Il cancro come malattia metabolica produrre energia con

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 (18 F-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-5 fosfato (via del pentoso fosfato) Attivazione lattico deidrogenasi Inibizione piruvato chinasi SCIENCE VOL 324, 22 MAY 2009

Fermentazione lattica

Trasferimento dell’acetil Co. A 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 PI 3 K/Akt/m. TOR 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-1 a 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 M 2 (PKM 2) is present in very few types of proliferating normal cells but is present at high levels in cancer cells. PKM 2 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 glycolysis, PKM 2 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

PKM 2 Phosphorylates Histone H 3 and Promotes Gene Transcription and Tumorigenesis Cell 150, 685– 696, August 17, 2012 Tumor-specific pyruvate kinase M 2 (PKM 2) is essential for the Warburg effect. In addition to its well established role in aerobic glycolysis, PKM 2 directly regulates gene transcription. PKM 2 Regulates Gene Expression by H 3 -T 11 Phosphorylation. EGFR activation results in nuclear translocation of PKM 2 that binds to gene promoter regions, where PKM 2 phosphorylates H 3 -T 11, leading to HDAC 3 disassociation from the promoters and subsequent acetylation of histone H 3, transcription of genes (c-Myc, cyclin D 1), 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 M 2 (PKM 2), which is overexpressed in many cancer cells, can divert metabolic precursors away from glycolysis and into the pentose phosphate pathway (PPP) to produce NADPH. NADPdependent isocitrate dehydrogenase 1 (IDH 1, IDH 2) and malic enzyme 1(ME 1) 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 PKM 2. 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 IDH 1 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 p. O 2 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 (b. HLH). Complesso eterodimerico HIF-1 subunità α (120 k. Da) regolata dalla concentrazione di ossigeno subunità β (91/94 k. Da) costitutivamente espressa

prolinnnnnnn Struttura di HIF-1 Il dominio b. HLH 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/p 300) e contengono un residuo di asparagina che viene idrossilato in normossia

PHDs sono degli enzimi prolina idrossilasi la cui attività dipende dalla presenza di O 2, Fe (2+). PHD 2 idrossila HIF-1α a livello di due residui di prolina (dominio ODD) promuovendone il reclutamento da parte di p. VHL modulo di riconoscimento di una E 3 ubiquitina ligasi responsabile della ubiquitinazione di HIF-1α e successiva degradazione per via proteosomica. Oxygen-independent degradation of HIF 1 -a via bioengineered VHLtumour suppressor complex (EMBO Mol. Med. 2009)

NORMOSSIA la subunità a viene continuamente degradata perchè una prolil-idrossilasi (PH) attivata da O 2 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 O 2 a-chetiglutarato e Fe: L’idrossilazione blocca l’interazione con CBP/p 300 Prolil-idrossilasi (PHD): Km per O 2 230 m. M Fattore inibente HIF (FIH): Km per O 2 90 m. M

In condizioni di ipossia HIF-1 a non viene degradato ma trasloca nel nucleo e dimerizza con HIF 1 -b. L’eterodimero interagisce con CBP/p 300, 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 GLUT 1, GLUT 3 Enzimi della glicolisi Piruvato deidrogenasi chinasi 1 (PDK 1) Trasportatori di acidi monocarbossilici e di H+ Anidrasi Carbonica 9

HIF-1 Attiva la piruvato deidrogenasi chinasi 1 (PDK 1) PDK 1 fosforila la piruvato deidrogenasi inattivandola Ciò impedisce la conversione del piruvato in Acetil Co. A 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 PDK 1

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 G 2, 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, p 21, Microambiente extracellulare Anidrasi Carbonica 9, collagenedi tipo V (ccl), prolil-4 -idrossilasi Trasportatori del glucosio GLUT 1 , GLUT 3 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 DEC 1 , p 35 srg, recettore per gli attivatori dei perossisomialfa (PPARalfa) Tabella 1‑ 1: Geni target di HIF-1(Semenza 2002)