Il cancro come “malattia metabolica”
produrre energia con risorse limitate e favorire percorsi metabolici
che possano sostenere la proliferazione cellulare
Effetto Warburg
IPOSSIA TUMORALE: caratteristica metabolica principale delle cellule tumorali
Attivazione del fattore trascrizionale HIF-1
Effetto Warburg
Switch metabolico si riduce l’uso del ciclo degli acidi
tricarbossilici ed aumenta l’attività della glicolisi anaerobica.
Elevato consumo di glucosio e produzione di acido lattico
SCIENCE VOL 324 22 MAY 2009
Le cellule cancerose sono metabolicamente più attive e captano più glucosio
delle cellule normali
Tomografia a emissione di positroni (PET) somministrazione per via endovenosa al paziente di
molecole marcate con radioisotopi che emettono positroni; tra queste la più utilizzata è il fluorodesossi-glucosio (18F-FDG).
SCIENCE VOL 324, 22 MAY 2009
Cell Metabolism 7, January 2008
Fermentazione lattica
Glicolisi
Fermentazione
Perché avviene lo switch metabolico?
-Utilizzo del nutriente più abbondante per produrre ATP
-Possibilità di utilizzare intermedi della glicolisi a scopi biosintetici
-Possibilità di utilizzare intermedi del Ciclo degli acidi tricarbossilici
a scopi biosintetici
Produzione di molecole necessarie alla crescita
e divisione cellulare
Metabolismo glucosio
La velocità della glicolisi è aumentata di circa 10 volte in cellule tumorali.
Glucosio fornisce
carbonio per i processi
anabolici, energia,
NADPH e ribosio-5fosfato (via del pentoso
fosfato)
Attivazione lattico
deidrogenasi
Inibizione piruvato
chinasi
SCIENCE VOL 324, 22 MAY 2009
Fermentazione lattica
Trasferimento dell’acetil CoA dal
mitocondrio al citosol
Citrato sintasi
Citrato liasi
Malato deidrogenasi
Enzima malico
ENZIMA MALICO
Negli epatociti e negli adipociti il NADPH citosolico
è generato dall’enzima malico
Determina la sintesi di piruvato che rientra nei mitocondri
Funzioni biosintetiche del ciclo degli acidi
tricarbossilici
Metabolismo glutammina
Glutammina fornisce
N per sintesi purine e
pirimidine, intermedi
del ciclo degli acidi
tricarbossilici (TCA
cycle)
Funzione anaplerotica
Cell Metabolism 7, January 2008
TRANSAMINAZIONE
DEAMINAZIONE OSSIDATIVA ac.glutammico
Il fenotipo metabolico di una cellula tumorale deriva da mutazioni genetiche
e risposte al microambiente tumorale
Oncogeni e oncosoppressori possono influenzare lo switch tra glicolisi anaerobica e
ciclo degli acidi tricarbossilici (modulando l’espressione di specifici enzimi) e
aumentare la captazione di glucosio e di glutammina.
Il destino metabolico del glucosio nelle cellule tumorali contribuisce al fenotipo
tumorale
Vie di trasduzione
alterate modificano il
metabolismo cellulare
Nature Reviews Cancer vol.11, February 2011
Signaling Network to Regulate Metabolism in Proliferating Cells
Constitutive activation of the
PI3K/Akt/mTOR pathway can
occur in tumors due to mutation of
tumor suppressors, or by other
mechanisms.
Metabolic effects include:
enhanced uptake of glucose and
essential amino acids and protein
translation.
Translation of HIF-1a is
enhanced. The transcription factor
Myc increases expression of
many metabolic enzymes,
including glycolytic enzymes,
LDH-A, and several enzymes
required for nucleotide
biosynthesis.
Cell Metabolism 7, January 2008
Effetti della Piruvato chinasi su glicolisi e via del pentoso fosfato
Pyruvate kinase isoform M2 (PKM2) is present in
very few types of proliferating normal cells but is
present at high levels in cancer cells.
PKM2 catalyses the rate-limiting step of glycolysis,
controlling the conversion of phosphoenolpyruvate
(PEP) to pyruvate, and thus ATP generation.
By slowing the passage of metabolites through
QuickTime™ and a
decompressor
are needed to see this picture.
glycolysis, PKM2 promotes the shuttling of these
substrates through the pentose phosphate pathway
(PPP) and other alternative pathways so that large
quantities of reduced nicotinamide adenine
dinucleotide phosphate (NADPH) and other
macromolecules are produced. These molecules
are required for macromolecule biosynthesis and
the maintenance of redox balance that is needed to
support the rapid cell division that occurs within a
tumour.
Nature Reviews Cancer vol.11, February 2011
PKM2 Phosphorylates Histone H3 and Promotes
Gene Transcription and Tumorigenesis
Cell 150, 685–696, August 17, 2012
Tumor-specific pyruvate kinase M2
(PKM2) is essential for the Warburg
effect. In addition to its well established
role in aerobic glycolysis, PKM2 directly
regulates gene transcription.
PKM2 Regulates Gene Expression by H3-T11 Phosphorylation.
EGFR activation results in nuclear translocation of PKM2 that binds to gene
promoter regions, where PKM2 phosphorylates H3-T11, leading to HDAC3
disassociation from the promoters and subsequent acetylation of histone H3,
transcription of genes (c-Myc, cyclin D1), cell-cycle progression, and cell proliferation.
Controllo del potenziale redox in cellule tumorali
The production of two of the most
abundant antioxidants, NADPH and
GS), has been shown to be modulated
in cancers. Pyruvate kinase isoform
M2 (PKM2), which is overexpressed in
many cancer cells, can divert
metabolic precursors away from
glycolysis and into the pentose
phosphate pathway (PPP) to produce
NADPH. NADP-dependent isocitrate
dehydrogenase 1 (IDH1, IDH2) and
malic enzyme 1(ME1) also contribute
to NADPH production.
MYC increases glutamine uptake and
glutaminolysis, driving the de novo
synthesis of GSH. Additionally, MYC
contributes to NADPH production by
promoting the expression of PKM2.
Together, NADPH and GSH control
increased levels of reactive oxygen
species (ROS) driven by increased
cancer cell proliferation.
Nature Reviews Cancer vol.11, February 2011
Mutazioni di IDH1 sono state
riscontrate in gliomi e leucemie
mieloidi acute.
Riduzione di alfa-chetoglutarato a
2-idrossiglutarato
Oncometabolita?
Nature Reviews Cancer vol.11, February 2011
L’ipossia è una condizione diffusa nei tumori
- Molti tumori umani hanno valori di pO2 bassi
-
Una ipossia severa non è normalmente presente in
tessuti normali, ma esiste spesso nei tumori
-
Il tumore prolifera più rapidamente di cellule normali
-
La capacità di adattarsi all’ipossia è essenziale per la
crescita tumorale
In ipossia le cellule attivano un tipico programma di espressione genica
regolato principalmente dal fattore di trascrizione indotto da ipossia HIF-1
Superfamiglia dei fattori trascrizionali eucariotici
con dominio basic-helix-loop-helix (bHLH).
Complesso eterodimerico HIF-1
subunità α (120 kDa) regolata dalla concentrazione di ossigeno
subunità β (91/94 kDa) costitutivamente espressa
prolinnnnnnnnnnnnn
Struttura di HIF-1
Il dominio bHLH e il dominio PAS (Per/ARNT/Sim) sono coinvolti nel legame con
il DNA e nella dimerizzazione.
Il dominio ODD (dominio di degradazione ossigeno dipendente) contiene due
residui di prolina regolatori riconosciuti ed idrossilati in normossia da prolilidrossilasi (PHD).
I domini TAD (domini di transattivazione) interagiscono con i coattivatori
trascrizionali (CBP/p300) e contengono un residuo di asparagina che viene
idrossilato in normossia
PHDs sono degli enzimi prolina idrossilasi
la cui attività dipende dalla presenza di
O2, Fe (2+). PHD2 idrossila HIF-1α a livello
di due residui di prolina (dominio ODD)
promuovendone il reclutamento da parte
di pVHL
pVHL modulo di riconoscimento di una E3ubiquitina ligasi responsabile della
ubiquitinazione di HIF-1α e successiva
degradazione per via proteosomica.
Oxygen-independent degradation of HIF1-a via bioengineered
VHLtumour suppressor complex
(EMBO Mol.Med. 2009)
NORMOSSIA
la subunità a viene
continuamente degradata
perchè una prolil-idrossilasi
(PH) attivata da O2 e Fe
idrossila uno specifico residuo
di prolina. Tale residuo viene
riconosciuto dalla proteina
di Von Hippel Lindau (VHL)
che media l’aggiunta di
ubiquitina ad opera di
ubiquitin-ligasi (UL) e la
degradazione della subunità α
nel proteasoma.
IPOSSIA o in mancanza di
VHL ciò non avviene;
entrambe le subunità di HIF
sono presenti e i geni
dell’ipossia vengono trascritti.
Stabilizzazione
Traslocazione nucleare
Formazione eterodimero
Attivazione trascrizionale
Fattore inibente HIF (FIH) è una asparagina idrossilasi, dipendente da O2
a-chetiglutarato e Fe: L’idrossilazione blocca l’interazione con CBP/p300
Prolil-idrossilasi (PHD): Km per O2 230 mM
Fattore inibente HIF (FIH): Km per O2 90mM
In condizioni di ipossia HIF-1a non viene degradato ma trasloca nel nucleo e dimerizza
con HIF1-b. L’eterodimero interagisce con CBP/p300, riconosce e si lega alla sequenza
nota come elemento regolatore dell’ipossia (HRE) presente sul promotore di geni indotti
dall’ipossia, attivandone la loro trascrizione.
Ruolo di HIF nel metabolismo
Trasportatori del glucosio GLUT1, GLUT3
Enzimi della glicolisi
Piruvato deidrogenasi chinasi 1 (PDK1)
Trasportatori di acidi monocarbossilici e di H+
Anidrasi Carbonica 9
HIF-1 Attiva la piruvato deidrogenasi chinasi 1 (PDK1)
PDK1 fosforila la piruvato deidrogenasi inattivandola
Ciò impedisce la conversione del piruvato in Acetil CoA e
l’utilizzazione del piruvato da parte dei mitocondri.
Contributo di HIF all’effetto Warburg
Myc, che è attivato nel 40% dei tumori umani, coopera con HIF-1
nell’attivazione trascrizionale di PDK1
Processi biologici
Geni
Angiogenesi
Inibitore dell’attivatore del Plasminogeno tissutale (PAI-1), fattore di crescita
dell’endotelio vascolare (VEGF), recettore FLT- 1 del VEGF
Proliferazione cellulare e
sopravvivenza
CMET: recettore tirosina chinasico in grado di promuovere la proliferazione, la
migrazione, ed altri meccanismi cellulari.
ciclina G2, endotelina 1, eritropoietina, eme- ossigenasi 1 , fattore di crescita insulin-simile
2 (IGF-2), proteine leganti l’IGF (IGFBP -1,-2,-3), ossido nitricosintasi 2, p21,
Microambiente
extracellulare
Anidrasi Carbonica 9, collagenedi tipo V (ccl), prolil-4-idrossilasi
Trasportatori del glucosio GLUT1 , GLUT3
Metabolismo del
Glucosio
Omeostasi del ferro
Altri fattori di trascrizione
Enzimi glicolitici aldolasi A, aldolasi C, gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi,
enolasi,
esochinasi,
lattato
deidrogenasi,
fosfofruttochinasi
fosfogliceratochinasi 1 , piruvato chinasi, triosofosfato isomerasi
Ceruloplasmina, transferrina, recettore della transferrina
DEC1 , p35srg, recettore per gli attivatori dei perossisomialfa (PPARalfa)
Tabella 1-1: Geni target di HIF-1(Semenza 2002)
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