Senescence and post-senescence in cancers of unknown primary: observations of development of aggressive tumors from previously senescent cells

Abstract

Background Cellular senescence, initially seen as a tumor-suppressive mechanism, has shown dual roles, being both protective and harmful. Recent insights reveal that senescent cells can acquire senescence-associated stemness (SAS) and may re-enter the cell cycle, termed “post-senescence” (PS), adding complexity to cancer biology. Cancer of unknown primary (CUP), an aggressive cancer with an undetected origin, displays stem-like features that resemble the stemness surge observed in PS cells, making it an ideal model for studying PS-SAS dynamics and the role of senescence escape in cancer aggressiveness. The crosstalk between epithelial-mesenchymal transition (EMT) and senescence, often thought to be opposing processes, may influence cell fate in unexpected ways. The potential of EMT and its reverse, mesenchymal-epithelial transition (MET), to facilitate senescence escape and promote stemness remains unclear. In this study, we analyzed PS signature expression in two CUP cohorts and examined EMT/MET activity at different senescence stages. Our goal was to understand how EMT/MET may contribute to senescence escape and stemness in CUP. Methods We retrieved and compiled publicly available signatures, along with our own, related to senescence, PS, and EMT/MET. To explore the senescent status in CUPs, we compared transcriptomic data from CUPs (with successful primary tumor predictions) to corresponding TCGA samples of the same cancer types. Additionally, we investigated the role of EMT/MET by analyzing multi-omics data from conditional senescence models and in vivo cancer datasets. Results By integrating the information from the publication and a machine learning-based predictor, we successfully and strictly predicted a portion of CUP samples (n = 20 of 48 in the Heidelberg cohort and n = 15 of 45 in the Paris cohort). Gene set enrichment analysis (GSEA) indicated that PS signatures were higher in CUPs, respectively in those with confident predictions. EMT and senescence signatures were found simultaneously enriched in a series of datasets including the colorectal cancer scRNA-seq dataset and our Eμ-myc;Suv39h1-;bcl2 murine lymphoma scRNA-seq dataset. In a multi-omics dataset of the H-RASG12V-expressing human fibroblasts (an oncogene-induced senescence model), the EMT key transcription factor (TF) ZEB1 was observed to be highly activated during the senescence, as well as its related EMT gene NRP2. The opposite changes were found in epithelial-associated TF KLF4 and typical markers like KRT18 and CDH1. Conclusions Our gene expression analyses suggest that CUP may serve as a natural and promising disease model, potentially representing a PS or SAS status. In this scenario, tumor cells in senescence or dormancy re-enter the cell cycle, acquiring enhanced stemness. Additionally, ZEB1-initiated EMT programming appears to be activated during senescence and may contribute to facilitating escape and promoting SAS.

Einleitung Zelluläre Seneszenz, ursprünglich als tumorunterdrückender Mechanismus gesehen, zeigt duale Rollen, schützend und schädlich. Neuere Erkenntnisse zeigen, dass seneszente Zellen seneszenzassoziierte Stammhaftigkeit (SAS) erwerben und in den Zellzyklus zurückkehren können, als „Post-Seneszenz“ (PS) bezeichnet, was die Krebsbiologie verkompliziert. Krebs unbekannter Primärtumorherkunft (CUP), ein aggressiver Krebs mit nicht feststellbarem Ursprung, zeigt stammzellähnliche Merkmale, die dem Stammheitsschub in PS-Zellen ähneln, was CUP zu einem idealen Modell für die Untersuchung der PS-SAS-Dynamik und der Rolle des Seneszenz-Escape bei Krebsaggressivität macht. Die Beziehung zwischen epithelial-mesenchymaler Transition (EMT) und Seneszenz, oft als gegensätzliche Prozesse betrachtet, könnte den Zellschicksalsverlauf beeinflussen. Ob EMT und dessen Umkehrung, die mesenchymal-epitheliale Transition (MET), den Seneszenz-Escape und die Stammhaftigkeit fördern, ist unklar. In dieser Studie analysierten wir PS-Signaturen in zwei CUP-Kohorten und untersuchten die EMT/MET-Aktivität in verschiedenen Seneszenzstadien. Unser Ziel war es, zu verstehen, wie EMT/MET den Seneszenz-Escape und die Stammhaftigkeit in CUP beeinflussen könnte. Methoden Wir sammelten und kombinierten öffentlich verfügbare sowie eigene Signaturen zu Seneszenz, PS und EMT/MET. Zur Untersuchung des Seneszenzstatus in CUPs verglichen wir Transkriptomdaten von CUPs (mit Primärtumorvorhersagen) mit TCGA-Proben derselben Krebsarten. Zudem untersuchten wir die Rolle von EMT/MET anhand von Multi-Omics-Daten aus konditionalen Seneszenzmodellen und in vivo-Krebsdatensätzen. Ergebnisse Mithilfe eines maschinellen Lern-basierten Prädiktors konnten wir präzise einen Teil der CUP-Proben vorhersagen (n = 20 von 48 in der Heidelberger und n = 15 von 45 in der Pariser Kohorte). Die Gen-Set-Enrichment-Analyse (GSEA) zeigte, dass PS-Signaturen in CUPs und insbesondere in zuverlässigen Vorhersagen erhöht waren. EMT- und Seneszenz-Signaturen waren in Datensätzen wie dem Kolorektalkarzinom-scRNA-seq-Datensatz und unserem Eμ-myc;Suv39h1-;bcl2 murinen Lymphom-scRNA-seq-Datensatz angereichert. In einem Multi-Omics-Datensatz von H-RASG12V-exprimierenden Fibroblasten (Modell der onkogeninduzierten Seneszenz) war der EMT-TF ZEB1 wärhend der Seneszenz stark aktiviert, ebenso das EMT-Gen NRP2. Entgegengesetzte Veränderungen wurden bei KLF4, KRT18 und CDH1 beobachtet. Schlussfolgerungen Unsere Genexpressionsanalysen legen nahe, dass CUP als natürliches und vielversprechendes Krankheitsmodell dienen k鰊nte, das möglicherweise einen PS- oder SAS-Status darstellt. In diesem Szenario treten Tumorzellen in Seneszenz oder Ruhezustand wieder in den Zellzyklus ein und erlangen eine verbesserte Stammzelleneigenschaft. Darüber hinaus scheint die von ZEB1 initiierte EMT-Programmierung während der Seneszenz aktiviert zu werden und könnte dazu beitragen, die Flucht zu erleichtern und SAS zu fördern.