Ecological and evolutionary consequences of anticancer adaptations

Cellular cheating leading to cancers exists in all branches of multicellular life, favoring the evolution of adaptations to avoid or suppress malignant progression, and/or to alleviate its fitness consequences. Ecologists have until recently largely neglected the importance of cancer cells for animal ecology, presumably because they did not consider either the potential ecological or evolutionary consequences of anticancer adaptations. Here, we review the diverse ways in which the evolution of anticancer adaptations has significantly constrained several aspects of the evolutionary ecology of multicellular organisms at the cell, individual, population, species, and ecosystem levels and suggest some avenues for future research

Ecologie et Evolution des interactions hôtes-tumeurs chez l'hydre brune

Tumors form as a result of abnormal and uncontrolled proliferation of cells within a multicellular organism, which can lead to cancer. Although this phenomenon exists in all metazoans, most research has focused on malignancies in humans and domestic animals. Thus, the evolutionary ecology of host-tumor interactions and their consequences for ecosystem functioning is a virtually untouched area of research.To address these scientific questions, the biological model used in this thesis is a freshwater cnidarian, the brown hydra Hydra oligactis, some of whose laboratory lines harbor tumors with notable specificities. In addition to the fact that the benign/malignant status of these tumors is not clear, they are capable of vertical transmission, during asexual reproduction of their host by budding. Furthermore, tumorous hydras have an increased number of tentacles compared to healthy hydras.This thesis is organized in 5 sections, an introduction with two synthesis articles, three chapters presenting the research done and a general discussion. The first synthesis deals with the comparison between benign and malignant tumors, the second one deals with the costs of anticancer defenses in host organisms.Our research on H. oligactis first described spontaneous tumors within several wild-type lineages (Chapter 1). This work shows that brown hydra tumors always appear to be of germline origin. Moreover, we show that the presence of a bacterial species of the order Chlamydiales, could play a role in the initiation and/or maintenance of these tumor processes.We then studied (chapter 2) the impact of the tumor-bacterial transmissible complex (i.e. tumor cells and bacteria) on the life history traits of the hydra host. This work shows that polyps derived from tumorous parents, prior to becoming tumoral themselves, intensify their sexual and asexual reproductive efforts. Moreover, these tumorous polyps subsequently have a reduced survival compared to healthy ones. The adaptive nature of these life history trait changes, for the host and/or for the transmissible tumor cells, is discussed. This chapter also focuses on the origin of the increased number of tentacles in tumor polyps. By transplanting different tumors into hydras of varying genetic background, we showed that polyps developing supernumerary tentacles after transplantation were always those that had received tumor tissue from hydras lines harboring transmissible tumors, and already associated with the appearance of supernumerary tentacles in their original host. Rather than a compensatory response initiated by the host, the growth of supernumerary tentacles in some tumor-bearing hydras would therefore be induced by transmissible tumor cells.Finally, in order to improve our understanding of the ecological consequences of host-tumor interactions on ecosystem functioning, we experimentally explored (Chapter 3) the relationships that tumor-bearing hydras have with other animal species living in aquatic environments. We demonstrated that, compared to healthy hydras, tumorous ones had an increased risk of predation by fish, a higher rate of colonization by commensal ciliates, and their ability to capture prey was superior due to their increased number of tentacles.Taken together, this work argues for a better consideration of tumor processes in evolutionary ecology, both in terms of the ecological and evolutionary trajectory of host species and the consequences of these interactions on ecosystem functioning.Les tumeurs se forment à la suite d’une prolifération anormale et incontrôlée de cellules au sein d’un organisme multicellulaire, ce qui peut conduire au cancer. Bien que ce phénomène existe chez tous les métazoaires, l’essentiel des recherches a porté sur les tumeurs malignes chez l’homme et les animaux domestiques. Ainsi, l’écologie évolutive des interactions hôtes-tumeurs et leurs conséquences sur le fonctionnement des écosystèmes constituent un domaine de recherche quasiment vierge.Pour aborder ces questions scientifiques, le modèle biologique utilisé dans cette thèse est un cnidaire d'eau douce, l'hydre brune Hydra oligactis, dont certaines lignées de laboratoire hébergent des tumeurs avec des spécificités notables. Outre le fait que le statut bénin/malin de ces tumeurs ne soit pas clair, ces dernières sont capables de se transmettre verticalement, lors de la reproduction asexuée de leur hôte par bourgeonnement. De plus, les hydres tumorales présentent, par rapport aux hydres saines, une augmentation de leur nombre de tentacules.Cette thèse est organisée en 5 sections, une introduction avec deux articles de synthèse, trois chapitres présentant les recherches effectuées et une discussion générale. La première synthèse porte sur la comparaison entre tumeurs bénignes et malignes, la seconde s’intéresse aux coûts des défenses anticancer chez les organismes hôtes.Nos recherches sur H. oligactis ont tout d’abord permis de décrire des tumeurs spontanées au sein de plusieurs lignées sauvages (Chapitre 1). Ce travail montre que les tumeurs de l'hydre brune semblent toujours être d'origine germinale. De plus, nous montrons que la présence d'une espèce bactérienne de l'ordre des Chlamydiales, pourrait jouer un rôle dans l'initiation et/ou le maintien de ces processus tumoraux.Nous avons ensuite étudié (Chapitre 2) l'impact du complexe tumoral et bactérien transmissible (i.e. cellules tumorales et bactéries) sur les traits d'histoire de vie de l'hydre hôte. Ce travail montre que les polypes issus de parents tumoraux, avant de devenir eux-mêmes tumoraux, intensifient leurs efforts de reproduction tant sexuée qu'asexuée. De plus, ces polypes tumoraux ont par la suite une survie réduite par rapport aux sains. Le caractère adaptatif de ces changements de traits d'histoire de vie, pour l'hôte et/ou pour les cellules tumorales transmissibles, est discuté. Ce chapitre s’intéresse également à l'origine de l'augmentation du nombre de tentacules chez les polypes tumoraux. En transplantant différentes tumeurs sur des hydres de fond génétique variable, nous avons montré que les polypes développant des tentacules surnuméraires après transplantation étaient uniquement ceux qui avaient reçu du tissu tumoral de lignées d'hydres hébergeant des tumeurs transmissibles, et déjà associées à l'apparition de tentacules surnuméraires chez leur hôte d'origine. Plutôt qu'une réponse compensatoire initiée par l'hôte, la croissance de tentacules surnuméraires chez certaines hydres porteuses de tumeurs serait donc induite par des cellules tumorales transmissibles.Enfin, afin d'améliorer notre compréhension des conséquences écologiques des interactions hôte-tumeur sur le fonctionnement des écosystèmes, nous avons exploré expérimentalement (Chapitre 3) les relations que les hydres tumorales entretiennent avec d’autres espèces animales vivant dans les milieux aquatiques. Nous avons démontré que, par rapport aux hydres saines, les tumorales présentaient un risque accru de prédation par les poissons, un taux plus élevé de colonisation par les ciliés commensaux, et que leur capacité à capturer des proies était également supérieure en raison du nombre accru de tentacules.L’ensemble de ce travail plaide pour une meilleure prise en compte des processus tumoraux en écologie évolutive, tant en ce qui concerne la trajectoire écologique et évolutive des espèces hôtes que les conséquences de ces interactions sur le fonctionnement des écosystèmes

Ecologie et Evolution des interactions hôtes-tumeurs chez l'hydre brune

Tumors form as a result of abnormal and uncontrolled proliferation of cells within a multicellular organism, which can lead to cancer. Although this phenomenon exists in all metazoans, most research has focused on malignancies in humans and domestic animals. Thus, the evolutionary ecology of host-tumor interactions and their consequences for ecosystem functioning is a virtually untouched area of research.To address these scientific questions, the biological model used in this thesis is a freshwater cnidarian, the brown hydra Hydra oligactis, some of whose laboratory lines harbor tumors with notable specificities. In addition to the fact that the benign/malignant status of these tumors is not clear, they are capable of vertical transmission, during asexual reproduction of their host by budding. Furthermore, tumorous hydras have an increased number of tentacles compared to healthy hydras.This thesis is organized in 5 sections, an introduction with two synthesis articles, three chapters presenting the research done and a general discussion. The first synthesis deals with the comparison between benign and malignant tumors, the second one deals with the costs of anticancer defenses in host organisms.Our research on H. oligactis first described spontaneous tumors within several wild-type lineages (Chapter 1). This work shows that brown hydra tumors always appear to be of germline origin. Moreover, we show that the presence of a bacterial species of the order Chlamydiales, could play a role in the initiation and/or maintenance of these tumor processes.We then studied (chapter 2) the impact of the tumor-bacterial transmissible complex (i.e. tumor cells and bacteria) on the life history traits of the hydra host. This work shows that polyps derived from tumorous parents, prior to becoming tumoral themselves, intensify their sexual and asexual reproductive efforts. Moreover, these tumorous polyps subsequently have a reduced survival compared to healthy ones. The adaptive nature of these life history trait changes, for the host and/or for the transmissible tumor cells, is discussed. This chapter also focuses on the origin of the increased number of tentacles in tumor polyps. By transplanting different tumors into hydras of varying genetic background, we showed that polyps developing supernumerary tentacles after transplantation were always those that had received tumor tissue from hydras lines harboring transmissible tumors, and already associated with the appearance of supernumerary tentacles in their original host. Rather than a compensatory response initiated by the host, the growth of supernumerary tentacles in some tumor-bearing hydras would therefore be induced by transmissible tumor cells.Finally, in order to improve our understanding of the ecological consequences of host-tumor interactions on ecosystem functioning, we experimentally explored (Chapter 3) the relationships that tumor-bearing hydras have with other animal species living in aquatic environments. We demonstrated that, compared to healthy hydras, tumorous ones had an increased risk of predation by fish, a higher rate of colonization by commensal ciliates, and their ability to capture prey was superior due to their increased number of tentacles.Taken together, this work argues for a better consideration of tumor processes in evolutionary ecology, both in terms of the ecological and evolutionary trajectory of host species and the consequences of these interactions on ecosystem functioning.Les tumeurs se forment à la suite d’une prolifération anormale et incontrôlée de cellules au sein d’un organisme multicellulaire, ce qui peut conduire au cancer. Bien que ce phénomène existe chez tous les métazoaires, l’essentiel des recherches a porté sur les tumeurs malignes chez l’homme et les animaux domestiques. Ainsi, l’écologie évolutive des interactions hôtes-tumeurs et leurs conséquences sur le fonctionnement des écosystèmes constituent un domaine de recherche quasiment vierge.Pour aborder ces questions scientifiques, le modèle biologique utilisé dans cette thèse est un cnidaire d'eau douce, l'hydre brune Hydra oligactis, dont certaines lignées de laboratoire hébergent des tumeurs avec des spécificités notables. Outre le fait que le statut bénin/malin de ces tumeurs ne soit pas clair, ces dernières sont capables de se transmettre verticalement, lors de la reproduction asexuée de leur hôte par bourgeonnement. De plus, les hydres tumorales présentent, par rapport aux hydres saines, une augmentation de leur nombre de tentacules.Cette thèse est organisée en 5 sections, une introduction avec deux articles de synthèse, trois chapitres présentant les recherches effectuées et une discussion générale. La première synthèse porte sur la comparaison entre tumeurs bénignes et malignes, la seconde s’intéresse aux coûts des défenses anticancer chez les organismes hôtes.Nos recherches sur H. oligactis ont tout d’abord permis de décrire des tumeurs spontanées au sein de plusieurs lignées sauvages (Chapitre 1). Ce travail montre que les tumeurs de l'hydre brune semblent toujours être d'origine germinale. De plus, nous montrons que la présence d'une espèce bactérienne de l'ordre des Chlamydiales, pourrait jouer un rôle dans l'initiation et/ou le maintien de ces processus tumoraux.Nous avons ensuite étudié (Chapitre 2) l'impact du complexe tumoral et bactérien transmissible (i.e. cellules tumorales et bactéries) sur les traits d'histoire de vie de l'hydre hôte. Ce travail montre que les polypes issus de parents tumoraux, avant de devenir eux-mêmes tumoraux, intensifient leurs efforts de reproduction tant sexuée qu'asexuée. De plus, ces polypes tumoraux ont par la suite une survie réduite par rapport aux sains. Le caractère adaptatif de ces changements de traits d'histoire de vie, pour l'hôte et/ou pour les cellules tumorales transmissibles, est discuté. Ce chapitre s’intéresse également à l'origine de l'augmentation du nombre de tentacules chez les polypes tumoraux. En transplantant différentes tumeurs sur des hydres de fond génétique variable, nous avons montré que les polypes développant des tentacules surnuméraires après transplantation étaient uniquement ceux qui avaient reçu du tissu tumoral de lignées d'hydres hébergeant des tumeurs transmissibles, et déjà associées à l'apparition de tentacules surnuméraires chez leur hôte d'origine. Plutôt qu'une réponse compensatoire initiée par l'hôte, la croissance de tentacules surnuméraires chez certaines hydres porteuses de tumeurs serait donc induite par des cellules tumorales transmissibles.Enfin, afin d'améliorer notre compréhension des conséquences écologiques des interactions hôte-tumeur sur le fonctionnement des écosystèmes, nous avons exploré expérimentalement (Chapitre 3) les relations que les hydres tumorales entretiennent avec d’autres espèces animales vivant dans les milieux aquatiques. Nous avons démontré que, par rapport aux hydres saines, les tumorales présentaient un risque accru de prédation par les poissons, un taux plus élevé de colonisation par les ciliés commensaux, et que leur capacité à capturer des proies était également supérieure en raison du nombre accru de tentacules.L’ensemble de ce travail plaide pour une meilleure prise en compte des processus tumoraux en écologie évolutive, tant en ce qui concerne la trajectoire écologique et évolutive des espèces hôtes que les conséquences de ces interactions sur le fonctionnement des écosystèmes

Ecology and evolution of host-tumor interactions in brown hydras

Les tumeurs se forment à la suite d’une prolifération anormale et incontrôlée de cellules au sein d’un organisme multicellulaire, ce qui peut conduire au cancer. Bien que ce phénomène existe chez tous les métazoaires, l’essentiel des recherches a porté sur les tumeurs malignes chez l’homme et les animaux domestiques. Ainsi, l’écologie évolutive des interactions hôtes-tumeurs et leurs conséquences sur le fonctionnement des écosystèmes constituent un domaine de recherche quasiment vierge.Pour aborder ces questions scientifiques, le modèle biologique utilisé dans cette thèse est un cnidaire d'eau douce, l'hydre brune Hydra oligactis, dont certaines lignées de laboratoire hébergent des tumeurs avec des spécificités notables. Outre le fait que le statut bénin/malin de ces tumeurs ne soit pas clair, ces dernières sont capables de se transmettre verticalement, lors de la reproduction asexuée de leur hôte par bourgeonnement. De plus, les hydres tumorales présentent, par rapport aux hydres saines, une augmentation de leur nombre de tentacules.Cette thèse est organisée en 5 sections, une introduction avec deux articles de synthèse, trois chapitres présentant les recherches effectuées et une discussion générale. La première synthèse porte sur la comparaison entre tumeurs bénignes et malignes, la seconde s’intéresse aux coûts des défenses anticancer chez les organismes hôtes.Nos recherches sur H. oligactis ont tout d’abord permis de décrire des tumeurs spontanées au sein de plusieurs lignées sauvages (Chapitre 1). Ce travail montre que les tumeurs de l'hydre brune semblent toujours être d'origine germinale. De plus, nous montrons que la présence d'une espèce bactérienne de l'ordre des Chlamydiales, pourrait jouer un rôle dans l'initiation et/ou le maintien de ces processus tumoraux.Nous avons ensuite étudié (Chapitre 2) l'impact du complexe tumoral et bactérien transmissible (i.e. cellules tumorales et bactéries) sur les traits d'histoire de vie de l'hydre hôte. Ce travail montre que les polypes issus de parents tumoraux, avant de devenir eux-mêmes tumoraux, intensifient leurs efforts de reproduction tant sexuée qu'asexuée. De plus, ces polypes tumoraux ont par la suite une survie réduite par rapport aux sains. Le caractère adaptatif de ces changements de traits d'histoire de vie, pour l'hôte et/ou pour les cellules tumorales transmissibles, est discuté. Ce chapitre s’intéresse également à l'origine de l'augmentation du nombre de tentacules chez les polypes tumoraux. En transplantant différentes tumeurs sur des hydres de fond génétique variable, nous avons montré que les polypes développant des tentacules surnuméraires après transplantation étaient uniquement ceux qui avaient reçu du tissu tumoral de lignées d'hydres hébergeant des tumeurs transmissibles, et déjà associées à l'apparition de tentacules surnuméraires chez leur hôte d'origine. Plutôt qu'une réponse compensatoire initiée par l'hôte, la croissance de tentacules surnuméraires chez certaines hydres porteuses de tumeurs serait donc induite par des cellules tumorales transmissibles.Enfin, afin d'améliorer notre compréhension des conséquences écologiques des interactions hôte-tumeur sur le fonctionnement des écosystèmes, nous avons exploré expérimentalement (Chapitre 3) les relations que les hydres tumorales entretiennent avec d’autres espèces animales vivant dans les milieux aquatiques. Nous avons démontré que, par rapport aux hydres saines, les tumorales présentaient un risque accru de prédation par les poissons, un taux plus élevé de colonisation par les ciliés commensaux, et que leur capacité à capturer des proies était également supérieure en raison du nombre accru de tentacules.L’ensemble de ce travail plaide pour une meilleure prise en compte des processus tumoraux en écologie évolutive, tant en ce qui concerne la trajectoire écologique et évolutive des espèces hôtes que les conséquences de ces interactions sur le fonctionnement des écosystèmes.Tumors form as a result of abnormal and uncontrolled proliferation of cells within a multicellular organism, which can lead to cancer. Although this phenomenon exists in all metazoans, most research has focused on malignancies in humans and domestic animals. Thus, the evolutionary ecology of host-tumor interactions and their consequences for ecosystem functioning is a virtually untouched area of research.To address these scientific questions, the biological model used in this thesis is a freshwater cnidarian, the brown hydra Hydra oligactis, some of whose laboratory lines harbor tumors with notable specificities. In addition to the fact that the benign/malignant status of these tumors is not clear, they are capable of vertical transmission, during asexual reproduction of their host by budding. Furthermore, tumorous hydras have an increased number of tentacles compared to healthy hydras.This thesis is organized in 5 sections, an introduction with two synthesis articles, three chapters presenting the research done and a general discussion. The first synthesis deals with the comparison between benign and malignant tumors, the second one deals with the costs of anticancer defenses in host organisms.Our research on H. oligactis first described spontaneous tumors within several wild-type lineages (Chapter 1). This work shows that brown hydra tumors always appear to be of germline origin. Moreover, we show that the presence of a bacterial species of the order Chlamydiales, could play a role in the initiation and/or maintenance of these tumor processes.We then studied (chapter 2) the impact of the tumor-bacterial transmissible complex (i.e. tumor cells and bacteria) on the life history traits of the hydra host. This work shows that polyps derived from tumorous parents, prior to becoming tumoral themselves, intensify their sexual and asexual reproductive efforts. Moreover, these tumorous polyps subsequently have a reduced survival compared to healthy ones. The adaptive nature of these life history trait changes, for the host and/or for the transmissible tumor cells, is discussed. This chapter also focuses on the origin of the increased number of tentacles in tumor polyps. By transplanting different tumors into hydras of varying genetic background, we showed that polyps developing supernumerary tentacles after transplantation were always those that had received tumor tissue from hydras lines harboring transmissible tumors, and already associated with the appearance of supernumerary tentacles in their original host. Rather than a compensatory response initiated by the host, the growth of supernumerary tentacles in some tumor-bearing hydras would therefore be induced by transmissible tumor cells.Finally, in order to improve our understanding of the ecological consequences of host-tumor interactions on ecosystem functioning, we experimentally explored (Chapter 3) the relationships that tumor-bearing hydras have with other animal species living in aquatic environments. We demonstrated that, compared to healthy hydras, tumorous ones had an increased risk of predation by fish, a higher rate of colonization by commensal ciliates, and their ability to capture prey was superior due to their increased number of tentacles.Taken together, this work argues for a better consideration of tumor processes in evolutionary ecology, both in terms of the ecological and evolutionary trajectory of host species and the consequences of these interactions on ecosystem functioning

Data analysis: Tumors alter life-history traits in the freshwater cnidarian, Hydra oligactis

Table S1 : The formulas of the different generalized linear mixed models constructed and the associated value of AICc's weights, related to the analysis of the traits related to asexual reproduction (i.e. budding rate, budding type, and gap between two reproductive episodes) First, there is the results for the random effect selection and then for the fixed effects selection. NC indicates that the model has not converged

Data analysis: Tumors alter life-history traits in the freshwater cnidarian, Hydra oligactis

Table S1 : The formulas of the different generalized linear mixed models constructed and the associated value of AICc's weights, related to the analysis of the traits related to asexual reproduction (i.e. budding rate, budding type, and gap between two reproductive episodes) First, there is the results for the random effect selection and then for the fixed effects selection. NC indicates that the model has not converged

The Nicotiana tabacum ABC transporter NtPDR3 secretes O-methylated coumarins in response to iron deficiency

Although iron is present in large amounts in the soil, its poor solubility means that plants have to use various strategies to facilitate its uptake. In this study, we show that expression of NtPDR3/NtABCG3, a Nicotiana tabacum plasma-membrane ABC transporter in the pleiotropic drug resistance (PDR) subfamily, is strongly induced in the root epidermis under iron deficiency conditions. Prevention of NtPDR3 expression resulted in N. tabacum plants that were less tolerant to iron-deficient conditions, displaying stronger chlorosis and slower growth than those of the wildtype when not supplied with iron. Metabolic profiling of roots and root exudates revealed that, upon iron deficiency, secretion of catechol-bearing O-methylated coumarins such as fraxetin, hydroxyfraxetin, and methoxyfraxetin to the rhizosphere was compromised in NtPDR3-silenced plants. However, exudation of flavins such as riboflavin was not markedly affected by NtPDR3-silencing. Expression of NtPDR3 in N. tabacum Bright Yellow-2 (BY-2) cells resulted in altered intra- and extracellular coumarin pools, supporting coumarin transport by this transporter. The results demonstrate that N. tabacum secretes both coumarins and flavins in response to iron deficiency and that NtPDR3 plays an essential role in the plant response to iron deficiency by mediating secretion of O-methylated coumarins to the rhizosphere

Can UV radiation and cadmium exposures induce tumors in freshwater invertebrates ?

International audienceBecause ecosystems on our planet are now polluted by mutagenic substances to a greater extent than ever before, it is increasingly suggested that human activities are oncogenic for wildlife species. To improve our knowledge on these timely issues, experimental evidence should however complete correlative field studies. Hydras and Planarians are freshwater invertebrates which sometimes develop tumors. Hydras tumors are able to be vertically transmitted during asexual reproduction. Because the etiology of these atypical tumors is unknown, our objective is to explore the extent to which they could be, at least partially, linked to human activities. Specifically, this project aims at testing if UV radiation (both UV-A and UV-B) and/or cadmium exposure can promote tumorigenesis, and to evaluate how transmissible these inducible tumors are. A second objective is to explore the extent to which UV & cadmium exposures induce tumors in planarians. This project not only represents an original contribution to the field of ecology in human-altered habitats, but also improves our knowledge on the evolutionary ecology of transmissible malignant cell lines, and host-tumor interactions

Changes in plastic ingestion by yellow-legged gulls (Larus michahellis) over the breeding season

International audienc

A review of the methods used to induce cancer in invertebrates to study its effects on the evolution of species and ecosystem functioning

International audience1. Cancer is an understudied but important process in wildlife that is predicted to have a significant effect on the evolution of metazoan species due to negative effects on host fitness. However, gaining understanding of the impact of cancer on species and ecosystems is currently relatively slow as the development of both animal models in which cancer can be induced and experiments that can be performed in an ecological setting are required. Invertebrates, because they are widely available and relatively easy to manipulate, are promising animal models. In this review we examine how tumours can be induced in invertebrates to use them as experimental models to study the effects of cancer on the ecology and evolution of species. We identified four main groups of invertebrates (planarian, bivalves, hydra and drosophila) in which such inductions are performed. We then reviewed the types and effectiveness of the methods employed to induce tumours in those groups. Cancer alters the phenotype of the host. We review how experiments using invertebrate models can be used to investigate the impact of cancer on tumour-bearing individuals for their movement, reproduction, feeding behaviours, social interactions, holobiont and predation risk.We provide recommendations to facilitate the development of new invertebrate models. We also highlight a series of key questions on the ecology and evolution of cancer that could be answered with the use of invertebrate models