Caenorhabditis elegans as animal model to investigate the cellular mechanism of resistance for the chemotherapeutic agent cisplatin

Abstract

In the last three decades, cisplatin has been one of the most widely prescribed drugs being an effective treatment for many cancer types. Despite its effectiveness, many patients are intrinsically resistant to cisplatin-based therapies and an important fraction of tumors eventually develop chemoresistance to this agent. In this study we consolidate C. elegans as a pluricellular model (I) to better understand the biological response to cisplatin-based chemotherapy to finally to map cellular pathways capable of modulating the response to cisplatin and (II) to functionally validate candidate genes involved in the such response to cisplatin.

We discover that cisplatin-induced damage provokes in worms specific cell-type apoptotic activation and induces a systemic response promoting the activation of a set of redox-stress responsive genes whose transcription is mediated by the evolutionary conserved Insulin-IGF-like receptor signaling pathway (IIS) transcription factors SKN-1/Nrf2 and DAF-16/FOXO. In addition, altering both IIS-pathway-related genes and some of their targets leads to modify the response to cisplatin. Accordingly, this study demonstrates the importance of redox homeostasis in the resistance to cisplatin, and the central role of Nrf2/SKN-1 and FOXO/DAF-16 as modulators of cisplatin resistance acquisition through this mechanism, which is conserved from worms to mammals.

We also demonstrated, after an RNAi based approach using C. elegans, that several genes present at the 9q32-q33.1 human region, such as the glucosyl ceramide synthase or the copper transporter, were able to individually alter the response to cisplatin. Moreover, we demonstrated the relevance of the glucosylceramide synthase activity as a biological mechanism that mediate tumor cell protection against cisplatin exposure in tumorgraft models, highlighting the relevance of targeting glucosylceramide synthase as a novel approach to resensitize tumors to cisplatin. This confirms the translational value of C. elegans in cisplatin-based research, which could fill the gap between in vitro and preclinical studies.

El cisplatino ha sido uno de los agentes quimioterapeúticos más usados durante las últimas tres décadas, mostrandose útil en el tratamiento de diferentes tipos de cáncer. A pesar de esa efectividad, muchos tumores son resistentes al fármaco de forma intrínseca, así como otros son capaces de desarrollar resistencia frente a este agente. En este trabajo se busca consolidar al nemátodo Caenorhabditis elegans como modelo pluricelular en el estudio del cisplatino con el objetivo de (I) comprender la respuesta biológica frente a la quimioterapia basada en este agente, para así poder localizar nuevas vías celulares capaces de modular dicha respuesta frente a cisplatino y, por otra parte, (II) validar, de forma funcional, genes que posiblemente están involucrados en la respuesta a cisplatino.

En este proyecto, hemos descubierto que el efecto producido por el cisplatino induce en estos gusanos una activación en la vía de señalización de la apoptosis que es específica de determinados tipos celulares. En paralelo, también provoca la activación de una batería de genes relacionados con la respuesta al estrés oxidativo, cuya transcripción es regulada por la vía de señalización de la Insulina/IGF-like receptor (IIS) a través de los factores de transcripción SKN-1/Nrf2 y DAF-16/FOXO. Esta vía está conservada a lo largo de la evolución y en este trabajo hemos demostrado que alterando la actividad de ambos factores de transcripción, o bien de alguno de sus genes efectores, es posible modificar la respuesta frente a cisplatino en gusanos. En relación, este estudio demuestra la importancia del mantenimiento del balance oxidativo en la resistencia al cisplatino, así como el papel central de Nrf2/SKN-1 y FOXO/DAF-16 como moduladores en la resistencia frente a cisplatino a través de este mecanismo, el cual esta conservado de gusanos a mamíferos.

En este proyecto también se ha demostrado usando C. elegans, a través de ensayos basados en RNA de interferencia, que varios genes localizados en la región q32-q33.1 del cromosoma 9 humano, como la ceramida glucosiltransferasa o los transportadores de cobre, son capaces de alterar la respuesta a cisplatino de forma individual. Además, a través de ensayos usando tumores ortotópicos implantados en ratones, hemos demostrado la relevancia que tiene la actividad de uno de estos genes, la ceramida glucosiltransferasa, como mecanismo biológico capaz de proteger a las células tumorales frente al cisplatino. Esto confirma la importancia de la inactivación de esta

enzima como un nuevo método para resensibilizar tumores resistentes frente a cisplatino, así como también confirma la capacidad translacional del uso de C. elegans como modelo animal en la investigación basada en cisplatino, lo cual podría rellenar el vacío existente entre los estudios in vitro y preclínicos.