The diapause-like quiescent state of cancer cells presents a unique epigenetic profile and specific vulnerabilities

Abstract

[eng] Anti-cancer therapies are based on the infliction of damage or stress to cancer cells, with the aim of triggering cell death. In practice, a fraction of cancer cells often evades cell death and enters a state of cell cycle arrest. Cell death evasion can lead to the entry of the cells into the state of therapy-induce senescence (TIS) or into a state of drug-tolerant persistency (DTP). Recent work has unveiled similarities between DTP and embryonic diapause, a reversible process of cell cycle arrest triggered by unfavorable conditions during embryonic development. Consequently, drug-tolerant persister cells are also referred to as "diapause-like cancer cells" (DLCCs). While TIS has been extensively studied, less is known about DLCCs. In this doctoral work, we characterize a new in vitro model of DLCCs that relies on dual mTOR/PI3K inhibition. Using this system, we perform a comprehensive characterization of the DLCC phenotype, specifically in comparison to TIS. We analyze classical senescence features, such as the senescence-associated secretory phenotype (SASP), the lysosomal mass increase, ROS accumulation, etc., in order to uncover shared and differential traits of DLCCs. Moreover, we unveil a possible common vulnerability of TIS and DLCCs, namely, their sensitivity to BCL-XL inhibition. We leverage the resemblance of DLCCs to embryonic diapause in a genome-wide CRISPR/Cas9 screen, through which we unravel a pivotal role for the one carbon (1C) metabolism in the survival of DLCCs. Among its many cellular functions, 1C metabolism provides methyl groups for histone and DNA methylation. Accordingly, we report increased levels of H3K9 trimethylation and H4K20 trimethylation in DLCCs compared to proliferating cancer cells and a differential enrichment of H4K20me3 in DLCCs and TIS, specifically at promoter regions of genes that are differentially regulated between the two states. Mechanistically, we show that this may be a driver of the distinct inflammatory profiles of these alternative cell fates. While cells undergoing TIS exhibit decreased H4K20me3 along promoters of interferon (IFN)- and senescence-associated secretory phenotype (SASP)-related genes and transcriptional upregulation, DLCCs gain or retain H4K20me3 at these same loci, associated with the absence of gene expression. In conclusion, DLCCs exhibit a distinct phenotype with both shared and distinct traits from TIS. We define novel vulnerabilities to target DTP/DLCC cells and we provide insight into the epigenetic mechanisms underlying the low inflammatory activity of this cellular state.

[cat] Les teràpies anticancerígenes es basen en la inflicció de dany o estrès a les cèl·lules cancerígenes, amb l'objectiu de desencadenar la mort cel·lular. A la pràctica, una fracció de les cèl·lules canceroses sovint evadeix la mort cel·lular i entra en un estat d'aturada del cicle cel·lular. L'evasió de la mort cel·lular pot conduir a l'entrada de les cèl·lules en l'estat de senescència induïda per la teràpia (TIS) o en un estat de persistència tolerant als fàrmacs (DTP). Treballs recents han revelat similituds entre la DTP i la diapausa embrionària, un procés reversible d'aturada del cicle cel·lular desencadenat per condicions desfavorables durant el desenvolupament embrionari. En conseqüència, les cèl·lules persistents tolerants als fàrmacs també es coneixen com a "cèl·lules canceroses similars a la diapausa" (DLCC). Tot i que la TIS s'ha estudiat àmpliament, se sap menys sobre els DLCC. En aquest treball doctoral, caracteritzem un nou model in vitro de DLCCs que es basa en la inhibició dual de mTOR/PI3K. Mitjançant aquest sistema, realitzem una caracterització exhaustiva del fenotip DLCC, concretament en comparació amb la TIS. Analitzem característiques clàssiques de senescència, com el fenotip secretor associat a senescència (SASP), l'augment de massa lisosomal, l'acumulació de ROS, etc., per tal de descobrir trets compartits i diferencials dels DLCC. A més, revelem una possible vulnerabilitat comuna de TIS i DLCC, és a dir, la seva sensibilitat a la inhibició de BCL-XL. Aprofitem la semblança dels DLCC amb la diapausa embrionària en una pantalla CRISPR/Cas9 de tot el genoma, a través de la qual desentranyem un paper fonamental per al metabolisme d'un carboni (1C) en la supervivència dels DLCC. Entre les seves moltes funcions cel·lulars, el metabolisme 1C proporciona grups metil per a la metilació d'histones i ADN. En conseqüència, reportem un augment dels nivells de trimetilació H3K9 i trimetilació H4K20 en DLCCs en comparació amb la proliferació de cèl·lules canceroses i un enriquiment diferencial de H4K20me3 en DLCCs i TIS, específicament en regions promotores de gens que estan regulades diferencialment entre els dos estats. Mecànicament, demostrem que això pot ser un motor dels diferents perfils inflamatoris d'aquests destins cel·lulars alternatius. Mentre que les cèl·lules sotmeses a TIS exhibeixen disminució de H4K20me3 al llarg dels gens relacionats amb l'interferó (IFN) i el fenotip secretor associat a la senescència (SASP) i la regulació transcripcional, els DLCC guanyen o retenen H4K20me3 en aquests mateixos loci associats, associats amb l'absència d'expressió gènica. En conclusió, els DLCC exhibeixen un fenotip diferent amb trets compartits i diferents dels TIS. Definim noves vulnerabilitats per dirigir-nos a les cèl·lules DTP/DLCC i proporcionem informació sobre els mecanismes epigenètics subjacents a la baixa activitat inflamatòria d'aquest estat cel·lular.

[spa] Las terapias contra el cáncer se basan en infligir daño o estrés a las células cancerosas, con el objetivo de desencadenar la muerte celular. En la práctica, una fracción de las células cancerosas a menudo evade la muerte celular y entra en un estado de detención del ciclo celular. La evasión de la muerte celular puede conducir a la entrada de las células en el estado de senescencia inducida por la terapia (TIS) o en un estado de persistencia tolerante a los fármacos (DTP). Trabajos recientes han revelado similitudes entre la DTP y la diapausa embrionaria, un proceso reversible de detención del ciclo celular desencadenado por condiciones desfavorables durante el desarrollo embrionario. En consecuencia, las células persistentes tolerantes a los fármacos también se denominan "células cancerosas similares a la diapausa" (DLCC). Si bien el TIS se ha estudiado ampliamente, se sabe menos sobre los DLCC. En este trabajo doctoral, caracterizamos un nuevo modelo in vitro de DLCCs que se basa en la inhibición dual de mTOR/PI3K. Utilizando este sistema, realizamos una caracterización exhaustiva del fenotipo DLCC, específicamente en comparación con TIS. Analizamos las características clásicas de la senescencia, como el fenotipo secretor asociado a la senescencia (SASP), el aumento de la masa lisosomal, la acumulación de ROS, etc., con el fin de descubrir rasgos compartidos y diferenciales de los DLCC. Además, revelamos una posible vulnerabilidad común de TIS y DLCCs, a saber, su sensibilidad a la inhibición de BCL-XL. Aprovechamos la semejanza de los DLCC con la diapausa embrionaria en una pantalla CRISPR/Cas9 de todo el genoma, a través de la cual desentrañamos un papel fundamental para el metabolismo de un carbono (1C) en la supervivencia de los DLCC. Entre sus muchas funciones celulares, el metabolismo del 1C proporciona grupos metilo para la metilación de histonas y ADN. En consecuencia, informamos de un aumento de los niveles de trimetilación de H3K9 y trimetilación de H4K20 en las DLCC en comparación con las células cancerosas en proliferación y un enriquecimiento diferencial de H4K20me3 en las DLCC y TIS, específicamente en las regiones promotoras de genes que están reguladas diferencialmente entre los dos estados. Desde el punto de vista mecánico, demostramos que esto puede ser un impulsor de los distintos perfiles inflamatorios de estos destinos celulares alternativos. Mientras que las células sometidas a TIS exhiben una disminución de H4K20me3 junto con los promotores del interferón (IFN) y los genes relacionados con el fenotipo secretor asociado a la senescencia (SASP) y la regulación transcripcional al alza, los DLCC ganan o retienen H4K20me3 en estos mismos loci, asociados con la ausencia de expresión génica. En conclusión, los DLCC exhiben un fenotipo distinto con rasgos compartidos y distintos de TIS. Definimos nuevas vulnerabilidades para dirigirse a las células DTP/DLCC y proporcionamos información sobre los mecanismos epigenéticos que subyacen a la baja actividad inflamatoria de este estado celular.