Altered microtubule plus end assembly during mitosis as a key trigger for chromosomal instability in human cancer cells

有丝分裂过程中微管和末端组装的改变是人类癌细胞染色体不稳定的关键触发因素

基本信息

项目摘要

The perpetual gain or loss of whole chromosomes during mitotic cell division is known as chromosomal instability (CIN) and represents a major hallmark of human cancer. CIN results in evolving aneuploidy, which is thought to provide rapid adaptation capabilities and thereby might support tumorigenesis and tumor progression. Despite the importance of this highly prevalent cancer phenotype the molecular mechanisms underlying CIN remained elusive. Our most recent work now revealed a key and wide-spread trigger for CIN in human cancer cells. In fact, increased microtubule plus end dynamics within mitotic spindles can trigger transient mitotic spindle abnormalities leading to erroneous microtubule-kinetochore attachments and chromosome missegregation. We identified the oncogenic Aurora-A kinase as a key inducer of this phenotype and the tumor suppressor genes CHK2 and BRCA1 as negative regulators of Aurora-A. However, it is not clear how the CHK2-BRCA1 tumor suppressor pathway can restrain the activity of Aurora-A and how the hyper-activity of the Aurora-A kinase at mitotic centrosomes can lead to increased microtubule plus end assembly and chromosome missegregation. Given the fact that increased microtubule plus end assembly underlies chromosomal instability in human cancer cells it is pivotal to understand the molecular mechanisms ensuring proper microtubule dynamics during mitosis and to reveal how an increase in microtubule plus end assembly can drive chromosome missegregation and CIN. These questions will be in focus of our research proposal. In particular, we will address the question how the CHK2-BRCA1 tumor suppressor pathway can restrain Aurora-A activity at mitotic centrosomes and and we will analyze how an increase in centrosomal Aurora-A activity is causing spindle assembly and positioning defects that subsequently might facilitate the generation of hyper-stable and erroneous microtubule-kinetochore attachments. Moreover, we aim to systematically identify novel regulators of microtubule plus end assembly that might be altered in human cancer and thus, might represent novel CIN genes in cancer. For this, we will use large-scale siRNA screens based on a new phenotypic assay that we recently developed in our lab to robustly identify microtubule assembly factors. Newly identified genes that mediate an increase in microtubule assembly rates and chromosomal instability will be subject to detailed characterization for their role during mitosis and for their alteration in human cancer. Thus, our research plan aims to characterize the phenotype of increased microtubule plus end assembly as a key mechanism for CIN at a molecular level and to identify genes that contribute to this intriguing phenotype in human cancer cells. Those CIN genes might represent attractive targets for anti-cancer therapy to suppress the tumor promoting CIN phenotype.
在有丝分裂细胞分裂期间,整个染色体的永久获得或丢失被称为染色体不稳定性(CIN),并且代表人类癌症的主要标志。CIN导致进化的非整倍体,这被认为提供快速适应能力,从而可能支持肿瘤发生和肿瘤进展。尽管这种高度流行的癌症表型的重要性,CIN的分子机制仍然难以捉摸。我们最近的工作现在揭示了人类癌细胞中CIN的关键和广泛触发因素。事实上,有丝分裂纺锤体内微管加末端动力学的增加可以触发短暂的有丝分裂纺锤体异常,导致错误的微管-动粒附着和染色体错误分离。我们确定致癌Aurora-A激酶是这种表型的关键诱导物,而肿瘤抑制基因CHK 2和BRCA 1是Aurora-A的负调节因子。然而,目前尚不清楚CHK 2-BRCA 1肿瘤抑制途径如何抑制Aurora-A的活性,以及Aurora-A激酶在有丝分裂中心体的过度活性如何导致微管加末端组装和染色体错误分离增加。鉴于增加的微管加末端组装是人类癌细胞中染色体不稳定性的基础,理解确保有丝分裂期间适当微管动力学的分子机制并揭示微管加末端组装的增加如何驱动染色体错误分离和CIN是至关重要的。这些问题将是我们研究计划的重点。特别是,我们将解决CHK 2-BRCA 1肿瘤抑制途径如何抑制有丝分裂中心体的Aurora-A活性的问题,我们将分析中心体Aurora-A活性的增加如何导致纺锤体组装和定位缺陷,随后可能促进超稳定和错误的微管-动粒附着的产生。此外,我们的目标是系统地确定新的调控微管加结束组装,可能会改变人类癌症,因此,可能代表新的CIN基因在癌症中。为此,我们将使用基于我们实验室最近开发的新表型测定的大规模siRNA筛选来稳健地识别微管组装因子。新鉴定的介导微管组装率和染色体不稳定性增加的基因将受到详细表征,以确定它们在有丝分裂过程中的作用及其在人类癌症中的改变。因此,我们的研究计划旨在在分子水平上表征增加的微管加末端组装的表型作为CIN的关键机制,并鉴定有助于人类癌细胞中这种有趣表型的基因。这些CIN基因可能是抗癌治疗的有吸引力的靶点,以抑制肿瘤促进CIN表型。

项目成果

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