JNK/AP-1 and JAK/STAT stratify cell behaviors in response to tissue stress

Abstract: Wounds activate multiple stress-responsive signaling pathways to orchestrate tissue repair and regeneration. However, a significant knowledge gap exists in our understanding of how cross-regulatory networks influence the activity of different stress-signaling pathways to determine repair behaviors during regeneration. This impacts our ability to understand and treat wounds - specially chronic, inflammatory wounds which can progress to cancers. As only a limited number of stress-signaling pathways are consistently linked to healing and chronic wounds, closing this knowledge gap can provide precise insights into, and translational targets for, the prevention and treatment of wounds.

Using the well-established Drosophila wing imaginal disc (WID) models of inflammatory tissue damage, we investigated the spatial patterns of two critical stress-responsive signaling pathways. Namely, the pro-apoptotic JNK/AP-1 pathway that upregulates the Upd ligands, and the pro-proliferative JAK/STAT pathway that is activated by the Upd ligands. We aimed to understand how JNK/AP-1 signaling balances the decision between pro-apoptotic and pro-proliferative outcomes during regeneration. Thus, we first examined the spatial patterns and cross-regulatory interactions of JNK/AP-1 and JAK/STAT signaling following transient, chronic and oncogenic tissue damage.

We uncover the presence of a previously uncharacterized and robust mutual repression network between the JNK/AP-1 and JAK/STAT pathways. We find that downstream of wound-induced JNK/AP-1 signaling, the mutual repression network establishes spatially segregated signaling patterns across the tissue. Upon damage, wound-proximal JNK/AP-1-signaling cells produce the mitogenic Upd ligands, but cell-autonomously repress the activity of JAK/STAT signaling via Ptp61f. Therefore, these secreted Upds activate JAK/STAT signaling only non-cell autonomously in the wound-distal cells. Subsequently, these JAK/STAT signaling cells repress JNK/AP-1 via Zfh2. Thus, the mutual repression network between JNK/AP-1 and JAK/STAT signaling spatially segregates the wounded tissue into distinct wound-proximal JNK/AP-1 and wound-distal JAK/STAT signaling domains.

We then wanted to understand the role of this spatial segregation, and its impact on cell behaviors during tissue repair. Remarkably, in the wound-proximal cells we identify a novel, JNK/AP-1-dependent, protective stalling of cells in G2. We find that the exit from G2 into active cycling sensitizes JNK-signaling cells to apoptosis. Therefore, JNK/AP-1-mediated G2-stalling and JAK/STAT-mediated proliferation represents a cell-autonomous conflict. Fittingly, the co-activation of JAK/STAT in JNK/AP-1-signaling cells generates conflicting inputs, that abolishes the protective G2-stall and consequently increases apoptosis of wound-proximal cells. As the wound-proximal cells are the source of the Upd mitogens, the survival of this population is essential to tissue regeneration. Thus, the mutual repression network enables the existence of wound-proximal cells that undergo a JNK/AP-1-mediated G2-stalling stall to avoid apoptosis, while acting as a source of mitogens. Additionally, it establishes a wound-distal cell population that is competent to respond to these mitogens. Accordingly, we find that in the wound-distal domain JAK/STAT signaling coincides with actively cycling and proliferating cells.

We, thus, describe how mutual repression of JNK/AP-1 and JAK/STAT allows distinct cell-cycle responses in wound-proximal and wound-distal domains to promote regeneration and homeostasis. Strikingly, we find that this wound-regulatory network is also present in tumor models. We hypothesize that this promotes tumor growth by creating two distinct and indispensable cell populations. One that undergoes protective G2-stalling and secretes mitogenic Upds, and a second that is able to respond to mitogenic signals and undergoes proliferation.

Based on our studies we propose that, much like developmental organizers, the JNK/AP-1 pathway acts as a stress-induced “wound-organizer” that utilizes secreted mitogens together with a mutual repression regulatory network to pattern and coordinate diverse tissue-level behaviors. These include apoptosis, G2-stalling/survival, and proliferation. Overall, this study offers a simple mechanistic insight into how wound patterns generated by regulatory cross-talk between important stress-responsive signaling pathways define tissue-level repair behaviors. We additionally reveal that such a wound-induced regulatory network can also be exploited by tumors. Harnessing this mutual repression network might provide the means to mitigate many types of wounds and tumors which activate both JNK/AP-1 and JAK/STAT signaling
Abstract: Wunden aktivieren mehrere Stress abhängige Signalwege, um die Gewebereparatur und -regeneration zu steuern. Es besteht jedoch eine erhebliche Wissenslücke in unserem Verständnis darüber, wie übergreifende Netzwerke die Aktivität verschiedener Stress-Signalwege beeinflussen, um das Reparaturverhalten während der Regeneration zu bestimmen. Dies wirkt sich auf unsere Fähigkeit aus, Wunden zu verstehen und zu behandeln, insbesondere chronische, entzündliche Wunden, die sich zu Krebserkrankungen entwickeln können. Da nur eine begrenzte Anzahl von Stresssignalwegen zuverlässig mit der Heilung und chronischen Wunden in Verbindung gebracht wird, kann die Schließung dieser Wissenslücke präzise Einblicke in und translationale Ziele für die Prävention und Behandlung von Wunden liefern.

Anhand der etablierten Drosophila-Flügelimaginalscheibe (WID) als Modell für entzündliche Gewebeschäden untersuchten wir die räumlichen Muster von zwei kritischen, auf Stress reagierenden Signalwegen. Dabei handelt es sich um den pro-apoptotischen JNK/AP-1-Signalweg, der die Upd-Liganden hochreguliert, und den pro-proliferativen JAK/STAT-Signalweg, der durch die Upd-Liganden aktiviert wird. Wir wollten verstehen, wie der JNK/AP-1-Signalweg eine Balance zwischen pro-apoptotischen und pro-proliferativen Ergebnissen während der Regeneration herstellt. Daher untersuchten wir zunächst die räumlichen Muster und die Interaktionen der JNK/AP-1- und JAK/STAT-Signalwegen nach transienten, chronischen und onkogenen Gewebeschäden.

Wir beschreiben und charakterisieren ein bisher unbekanntes Netzwerk zwischen den JNK/AP-1- und JAK/STAT-Signalwegen, welches auf gegenseitiger Inhibierung beruht. Wir zeigen, dass dieses Netzwerk induziert durch wundabhängige Aktivierung des JNK/AP-1-Signalweges räumlich getrennte Signalisierungsmuster im gesamten Gewebe etabliert. Wundennahe JNK/AP-1-signalisierende Zellen produzieren die mitogenen Upd-Liganden, unterdrücken jedoch zellautonom die Aktivierung des JAK/STAT-Signalweges mithilfe von Ptp61f. Daher aktivieren die sekretierten Upds den JAK/STAT-Signalweg ausschließlich in Zellen, die distal der Wunder gelegen sind. Anschließend unterdrücken die Zellen mit JAK/STAT-Signalweg Aktivierung die Aktivierung des JNK/AP1-Signalweges durch Zfh2. Folglich teilt das Netzwerk der gegenseitigen Unterdrückung der Aktivierung von JNK/AP-1 und JAK/STAT-Signalwegen das verwundete Gewebe räumlich in verschiedene Signaldomänen auf, in eine wundnahe JNK/AP-1-Domäne und eine wunddistale JAK/STAT-Domäne.

Anschließend wollten wir die Rolle dieser räumlichen Trennung und ihre Auswirkungen auf das Verhalten der Zellen während der Gewebereparatur verstehen. Bemerkenswerterweise konnten wir in den wundnahen Zellen ein neuartiges, JNK/AP-1-abhängiges, schützendes Pausieren der Zellen in der Zellzyklusphase G2 feststellen. Wir zeigen, dass der Verlust des Pausierens in G2 Zellen mit aktivem JNK-Signalweg für die Apoptose sensibilisiert. Daher stehen die JNK/AP-1-vermittelte G2-Pausierung und die JAK/STAT-vermittelte Proliferation in einem zellautonomen Konflikt miteinander. Dementsprechend erzeugt die Koaktivierung von JAK/STAT und JNK/AP-1 widersprüchliche Inputs, die die schützende Pausierung in G2 aufheben und folglich die Apoptose der wundnahen Zellen erhöhen. Da die wundnahen Zellen die Quelle der Upd-Mitogene sind, ist das Überleben dieser Population für die Geweberegeneration von entscheidender Bedeutung. Somit ermöglicht das Netzwerk der gegenseitigen Unterdrückung die Existenz von wundnahen Zellen, die JNK/AP-1-abhängig in G2 pausieren, um Apoptose zu vermeiden, und gleichzeitig als Quelle von Mitogenen fungieren. Darüber hinaus wird eine wunddistale Zellpopulation gebildet, die auf diese Mitogene reagieren kann. Dementsprechend zeigen wir, dass die Aktivität des JAK/STAT-Signalweges im Wunddistalbereich mit aktiv zyklierenden und proliferierenden Zellen korreliert.

Unsere Arbeit beschreibt, wie die gegenseitige Unterdrückung von JNK/AP-1 und JAK/STAT unterschiedliche Zellzyklus-Reaktionen in der wundnahen und wunddistalen Domäne ermöglicht, um die Regeneration und Homöostase zu fördern. Auffallend ist, dass dieses wundregulierende Netzwerk auch in Tumormodellen vorhanden ist. Wir stellen die Hypothese auf, dass dies das Tumorwachstum fördert, indem es zwei unterschiedliche und kritische Zellpopulationen schafft. Eine davon durchläuft pausiert schützend in G2 und sondert mitogene Upds ab, während die zweite in der Lage ist, auf diese mitogene Signale zu reagieren und zu proliferieren.

Auf Grundlage unserer Daten schlagen wir vor, dass der JNK/AP-1-Signalweg ähnlich wie ein Entwicklungsorganisator als stressinduzierter "Wundorganisator" fungiert, der sekretierte Mitogene zusammen mit einem regulatorischen Netzwerk zur gegenseitigen Unterdrückung nutzt, um verschiedene Verhaltensweisen auf Gewebeebene zu strukturieren und zu koordinieren. Dazu gehören Apoptose, Pausierung in G2/Überleben und Proliferation. Unsere Studie bietet einen einfachen mechanistischen Einblick in die Art und Weise, wie Wundmuster, die durch die regulatorische Interaktion zwischen wichtigen auf Stress reagierenden Signalwegen entstehen, das Reparaturverhalten auf Gewebeebene bestimmen. Darüber hinaus zeigen wir, dass ein solches wundinduziertes regulatorisches Netzwerk auch von Tumoren genutzt werden kann. Das Verständnis des Netzwerks der gegenseitigen Inhibierung könnte die Möglichkeit bieten, viele Arten von chronischen Wunden und Tumoren, die sowohl JNK/AP-1- als auch JAK/STAT-Signale aktivieren, besser zu verstehen und zu behandeln

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2022

Klassifikation und Themen

• Schlagwort: Stressreaktion ; Signaltransduktion ; Cytologie ; Zelle ; Taufliege ; Gewebe

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2022
• Urheber: Jaiswal, Janhvi
• Beteiligte Personen und Organisationen: Claßen, Anne-Kathrin ; Neubüser, Annette ; Onichtchouk, Daria ; Zentrum für Biosystemanalyse ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Biologie ; Professur für Entwicklungsbiologie der Tiere ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Entwicklungsbiologie

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/230627
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2306274
• Rechteinformation: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:48 MEZ