused cells with a higher level of cytosolic survivin are able to avoid apoptotic crisis and survive to proliferate continuously, a process that might contribute to human cancer progression. Regarding cancer progression, fused cells were superior to unfused cells in their overall cell migration ability, and their abilities varied according to each cell line. In addition, when the cells were grown under low concentration of cisplatin, fused cells got resistance more readily than unfused cells. Collectively, the fusion of cancer cells leads to chromosomal instability that induce p53-dependent cell death: however, a fraction of cells such as the cells having more cytosolic survivin survive and get genetic diversity, which probably confers the cancer cells more progressed characteristics such as acquisition of chemoresistance as well as migration ability.

암연구에 있어 동질성의 암세포간 융합이 암 진행 과정에 기여할 가능성에 대한 연구는 상대적으로 많이 부족한 상황이다. 세포 융합 또는 세포질 분리실패에 의해 생성된 4배체 세포는 p53 의존적으로 세포주기 정지 또는 세포 사멸을 겪는 것으로 알려져 있기 때문에, 여기서는 암세포간 융합 후 세포의 운명을 알아보기 위해 p53 기능이 저하되어 있는 HeLa를 사용하였다. 세포 융합 후 수 일 내에 p53단백질이 증가하면서 극심한 세포사멸과 세포성장 저하가 유도되었고 핵 크기가 상대적으로 큰 세포들이 더 잘 죽는 경향을 보였다. 이것은 DNA양의 증가로 세포사멸의 유도 됨을 유추할 수 있다. 세포 융합 직후, 세포들의 분열과정을 자세히 관찰한 결과 증가한 중심체로 인해 다분극체의 형성을 보였으며 다양한 유사분열의 결함으로 결국 세포질 분리에 실패하면서 비 균등한 세포분열이 일어나는 것을 알 수 있었다. 이러한 불안정한 세포분열을 거치고 살아남은 세포들은 융합 전 세포보다 다소 염색 체수가 증가하였지만 현저한 염색체의 탈배수체 현상을 보였다. Chromosome 8번과 18번의 centromere에 대한 FISH 분석을 한 결과 융합 직후 뿐만 아니라 안정적인 증식을 보이는 세포주에서도 염색체 불안정성이 유도된 것을 알 수 있었다. 특히, 세포사멸에서 살아남은 세포군은 안정적으로 증식을 한다는 것이다. 융합된 세포군에서 항 세포사멸 기능을 갖는 survivin 단백질의 안정성 증가와 세포질에 존재하는 survivin의 증가를 알 수 있었다. survivin의 결핍은 비 융합세포와 비교 시 융합 된 세포의 생존율 감소를 초래하는 것으로 보아 survivin에 더 의존적임을 알 수 있었다. 따라서 위의 결과는 암세포간의 융합 후에 세포질에 존재하는 survivin이 더 높은 수준으로 증가한 융합 세포군이 세포사멸의 위기를 피하여 지속적으로 증식하므로 암 진행에 기여할 수 있음을 시사한다. 암 진행과 관련하여 융합 세포는 비 융합 세포보다 전체적인 세포 이동 능력이 뛰어 났으며 각 세포주에 따라 세포 이동 능이 다양하게 나타났다. 또한, 저농도의 cisplatin을 가한 경우, 융합 세포는 융합되지 않은 세포보다 저항성이 높았다. 암세포의 융합은 p53 의존성 세포 사멸을 유도하는 염색체 불안정성을 초래한다. 그러나 암세포간의 융합에서 세포질 내 survivin이 더 증가된 세포군이 생존에 유리하고 유전적 다양성을 갖는 것을 알 수 있었고 이러한 유전적 다양성이 아마도 항암치료의 저항성 및 이동 능력의 획득과 같은 더 진보된 특성을 갖게 함을 알 수 있었다.