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The integrated stress response (ISR) is a central cellular adaptive program that is activated by diverse stressors including ER stress, hypoxia and nutrient deprivation to orchestrate responses via activating transcription factor 4 (ATF4). We hypothesized that ATF4 is essential for the adaptation of human glioblastoma (GB) cells to the conditions of the tumor microenvironment and is contributing to therapy resistance against chemotherapy. ATF4 induction in GB cells was modulated pharmacologically and genetically and investigated in the context of temozolomide treatment as well as glucose and oxygen deprivation. The relevance of the ISR was analyzed by cell death and metabolic measurements under conditions to approximate aspects of the GB microenvironment. ATF4 protein levels were induced by temozolomide treatment. In line, ATF4 gene suppressed GB cells (ATF4sh) displayed increased cell death and decreased survival after temozolomide treatment. Similar results were observed after treatment with the ISR inhibitor ISRIB. ATF4sh and ISRIB treated GB cells were sensitized to hypoxia-induced cell death. Our experimental study provides evidence for an important role of ATF4 for the adaptation of human GB cells to conditions of the tumor microenvironment characterized by low oxygen and nutrient availability and for the development of temozolomide resistance. Inhibiting the ISR in GB cells could therefore be a promising therapeutic approach.
Inducible gene expression is an important tool in molecular biology research to study protein function. Most frequently, the antibiotic doxycycline is used for regulation of so-called tetracycline (Tet)-inducible systems. In contrast to stable gene overexpression, these systems allow investigation of acute and reversible effects of cellular protein induction. Recent reports have already called for caution when using Tet-inducible systems as the employed antibiotics can disturb mitochondrial function and alter cellular metabolism by interfering with mitochondrial translation. Reprogramming of energy metabolism has lately been recognized as an important emerging hallmark of cancer and is a central focus of cancer research. Therefore, the scope of this study was to systematically analyze dose-dependent metabolic effects of doxycycline on a panel of glioma cell lines with concomitant monitoring of gene expression from Tet-inducible systems. We report that doxycycline doses commonly used with inducible expression systems (0.01–1 µg/mL) substantially alter cellular metabolism: Mitochondrial protein synthesis was inhibited accompanied by reduced oxygen and increased glucose consumption. Furthermore, doxycycline protected human glioma cells from hypoxia-induced cell death. An impairment of cell growth was only detectable with higher doxycycline doses (10 µg/mL). Our findings describe settings where doxycycline exerts effects on eukaryotic cellular metabolism, limiting the employment of Tet-inducible systems.
Background: The epidermal growth factor receptor (EGFR) signaling pathway is genetically activated in approximately 50% of glioblastomas (GBs). Its inhibition has been explored clinically but produced disappointing results, potentially due to metabolic effects that protect GB cells against nutrient deprivation and hypoxia. Here, we hypothesized that EGFR activation could disable metabolic adaptation and define a GB cell population sensitive to starvation.
Methods: Using genetically engineered GB cells to model different types of EGFR activation, we analyzed changes in metabolism and cell survival under conditions of the tumor microenvironment.
Results: We found that expression of mutant EGFRvIII as well as EGF stimulation of EGFR-overexpressing cells impaired physiological adaptation to starvation and rendered cells sensitive to hypoxia-induced cell death. This was preceded by adenosine triphosphate (ATP) depletion and an increase in glycolysis. Furthermore, EGFRvIII mutant cells had higher levels of mitochondrial superoxides potentially due to decreased metabolic flux into the serine synthesis pathway which was associated with a decrease in the NADPH/NADP+ ratio.
Conclusions: The finding that EGFR activation renders GB cells susceptible to starvation could help to identify a subgroup of patients more likely to benefit from starvation-inducing therapies.
Das Glioblastom ist der häufigste bösartige primäre Hirntumor im Erwachsenenalter. Trotz intensiver Forschungsbemühungen inklusive zahlreicher Therapiestudien liegt die mediane Gesamtüberlebenszeit selbst von Patienten in gutem Allgemeinzustand noch immer unter zwei Jahren. Deshalb ist die Erforschung möglicher Resistenzmechanismen sowie neuer therapeutischer Angriffspunkte dringend erforderlich, um effizientere Therapien zu entwickeln.
Insbesondere der Tumormetabolismus hat in den vergangenen Jahren an Bedeutung in der Krebsforschung gewonnen. Hier zeigte sich in anderen Tumorentitäten, dass der Metabolismus der Aminosäure Serin, insbesondere des Schlüsselenzyms der Serin-Biosynthese, der 3-Phosphoglyceratdehydrogenase (PHGDH), ein Ansatzpunkt für neue Therapien sein kann. Wir stellten uns die Frage, ob auch im Glioblastom der Serinstoffwechsel von Bedeutung für Wachstum und Überleben der Tumorzellen ist und ob dieser somit einen neuen therapeutischen Angriffspunkt darstellen kann.
Zur Untersuchung dieser Fragestellung wurden initial verschiedene Tumorzelllinien hinsichtlich ihrer basalen Expression von PHGDH und weiterer Schlüsselenzyme des Serinstoffwechsels auf mRNA- und Protein-Ebene analysiert. Anschließend wurde untersucht, ob sich die Expression dieser Enzyme durch Zellstress verändert. Zur weiteren Evaluierung der PHGDH als möglichem Ansatz für neue Therapien wurde deren Aktivität pharmakologisch und genetisch inhibiert. In Wachstumsanalysen wurde ferner die Abhängigkeit der Zellen von verschiedenen Serinquellen untersucht. Unter Bedingungen des Tumormikromilieus wurden Zelltod- und Redox-Stress-Parameter untersucht. Abschließend wurden die Ergebnisse durch eine PHGDH-Überexpression validiert.
Die basalen Expressionsniveaus der PHGDH unterschieden sich in den fünf analysierten Gliomzelllinien. Es zeigte sich keine Korrelation mit der Expression der
Serinhydroxymethyltransferase 1 und 2 (SHMT 1 und 2, zytoplasmatische bzw. mitochondriale Isoform), welche ebenfalls Schlüsselenzyme im Serinstoffwechsel sind. Unter Zellstress, welcher mittels Hypoxie oder Aktivierung des Nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) induziert wurde, zeigte sich ein Anstieg der Expression von PHGDH und SHMT2. Im nächsten Schritt erfolgten Versuche mit CBR-5884, einem pharmakologischen Inhibitor der PHGDH. CBR-5884 reduzierte signifikant die intrazellulären Serin- und Glycin-Spiegel. Parallel zeigte sich eine dosisabhängige, signifikante Reduktion des Zellwachstums in allen getesteten Linien, ohne eine Induktion von Zelltod. Zelllinien mit niedriger PHGDH-Expression wurden zusätzlich bereits durch Entzug von Serin aus dem Kulturmedium signifikant in ihrem Wachstum gehemmt. Unter realistischen Bedingungen des Tumormikromilieus mit Sauerstoff- und Nährstoffmangel zeigte sich unter zusätzlicher PHGDH-Inhibition mittels CBR-5884 ein signifikanter Anstieg von Zelltod-Parametern und reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) einhergehend mit einer reduzierten NADPH/NADP+-Ratio. Die Ergebnisse der pharmakologischen PHGDHInhibition konnten durch eine PHGDH-Gensuppression reproduziert werden.
Umgekehrt bestätigte eine genetische PHGDH-Überexpression den protektiven Effekt eines aktiven Serinmetabolismus für die Tumorzellen.
Zusammenfassend zeigte sich in unseren Versuchen, dass unter Bedingungen des Tumormikromilieus einige Gliomzell-Linien den Serinmetabolismus induzieren, was einen protektiven Effekt für das Überleben unter widrigen Mikromilieusbedingungen zu haben scheint. Umgekehrt reduzierte eine Inhibition der PHGDH als Schlüsselenzym der Serinsynthese unter diesen Bedingungen das Wachstum von Glioblastom-Zellen und induzierte gleichzeitig Zelltod und Redoxstress. Diese Ergebnisse rechtfertigen eine weitere präklinische Testung in in vivo Modellen. Zusammenfassend legen unsere Ergebnisse nahe, dass der Serinmetabolismus einen vielversprechenden Angriffspunkt für neue Therapiestrategien im Glioblastom darstellen könnte.