The evolutionary trade-off between senescence and cancer  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
124164
Type FK
Principal investigator Tökölyi, Jácint
Title in Hungarian Az öregedés és a rák evolúciós csereviszonya
Title in English The evolutionary trade-off between senescence and cancer
Keywords in Hungarian Darwin-i fitnesz; csalánzók; evolúciós ökológia; többsejtűség; szomatikus mutációk
Keywords in English Darwinian fitness; Cnidaria; evolutionary ecology; multicellularity; somatic mutations.
Discipline
Phylogenetics, systematics, taxonomy, comparative biology, ecophysiology (Council of Complex Environmental Sciences)80 %
Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences)10 %
Ortelius classification: Animal ecology
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)10 %
Ortelius classification: Cytology
Panel Ecology and evolution 1
Department or equivalent Department of Evolutionary Zoology and Human Biology (University of Debrecen)
Participants Barta, Zoltán
Miklós, Máté
Sramkó, Gábor
Starting date 2017-09-01
Closing date 2021-08-31
Funding (in million HUF) 28.920
FTE (full time equivalent) 6.90
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Többsejtű élőlényeknél fiziológiai stressz hatására szomatikus mutációk és rákos sejtvonalak alakulhatnak ki, amelyek jelentős mértékben csökkentik ezen élőlények Darwin-i fitneszét. A rák kialakulásának kockázatát csökkenti a sejtszeneszcencia és az apoptózis, amelyek akadályozzák a károsodott sejtek osztódását. Hatékony tumor-ellenes működésük mellett azonban ezek a fiziológiai mechanizmusok csökkentik a szervezet fiziológiai teljesítményét és hozzájárulnak a stressznek kitett egyed öregedéséhez. E kettős hatás következménye egy evolúciós csereviszony az öregedési ráta és a tumorok kialakulásának kockázata között. A rákkal szembeni védelemre való szelekció növelheti az öregedési rátát, míg alacsony rák-kockázat mellett az öregedésre ható szelekció kisebb. Ez az összefüggés jelentős mértékben befolyásolhatja mindkét jelenség előfordulását és intenzitását, mégis nagyon keveset tudunk az általánosságáról. Ennek elsődleges oka az, hogy a rák tanulmányozása evolúciósan és ökológiailag releváns körülmények között nagyon nehéz. Jelen pályázat célja egy olyan kutatási program kidolgozása, amely egy édesvízi csalánzó modellrendszeren (nyeles hidra, Hydra oligactis) keresztül tanulmányozza az öregedés és rák csereviszonyát természetes populációkban. Az öregedés és rák kapcsolatának egy kulcs-hipotézisét tesztelve élvonalbeli kutatási eredményekre számítunk. Emellett kutatási programunk lehetőséget ad biológus hallgatóknak evolúcióbiológiai kutatásokban való részvételre.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A munkahipotézisünk az, hogy a természetes nyeles hidra populációkban megfigyelhető változatosság az öregedési rátában összefügg a tumorok kialakulásának kockázatával. Ezen hipotézis teszteléséhez az öregedési ráta és a rák kockázatának több aspektusát fogjuk mérni nagyszámú egyeden. A rák kockázatának becsléséhez kvantifikálni fogjuk a szomatikus mutációk gyakoriságát Új Generációs Szekvenálással, valamint meghatározzuk a spontán és kísérletesen indukált tumorok számát. Az öregedési rátát sejtszinten (stressz által indukált sejtszeneszcencia és apoptózis intenzitása) és az egyed szintjén (ivaros szaporodás utáni túlélési ráta) is mérni fogjuk. Feltételezzük, hogy a sejt- és egyed szinten mért öregedési ráta prediktálja az egyedek szomatikus mutációs rátáját, illetve a spontán és indukált tumorok előfordulási valószínűségét. Emellett vizsgáljuk, hogy a hidra-egyedek természetes élőhelyeinek tulajdonságai hogyan befolyásolják az öregedési rátát és a tumorok kialakulásának kockázatának.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Miközben a rák molekuláris hátterének feltárása soha nem látott forradalmat okoz a molekuláris biológiában, továbbra is nagyon keveset tudunk ezen jelenség kialakulásáról természetes körülmények között. Az öregedés és a rák összefüggésének megértése ugyanakkor fontos lenne az új terápiás módszerek kidolgozásában és segítene megérteni, hogy az egyedek miért térnek el a tumorok kialakulásának kockázatában. Kutatásunk egyedi abból a szempontból, hogy evolúciós ökológiai szempontból vizsgáljuk ezt a jelenséget. Modellszervezetünk, az édesvízi hidra, kiválóan alkalmas ezen probléma vizsgálatára, tekintve, hogy nagyon egyszerű testfelépítéssel rendelkezik és a rák nagyon változatos öregedési mintázatokkal együtt fordul elő a vizsgált fajnál. Emellett az elmúlt években részletesen tanulmányoztuk a hidrák természetes populációit, amelynek eredményeképp jelentős információkkal rendelkezünk a vizsgált faj természetrajzáról. Célunk az, hogy ezeket az előnyöket kihasználva jobban megértsük az öregedés és a rák evolúciós csereviszonyát.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az öregedés és a rák a biológia legnagyobb megoldatlan rejtélyei közé tartozik. Miért különböznek az egyedek az öregedési rátában és hogyan lehet, hogy bizonyos egyedeknél a tumorok kialakulásának kockázata sokkal nagyobb, mint másoknál? Korábbi vizsgálatok alapján okunk van feltételezni, hogy ez a két jelenség összefügg egymással: a nagyobb öregedési ráta védelmet nyújthat a tumorok kialakulásával szemben. Ez azt jelenti, hogy, ha a rákot meg akarjuk érteni, akkor az öregedést is tanulmányoznunk kell (és fordítva). Célunk e két jelenség összefüggését tanulmányozni egy régi-új biológiai modellrendszeren, az édesvízi hidrán keresztül. A hidrák rendkívül egyszerű testfelépítésű állatok, mégis az öregedés és a rák is előfordul náluk. Kutatásunkban természetes hidra-populációkban fogjuk vizsgálni az öregedés mértéke és a tumorok kialakulásának kockázata közötti összefüggést. Ezen munka segítségével reményeink szerint jobban megérthetjük a két jelenség összefüggését, ami hozzájárulhat új terápiás módszerek kidolgozásához is.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Multicellular organisms exposed to physiological stress face the risk of developing cancerous cell lines, which can strongly impact their survival. To reduce this risk, healthy cells exposed to stress undergo transient or permanent growth arrest (cellular senescence) and apoptosis. Cellular senescence and apoptosis are potent anti-tumor mechanisms, however, they also contribute to aging and age-related disease. As a consequence, a trade-off ensues between senescence rate on the one hand and cancer risk on the other. Selection for more efficient protection from cancer might increase senescence rate; conversely, low cancer risk could enable mild senescence. However, very little is known about how cancer risk and senescence rate coevolve. This lack of knowledge is mainly because few studies have investigated cancer under ecologically and evolutionarily relevant conditions. We aim to build up a research program studying cancer risk, and its association with senescence rate, in natural populations of a freshwater cnidarian model system (Hydra oligactis). By testing a key hypothesis of how cancer risk evolves we expect cutting-edge results that could fundamentally affect our understanding of this phenomenon. In addition, our research program will provide an opportunity for several students to obtain hands-on experience with research in evolutionary biology.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Our working hypothesis is that variation in senescence rate in natural populations of Hydra oligactis is linked to variation in cancer risk. To test this hypothesis, we aim to quantify multiple aspects of cancer risk (frequency of somatic mutations, prevalence of spontaneous and induced tumors) and senescence rate (at the cellular level: propensity to initiate cellular senescence/apoptosis in response to experimental exposure to stress; at the organism level: post-reproductive survival). We will investigate how senescence rate at the cell and organism level predicts (1) frequency of somatic mutations and (2) prevalence of spontaneous and induced mutations across strains of hydra derived from natural populations. We also investigate how aspects of the natural environment affect cancer risk and senescence rate.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
While the molecular underpinnings of cancer are mapped at unprecedented detail and cause a revolution in molecular biology, we know extremely little about how cancer risk evolves in natural populations. Yet, such knowledge would be crucial for the development of novel therapies and for the understanding of individual variation in cancer risk. Our project is unique in taking an evolutionary ecological perspective on cancer risk and how it is related to senescence rate in natural populations of Hydra oligactis. Freshwater hydra are very tractable model systems to address this question, since they have a simple body organisation and cancer is present alongside diverse senescence patterns. Furthermore, in the past few years we have worked extensively with natural populations of H. oligactis, which resulted in the accumulation of substantial knowledge on the natural history of this species. We aim to exploit these benefits to obtain a deeper understanding of the evolutionary trade-off between senescence and cancer.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Senescence and cancer are among the greatest unsolved problems of biology today. Why do individuals differ in their rate of senescence and how can it be that some individuals remain cancer-free, while others not, apparently despite the same environmental hazards? Surprisingly, recent research indicates that these two processes might be linked - increased senescence rate might confer protection against developing cancer. This means that, in order to understand cancer, we need to study senescence (and vice versa). We aim to do this by employing a classical model system in biology, the freshwater hydra. Hydra are animals with a very simple body structure; yet, even they develop cancer sometimes. We will investigate how cancer risk in natural hydra populations depends on senescence rate. In this way, we aim to obtain a deeper understanding of the intricate relationship between senescence and cancer.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Jelen kutatásban az öregedést és a tumorok kialakulását, valamint ezek együttes előfordulásának mintázatait vizsgáltuk egy édesvízi csalánzó modellrendszerben, ahol az öregedés kísérletesen indukálható hőmérsékletcsökkenéssel. Kimutattuk, hogy természetes populációkban azonos körülmények között találunk öregedő és nem öregedő egyedeket is. Populációgenomikai módszerekkel megállapítottuk, hogy az öregedő és nem öregedő egyedek között nincs jelentős különbség, és végső soron az öregedés előfordulása egyazon genotípuson belül megfigyelhető, a külső és belső környezeti tényezők függvényében. Bár mindig a szaporodást követi, nagyobb valószínűséggel figyelhetünk meg öregedést akkor, ha a szaporodás idősebb korban indukálódik és intenzívebb az öregedés a nagyobb testméretű egyedeknél. Feltételeztük, hogy az öregedés jelenléte csökkentheti a tumorok kialakulásának a kockázatát azáltal, hogy az önző sejtvonalak elszaporodását gátolja. Erre azonban nem találtunk bizonyítékot - épp ellenkezőleg, a tumorok nagyobb valószínűséggel fordultak elő olyan körülmények között, amikor öregedés is megfigyelhető. Ezen megfigyelés magyarázata további vizsgálatot igényel. A tumorok kialakulása megváltoztatta az érintett egyedek ökológiai interakcióit (táplálkozási sikert, ragadozók által keltett veszélyt és a gazdával együttélő kommenzalisták előfordulását), ezáltal hatásai a szélesebb ökológiai rendszerben is megjelenhetnek.
Results in English
In this project, we investigated senescence, tumor development and patterns of their joint occurrence in a freshwater cnidarian model system where senescence can be experimentally induced through lowering temperature. We showed that in natural populations senescing and non-senescing individuals co-exist under similar environmental conditions. Using population genomics, we showed that senescing and non-senescing individuals do not differ from each other substantially and senescence can occur within the same genotype depending on internal or external conditions. Although senescence always follows sexual development, it is more likely to occur if sexual development is induced at an older age and is more intensive in animals with a larger body size. We predicted that the presence of senescence might reduce the risk of tumor development due to providing a barrier to the proliferation of selfish cell lineages. Contrarily, we found tumors to occur more frequently under conditions when senescence occurs. This observation requires further research. Tumor development altered the ecological interactions of the affected individuals (foraging success, predation risk and coexistence with commensalists), showing that tumor development can have important effects at the ecosystem level as well.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=124164
Decision
Yes





 

List of publications

  
Boutry Justine, Mistral Juliette, Berlioz Laurent, Klimovich Alexander, Tökölyi Jácint, Fontenille Laura, Ujvari Beata, Dujon Antoine M., Giraudeau Mathieu, Thomas Frédéric: Tumors (re)shape biotic interactions within ecosystems: Experimental evidence from the freshwater cnidarian Hydra, SCIENCE OF THE TOTAL ENVIRONMENT 803: p. 149923., 2022
Ngo Kha Sach, R‐Almási Berta, Barta Zoltán, Tökölyi Jácint: Experimental manipulation of body size alters life history in hydra, ECOLOGY LETTERS 24: (4) pp. 728-738., 2021
Miklós Máté, Laczkó Levente, Sramkó Gábor, Sebestyén Flóra, Barta Zoltán, Tökölyi Jácint: Phenotypic plasticity rather than genotype drives reproductive choices in Hydra populations, MOLECULAR ECOLOGY 30: (5) pp. 1206-1222., 2021
Tokolyi Jacint, Gergely Reka, Miklos Mate: Seasonal variation in sexual readiness in a facultatively sexual freshwater cnidarian with diapausing eggs, ECOSPHERE 12: (8) e03713, 2021
Miklós M, Laczkó L, Sramkó G, Sebestyén F, Barta Z, Tökölyi J: Hydra oligactis populációgenomikai vizsgálata // Population genomics of Hydra oligactis, In: 19. Kolozsvári Biológus Napok . Kolozsvár, Románia, 2018.04.13-2018.04.14. Kiadvány: Babes-Bolyai Tudományegyetem, 2018. pp. 68, 2018
Miklós M, Laczkó L, Sramkó G, Sebestyén F, Barta Z, Tökölyi J: Population genomics of Hydra oligactis, In: Gahan J, Frank U, Rentzsch F 7th meeting of the European Society for Evolutionary Developmental Biology; Cnidaria Satellite Meeting . Galway, Írország, 2018.06.25. Kiadvány: 2018. pp. 33, 2018
Sebestyén F, Barta Z, Tökölyi J: Reproductive mode, stem cells and regeneration in a freshwater cnidarian with postreproductive senescence, FUNCT ECOL 0:, 2018
Sebestyén F, Miklós M, Iván K, Tökölyi J: Effects of polyp age on sexual maturation and post-reproductive senescence in Hydra oligactis, In: Müller Gerd B 7th meeting of the European Society for Evolutionary Developmental Biology . Galway, Írország, 2018.06.26. Kiadvány: 2018. pp. 295, 2018
Tökölyi J, Sebestyén F, Miklós M, Iván K: Öregedés és öregedés nélküli életciklus egy édesvízi csalánzónál, ÉLET ÉS TUDOMÁNY LXXIII: (23) pp. 710-712., 2018
Tökölyi, J.: Germline development and temperature-dependent sex change in hydra, Szémán, K., Takács, F, Székely, T, New directions in evolutionary research of sex roles, Debrecen, 2019
Tökölyi, J.: Sex & death in hydra, Scheuring, I: EvolBiolDay conference Szeged 2019, 2019
Sebestyén, F & Tökölyi, J.: Regeneration in freshwater hydras: life history decisions and physiological background, In: Carolina, Osuna Mascaró; María, Martín Peciña - 24th Empseb (European Meeting of Phd Students in Evolutionary Biology), 2018
Miklós, M., Laczkó, L., Sramkó, G., Sebestyén, F., Barta, Z. & Tökölyi, J.: Population genomics of Hydra oligactis, n: Carolina, Osuna Mascaró; María, Martín Peciña - 24th Empseb (European Meeting of Phd Students in Evolutionary Biology), 2018
Sebestyén F, Barta Z, Tökölyi J: Reproductive mode, stem cells and regeneration in a freshwater cnidarian with postreproductive senescence, FUNCT ECOL 32(11): 2497-2508, 2018
Sebestyén, F.; Miklós M.; Iván, K.; Tökölyi J.: Age‐dependent plasticity in reproductive investment, regeneration capacity and survival in a partially clonal animal (Hydra oligactis), Journal of Animal Ecology, 2020
Tökölyi, J.: Germline development and temperature-dependent sex change in Hydra oligactis, International workshop: "At the roots of bilaterian complexity: insights from early emerging metazoans", Evangelische Academie Tutzing, Germany, 2019
Tökölyi, J.; Révész, H.; Boros, A.: Szöveti organizátorok. Az egyedfejlődés karmesterei, Élet és tudomány, 75(6): 166-168, 2020
Tökölyi Jácint, Nehéz Erzsébet Ágnes, Miklós Máté: Részidős Barátság, ÉLET ÉS TUDOMÁNY 76: (16) pp. 493-495., 2021




 

Events of the project

  
2017-08-15 19:59:05
Résztvevők változása



Back »