Autofagi conundrum i cancer: påverkan av tumörgen metabolisk omprogrammering | onkogen

Autofagi conundrum i cancer: påverkan av tumörgen metabolisk omprogrammering | onkogen

Anonim

ämnen

  • autophagy
  • Cancermetabolism
  • onkogenes

Abstrakt

Tumorigenes åtföljs ofta av metaboliska förändringar som gynnar snabb energiproduktion och ökad biosyntetisk kapacitet. Dessa metaboliska anpassningar främjar överlevnaden och spridningen av tumörceller, och i samband med den hypoxiska och metabola utmanade tumörmikromiljön påverkar autofagisk aktivitet. Autophagy är en katabolisk process som gör att cellulära makromolekyler kan brytas ner och användas igen som metaboliska prekursorer. Stimulering av autofagi främjar överlevnaden av tumörceller under stressande metaboliska och miljömässiga förhållanden och räknar de potentiellt skadliga effekterna av mitokondriell dysfunktion och ROS som dessa organeller genererar. Emellertid har hämning av autofagi också rapporterats driva tumörgenes. Trots framstegen i vår förståelse av förhållandet mellan autofagi och tumörgenes, är det fortfarande oklart om de terapeutiska metoderna som riktar sig till autofagi bör syfta till att öka eller minska autofagflödet i tumörvävnader hos mänskliga patienter. Här granskar vi hur metabolisk omprogrammering påverkar autofagisk aktivitet i tumörer och diskuterar hur hämning av autofagi kan utnyttjas för att rikta tumörceller som visar förändrad metabolism.

Introduktion

Autophagy, en term baserad på de grekiska orden för "self" (auto) och "eat" (phagy), beskriver en lysosom-medierad nedbrytningsprocess där en cell återvinner intracellulära makromolekyler och organeller för att regenerera metaboliska byggstenar. I encelliga organismer, såsom jäst, är autofagi en mekanism som främjar överlevnad när extracellulära näringsämnen begränsar. Autofagi stöder också cellulär homeostas i flercelliga organismer under fasta. Men i metazoans bidrar autofagi till en mångfald andra processer, såsom utvecklingscelldöd (Berry och Baehrecke, 2007; Denton et al., 2009), clearance av skadliga proteinaggregat (Renna et al., 2010) och mitokondriell clearance under erytrocytmognad (Kundu et al., 2008; Sandoval et al., 2008; Novak et al., 2010). Genom att rikta in sig på skadade makromolekyler och organeller för nedbrytning skyddar autofagi celler också från inre och yttre förolämpningar, inklusive metabolisk, oxidativ och kemoterapeutisk stress.

Dessa autofagifunktioner är skyddande och har en framträdande roll vid många patologiska tillstånd, inklusive neurodegeneration (Wong och Cuervo, 2010), Crohns sjukdom (Brest et al., 2010) och patogena infektioner (Deretic, 2010). Dess roll i cancer är dock mindre definierad. Den första genetiska kopplingen mellan autofagi och cancer inträffade med upptäckten att Beclin-1, en tumörsuppressor, var ett autofagi-relaterat protein. Beclin1 är bosatt i en kromosomal region som ofta raderas i sporadiskt humant bröst, äggstockscancer och prostatacancer (Aita et al., 1999). I bröstcancercellinjer med reducerade Beclin-1-nivåer, återuttryckning av proteinet återställd autofagi och undertryckt tumörigenes (Liang et al., 1999), medan möss som är heterozygota för beclin1 var mer benägna att tumörigenes (Qu et al., 2003) . Ett kärnkomplex bestående av Beclin-1, Vps34 (ett klass-III-fosfatidylinositol-3-kinas (PI3K)) och Vps15 främjar autofagi genom att förmedla autofagosomkärnbildning (Funderburk et al., 2010).

Sedan upptäckten av Beclin-1 har andra studier också visat att autofagi-bristiga celler är mer tumörgena än deras autofagikompetenta motsvarigheter (Liang et al., 1999; Marino et al., 2007; Mathew et al., 2009), delvis på grund av en ökning av DNA-skadesvaret och kromosomal instabilitet (Karantza-Wadsworth et al., 2007; Mathew et al., 2007). Dessutom är möss som har borttagningar i autofagi-relaterade (Atg) gener mer benägna att tumörigenes (Marino et al., 2007; Takamura et al., 2011). Dessa data leder till hypotesen att autofagi har tumörundertryckande funktioner. Samlade bevis tyder emellertid också på att autofagi främjar snarare än undertrycker malig utveckling. Hämning av autofagi i tumörceller i bukspottkörteln som odlas som xenografts i nakna möss förhindrar tumörtillväxt (Yang et al., 2011). I mer avancerade tumörer skyddar autofagi cancerceller mot kemoterapeutisk eller miljömässig metabolisk stress, vilket överensstämmer med iakttagelser om att cancerceller som är bosatta i dåligt perfuserade tumörvävnader ofta visar markörer för ökad autofagisk aktivitet (Degenhardt et al., 2006). Således kan autofagi undertryckas under de initiala stadierna av transformation och därefter uppregleras efter att tumören är fullständigt etablerad (Chen och Debnath, 2010; Galluzzi et al., 2010; Mathew och White, 2011) (Amaravadi et al., 2011) .

Induktion av autofagi genom kemoterapeutika kan också underlätta cellöverlevnad, och denna hypotes undersöks nu i kliniska studier på människa. Hydroxychloroquine, en väl etablerad hämmare av lysosomal funktion och därför autofagi, testas hos patienter med etablerade tumörer i kombination med konventionell cytotoxisk kemoterapi (granskad av Livesey et al., 2009). Uppreglering av autofagi förlänger överlevnaden för tumörceller behandlade med cytotoxiska läkemedel; således kan samtidig hämning av autofagi hos patienter som får dessa läkemedel öka tumörcelldöd (Livesey et al., 2009; Solomon och Lee, 2009; Amaravadi et al., 2011). Vissa cytotoxiska läkemedel har emellertid identifierats som inducerar celldöd till följd av förbättrad autofagisk aktivitet (Turcotte et al., 2008; Salazar et al., 2009). Således fortsätter andra grupper att främja idén att överstimulering av autophagy leder till celldöd till följd av överdriven självkannibalisering. Även om autofagi som celldödmekanism kan inträffa in vitro med experimentell manipulation finns det begränsade tillgängliga bevis på att fysiologisk autofagisk celldöd inträffar i däggdjursceller in vivo (Kroemer och Levine, 2008). Bekräftelse av autofagisk celldöd visas vanligtvis genom ökad överlevnad vid knockdown av Atg-proteiner, men eftersom dessa proteiner kan ha roller i andra celldödmekanismer (Yousefi et al., 2006) förblir tanken på celldöd till följd av autofagi kontroversiell (Kroemer och Levine, 2008; Marino et al., 2011).

Insatser för att förstå autofagins roller i tumörigen ska kräva förståelse för hur händelserna som driver tumörigen påverkar autofagi. En sådan märkbar tumörgenhändelse är omprogrammeringen av cellulär metabolism. För att upprätthålla kontinuerlig celldelning, engagerar tumörceller kontinuerligt protein, nukleinsyra och lipidbiosyntes. Även om mutationer i specifika metabola enzymer är sällsynta förändrar tumörceller deras metaboliska vägar för att uppreglera glykolytiska, glutaminolytiska och lipogena program.

Fysiologisk kontroll av autofagi: mTOR

Innan vi undersöker effekten av tumörgena metaboliska störningar på autofagi, måste vi först förstå hur autofagi regleras i normala celler. Autofagi initieras när en dubbelmembranstruktur benämns autofagosomen upptäcker cytoplasmiska beståndsdelar och smälter samman med lysosomen. Den resulterande autolysosomen representerar slutet av linjen för den autofagosomala lasten; i den sura mikromiljön smälter lysosomala enzymer makromolekylerna och de resulterande nedbrytningsprodukterna exporteras från lysosomalumen till cytoplasma, där de återvinns tillbaka till metaboliska vägar. Ursprungligen trott vara en icke-selektiv process, visar nyligen genomförda studier att erkännande och autofagisk clearance av viss last, såsom organeller, och ubikvitinerade eller aggregerade proteiner, medieras av specifika inriktningsproteiner (Narendra et al., 2008; Kirkin et al., 2009; Filimonenko et al., 2010).

Autofagi aktiveras av begränsningar i glukos, aminosyror och syre. Tidigare studier av spirande jäst kopplade aminosyra-svält-inducerad autofagi till hämning av jästortologer från däggdjurens mål för rapamycin (mTOR), en central komponent i näringsresponsiviteten i alla eukaryota celler. MTOR-komplexet-1 (mTORC1), ett multiproteinkomplex som definieras av den undertecknande underenheten Raptor, integrerar signaler relaterade till tillgängligheten för tillväxtfaktorer, aminosyror, glukos, ATP och syre i värdcellen. Inhibering av mTORC1 genom brist på dessa faktorer, eller av farmakologiska medel såsom rapamycin, undertrycker mRNA-översättning (en stor konsument av metaboliska prekursorer och energi) och uppreglerar katabolism genom stimulering av autofagiskt flöde. Aktiviteten hos mTORC1 stimuleras av den lilla GTPas Rheb, som i sig hämmas av det heterodimera tuberösa skleroskomplexet (TSC) som består av TSC1 och TSC2. Även om mTOR också finns i mTOR-komplexet-2 (mTORC2), definierat av Rictor-subenheten, verkar förhållandet mellan mTORC2-aktivitet och autofagi vara mer celltyp och kontextberoende (Mammucari et al., 2007; Thoreen et al., 2009; Gurusamy et al., 2010).

Erkännandet av näringsämne tillgänglighet av mTOR moduleras genom flera uppströmsregulatorer (Abraham och Eng, 2008). Glukosberövning resulterar i ett förhöjt AMP / ATP-förhållande, vilket leder till aktivering av AMP-aktiverat proteinkinas (AMPK), som fosforylerar och aktiverar TSC2, vilket orsakar mTOR-inaktivering. På liknande sätt inducerar hypoxi uttrycket av REDD1 (för r egulerat i d- hölje och DNA-amage-svar), vilket stimulerar TSC-aktivitet och i sin tur undertryckande av mTORC1. Slutligen tillåter närvaron av aminosyror aktivering av mTOR av Rheb, delvis genom den Rag GTPas-medierade translokationen av mTOR till den lysosomala ytan (Sancak et al., 2010). Aminosyra-svält, som hämmar mTOR, underlättar också autofagosom-lysosom-fusion genom lysosom-kluster (Korolchuk et al., 2011).

Hämning av mTOR stimulerar autofagi genom en evolutionärt bevarad väg som involverar proteinkinas ULK1, en homolog av jäst Atg1-kinas. ULK1 finns i komplex med Atg-proteinerna FIP200 (som tros vara den funktionella homologen av jäst Atg17) och Atg13. Som svar på näringsämnen binds mTOR till ULK1 – Atg13 – FIP200-komplexet och fosforylerar både ULK1 och Atg13. Bindningen av mTOR till komplexet och fosforylering av ULK1 av mTOR hämmar kinasaktiviteten för ULK1 (Hosokawa et al., 2009; Jung et al., 2009). Näringsbegränsning eller behandling med rapamycin resulterar i hämning av mTOR, dissociation av mTOR från komplexet och en minskning av ULK1 och Atg13 fosforylering. Nya studier identifierade AMPK som en positiv regulator för ULK1-komplexaktiviteten, som är nödvändig för autofagi (Lee et al., 2010; Egan et al., 2011; Kim et al., 2011a).

Autofagi stimuleras också via mTOR-oberoende vägar, även om de exakta mekanismerna är mindre väl förståda. Många farmakologiska medel har rapporterats stimulera autofagi på ett mTOR-oberoende sätt (Sarkar et al., 2007; Zhang et al., 2007), med viss involvering av Ca 2+ och inositol 1, 4, 5-trisfosfat-signalering (Williams et al., 2008). Aminosyrareglering av autofagi sker också på ett mTOR-oberoende sätt i muskelceller (Mordier et al., 2000) genom FoxO3-medierad transkription av autofagi-generna MAP1LC3B (microtubule-associerat protein 1 lätt kedja 3b ) och BNIP3 (BCL2 / adenovirus E1B 19 kDa proteininteraktivt protein 3) (Mammucari et al., 2007) och i leverceller (Kanazawa et al., 2004). En liten interfererande RNA-skärm för autofagi-modulatorer identifierade också ett antal tillväxtfaktorer och cytokiner som undertrycker autofagi oberoende av mTOR genom hämning av klass III-PI3K (Lipinski et al., 2010).

Effekter av metabolisk omprogrammering på autofagi: glykolys

Den första kopplingen mellan tumörgenes och metabolisk omprogrammering gjordes på 1920-talet, då den legendariska tyska biokemisten Otto Warburg först noterade att tumörskivor visade en ovanligt hög nivå av glykolytisk aktivitet, även under normoxiska förhållanden, i motsats till normala differentierade celler, som främst metaboliserar glukos genom oxidativ fosforylering. Denna metabola avvikelse är grunden för en kliniskt validerad tumöravbildningsmodalitet benämnd 18 F-deoxyglukos-positronemissionstomografi (FDG – PET). Tumörer visualiseras av FDG – PET baserat på deras förhöjda nivåer av glukosupptag jämfört med de flesta normala vävnader i kroppen (Vander Heiden et al., 2009).

Warburg ansåg att denna förändring i glukosmetabolismen resulterade från mitokondriell dysfunktion. Det inses nu att cancercellmytokondrier inte är globalt dysfunktionella, utan snarare omprogrammeras för att stödja deras ökade biosyntetiska behov. Eftersom mitokondrier i tumörceller är avsedda att producera de föregångare som är nödvändiga för protein, lipid och nukleinsyras biosyntes, minskas aktiviteten hos den ATP-genererande elektrontransportkedjan och glykolytisk metabolism ökas för att möta de bioenergetiska och biosyntetiska behoven hos cancerceller. . Även om den är mindre effektiv, är den ökade energiproduktionstakten genom aerob glykolys jämfört med oxidativ fosforylering också fördelaktig för snabbt spridande celler (DeBerardinis et al., 2008).

Omkopplingen från oxidativ fosforylering till glykolys induceras av aktivering av flera onkogener. Transformation inducerad av Ras eller Src ökar glukosupptaget (Flier et al., 1987). Överuttryck av myc, som förekommer i över 40% av humana cancerformer, aktiverar transkriptionen av många enzymer som är involverade i glukosmetabolism, inklusive laktatdehydrogenas, hexokinas, glukostransporter-1 (GLUT-1) och pyruvat-kinas M2 (Dang et al., 2009). Slutligen resulterar aktivering av PI3K-vägen, som ofta sker i maligna celler genom deregulerad tillväxtfaktorreceptorsignalering, mutationer i den katalytiska p110a-enheten, förlust av fosfatas och tensinhomolog (PTEN) eller amplifiering av Akt, också ökat glukosupptag och glykolys (Elstrom et al., 2004).

För att maximera ackumulering av cellmassa under tumörigen kan man förvänta sig att kataboliska processer såsom autofagi undertrycks. Denna hypotes stöds av data som visar att transformation drivs av onkogener såsom Ras (Furuta et al., 2004), PI3K (Petiot et al., 2000) och myc (Balakumaran et al., 2009) eller förlust av tumörsuppressorn PTEN (Arico et al., 2001), undertrycker autofagi. Aktivering av mTOR genom dessa transformerande händelser (Shaw och Cantley, 2006; Ravitz et al., 2007) är en mekanism genom vilken autofagi kan nedregleras som svar på onkogen signalering. Cytokinreceptorengagemang utlöser också signalhändelser som undertrycker autofagi (Lipinski et al., 2010). Dessa studier stöder hypotesen att vissa tidiga drivkrafter för transformation undertrycker autofagi, kanske för att tillgodose behovet av en snabb ökning av cellmassa för att bränna cellproliferation.

Ett anmärkningsvärt undantag från onkogeninducerad undertryckning av autofagi är mutation av K-Ras. Uttryck av mutant K-Ras förbättrar aerob glykolys (Racker et al., 1985; Vizan et al., 2005), delvis på grund av ökat uttryck av GLUT-1 (Yun et al., 2009) och PFKFB3 (6- fosfofrukto-2-kinas / fruktos-2, 6-bisfosfatas) (Telang et al., 2006). Beroendet av K-Ras-muterade celler av glukos beror delvis på behovet av ökat kolflöde genom pentosfosfatvägen (Weinberg et al., 2010). Även om tidigare arbete visade undertryckande av autofagi med uttryck av mutant K-Ras (Furuta et al., 2004), har ett antal nya studier illustrerat förmågan hos mutant K-Ras att främja basal autofagi (Guo et al., 2011; Kim et al., 2011b; Lock et al., 2011). I dessa studier begränsade undertryckande av autofagi förmågan hos mutant K-Ras att främja förankringsoberoende tillväxt in vitro och tumorigenes in vivo . Autofagi kan upprätthålla transformering inducerad av mutant K-Ras genom upprätthållande av bioenergetik. Celler som innehöll K-Ras-mutationer som var autofagi-defekta hade minskat glykolytisk kapacitet (Lock et al., 2011) och onormala mitokondrier på grund av undertryckt mitofagi, vilket resulterade i minskade tricarboxylsyra-mellanprodukter och minskad syreförbrukning (Guo et al., 2011). Således stimuleras inte bara autofagi när glykolys uppregleras på grund av mutationer i K-Ras, utan autofagi kan också vara nödvändigt för att upprätthålla metabolisk homeostas efter en övergång till glykolys. Denna uppfattning stöds också av studier som visar att förbättringar av den glykolytiska vägen kan stimulera autofagi (figur 1), som diskuteras nedan.

Image

Reglering av autofagi genom glykolys. Glykolys reglerar positivt autofagi genom olika mekanismer. Uttryck av det glykolytiska enzymet GAPDH främjar transkriptionen av Atg12, som stimulerar autofagi. GAPDH, genom bindning till Rheb, förhindrar också aktivering av mTOR. Omvänt förflyttar hämning av glykolys med TIGAR glykolytiska mellanprodukter mot pentosfosfatvägen, vilket resulterar i undertryckandet av autofagi genom glutationberoende reduktion av ROS. Atg, autofagi-relaterade gener; GAPDH, glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenas; mTOR, däggdjursmål för rapamycin; ROS, reaktiva syrearter; TIGAR, TP53-inducerad glykolys och apoptosregulator.

Bild i full storlek

Förlust av tumörsuppressorn p53 främjar glykolys genom förbättrad glukostransport (Kawauchi et al., 2008), förstärkt fosfoglyceratmutasuttryck (Kondoh et al., 2005) och undertryckande av mitokondriellt enzym SCO2 (syntes av cytokrom c oxidas 2) (Matoba et al., 2006). Ett annat mål för p53, det TP53-inducerade glykolys- och apoptosregleringsorganet (TIGAR), ett fruktos 1, 6-bisfosfatas, hämmar direkt både glykolys och autofagi. TIGAR hämmar glykolys genom att minska nivåerna av fruktos 1, 6-bisfosfat och omdirigera glukosmetabolismen mot pentosfosfatvägen (Bensaad et al., 2006). Pentosfosfatvägen producerar NADPH, som krävs för regenerering av reducerat glutation; således förbättrar uttrycket av TIGAR glutationnivåerna och ökar antioxidantkapaciteten hos cellen (figur 1). Produktion av glutation sänker halterna av reaktiva syrearter (ROS), vilket resulterar i undertryckandet av autofagi (Bensaad et al., 2009). Således skulle förlust av p53-tumörsuppressor minska TIGAR-nivåerna, vilket resulterar i uppreglering av både glykolys och autofagi.

Ett annat viktigt glykolytiskt enzym är glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenas (GAPDH), som katalyserar omvandlingen av glyceraldehyd-3-fosfat till 1, 3-bisfosfoglycerat (figur 1). Expression av GAPDH stimulerar transkriptionen av Atg12, och både ökad glykolys och uttryck av Atg12 med GAPDH krävs för att skydda celler från kaspasoberoende celldöd (Colell et al., 2007). GAPDH-uttryck inducerar en kortvarig minskning av mitokondriell massa och upprätthållande av ATP-nivåer efter mitokondriella förolämpningar, vilket antyder att autofagi kan skydda celler genom att eliminera skadade mitokondrier och förbättrad glykolys ger tillräckligt med ATP som krävs för mitokondriell regenerering och cellöverlevnad. Intressant nog kan GAPDH också främja autofagi genom att negativt reglera mTOR-aktivitet. GAPDH tävlar med mTOR för bindning till mTOR-aktivatorn Rheb, och under låga glukosförhållanden förhindrar uttryck av GAPDH genom bindning till Rheb aktiveringen av mTOR (Lee et al., 2009), vilket skulle främja autofagi.

Förbättrad glykolys korrelerar direkt med stimulering av autofagi (figur 1). Denna korrelation förekommer inte bara i tumörceller utan också i aktiverade T-celler, en annan mycket proliferativ celltyp. I likhet med tumörceller resulterar aktivering av T-celler i en metabolisk övergång från oxidativ fosforylering till aerob glykolys (Fox et al., 2005). Autofagi krävs för aktivering av T-celler och funktioner för att tillgodose deras ökade bioenergetiska behov (Hubbard et al., 2010). Således kan induktion av autofagi vara nödvändig för att upprätthålla cellulär bioenergetik efter en övergång till glykolytisk metabolism, inte bara i tumörceller utan också i proliferativa normala celler.

Effekter av metabolisk omprogrammering på autofagi: hypoxi och ROS

Även om uppreglering av aerob glykolys stöder de ökade biosyntetiska kraven hos tumörceller under normoxiska förhållanden, förbättras glykolys också om tillgången till syre är begränsad på grund av otillräcklig vävnadsperfusion. Hypoxiska tumörvävnader visar markörer för ökad autofagisk aktivitet (Rouschop et al., 2010). Hypoxia genererar också ROS (Semenza, 2010), som direkt inducerar autofagi (Djavaheri-Mergny et al., 2006; Chen et al., 2009; Huang et al., 2009). Generering av ROS sker också med näringssvält (Scherz-Shouval et al., 2007) och mitokondriell elektrontransport.

De huvudsakliga transkriptionella regulatorerna för hypoxiska svar är de hypoxi-inducerbara faktorerna (HIF). Aktiv HIF är en heterodimer innefattande HIF-la eller HIF-2a i samverkan med den konstitutivt uttryckta HIF-1p-subenheten. Uttrycket av HIF-1 / 2a-subenheterna kontrolleras tätt genom syreberoende hydroxylering med prolylhydroxylaser. I närvaro av syre riktas HIF-1 / 2a för nedbrytning. Under förhållanden med låg syre, eller i närvaro av ROS, stabiliseras HIF-1 / 2a, samarbetar med HIF-1p och kommer in i kärnan, där HIF-komplexen orkestrerar hypoxi-inducerad genuttryck (Semenza, 2010).

Stabilisering av HIF-1a främjar mitokondriell autofagi (mitofagi) genom transkription av Bcl-2-homologidomän-3-innehållande proteiner BNIP3 och BNIP3L. BNIP3 stimulerar autofagi genom att förhindra den hämmande bindningen av Bcl-2 till Beclin-1, vilket frigör Beclin-1 att delta i autofagosombildning (figur 2). Mitofagi inducerad av BNIP3 resulterar i clearance av skadade mitokondrier, som är huvudsakliga källor till cellskadande ROS (Zhang et al., 2008). Hämning av autofagi sensibiliserar celler för hypoxisk celldöd (Bellot et al., 2009; Rouschop et al., 2009) och ROS-inducerad celldöd (Huang et al., 2009). Sammantaget antyder dessa resultat att ROS-inducerad autofagisk aktivitet begränsar cellskador genom att ta bort skadade makromolekyler och dysfunktionella mitokondrier.

Image

Stimulering av autofagi med ROS och hypoxi. ROS, som produceras under näringssvält eller hypoxi, stimulerar autofagi genom flera signalvägar. Oxidation och inaktivering av Atg4A med ROS möjliggör uppbyggnad av LC3 konjugerad till fosfatidyletanolamin och efterföljande främjande av autofagi. ROS hämmar också mTOR genom aktivering av TSC2 med ATM. Stimulering av autofagi genom hypoxi sker genom undertryckande av mTOR genom HIF-1a-beroende aktivering av REDD1. HIF-1a inducerar också transkriptionen av BNIP3 / BNIP3L, vilket förhindrar bindning av Bcl-2 till Beclin, vilket gör att Beclin kan stimulera autofagi. Slutligen främjar hypoxi autofagi genom en HIF-1-oberoende bana som involverar transkriptionell induktion av Atg5 och LC3 genom de PERK-responsiva transkriptionsfaktorerna ATF4 och CHOP. Aktiveringen av autofagi genom hypoxi och ROS resulterar i en kvalitetskontrollåterkopplingsslinga genom eliminering av skadade mitokondrier genom mitofagi och därmed reducerar ROS. Atg, autofagi-relaterade gener; HIF, hypoxi-inducerbar faktor; mTOR, däggdjursmål för rapamycin; ROS, reaktiva syrearter; TSC2, tuberös skleroskomplex-2.

Bild i full storlek

Hypoxiainducerad autofagi uppträder också i celler som är bristfälliga i BNIP3. Det utbredda proteinsvaret i det endoplasmatiska retikulumet aktiveras av hypoxi, och en del av detta svar inkluderar aktivering av PERK (proteinkinas reglerat av RNA (PKR) -liknande endoplasmatisk retikulumkinas). Genom PERK-responsiva transkriptionsfaktorer CHOP (CCAAT-förstärkande bindande proteiner (C / EBP) homologt protein) och ATF4 (aktiverande transkriptionsfaktor 4) induceras autofagi-generna Atg5 och MAP1LC3B transkriptionellt. Induktion av MAP1LC3B- transkription är nödvändig för att upprätthålla autofagi eftersom LC3 konsumeras av de autofagiska processerna i hypoxiska celler (Rouschop et al., 2010).

Som tidigare nämnts är mTOR en kritisk regulator för autofagi och fungerar också som en signalomvandlare för minskad syretillgänglighet. Hypoxi signalerar till mTOR genom det transkriptionella målet REDD1, ett protein, som aktiveras av HIF-1a och undertrycker mTORC1, vilket resulterar i ökad autofagi (Brugarolas et al., 2004). Hämning av mTOR sker också med ökad ROS genererad under hypoxi. ROS aktiverar ataxia telangiectasia mutated (ATM), vilket leder till efterföljande fosforyleringar av LKB1, AMPK och slutligen TSC2, vilket resulterar i stimulering av TSC2-aktivitet och efterföljande hämning av mTOR (Alexander et al., 2010). Således är hämning av mTOR en annan mekanism genom vilken hypoxi och ROS främjar autofagi (figur 2).

Även om höga nivåer av ROS är skadliga för celler, kan lägre koncentrationer av ROS vara fördelaktiga på grund av deras förbättring av autofagi. Under närings svält resulterar ackumulering av ROS i att bibehålla autofagi genom oxidation av Atg4A (Scherz-Shouval et al., 2007). Atg4-isoformerna A-D är cysteinproteaser som driver autofagosomal mognad genom klyvning av LC3 före konjugering med fosfatidyletanolamin (PE), och därefter avlipiderar LC3 efter autofagosom-lysosomfusion. Oxidation av den katalytiska cystein i Atg4A hämmar dess aktivitet och därmed undertrycker de-lipideringen av LC3, främjar ackumuleringen av LC3-PE. Uttryck av en icke-oxiderbar Atg4A- eller Atg4B-mutant förhindrar autofagosombildning. Således krävs ROS-medierad hämning av Atg4 för upprätthållande av autofagi under näringssvält.

I minst ett fall ökar induktion av autofagi ROS och resulterar i celldöd. Vid kaspasinhibering resulterar stimulering av autofagi i nedbrytningen av ROS-rensaren, katalas. I denna inställning förbättrar autofagi ackumulering av ROS genom att ta bort ett större ROS-avgiftande enzym (Yu et al., 2006). Emellertid kan detta fynd vara specifikt för sammanhanget av kaspasinhibering, eftersom majoriteten av studierna som beskrivs ovan visar att autofagi inducerad av hypoxi eller ROS möjliggör cellöverlevnad genom clearance av dysfunktionella mitokondrier och reduktion av ROS (figur 2).

Effekter av metabolisk omprogrammering på autofagi: glutaminolys

Även om Warburg inledningsvis ansåg att tumörceller växlar från oxidativ fosforylering till aerob glykolys på grund av defekta mitokondrier, har det blivit tydligt att mitokondriell funktion är avgörande för att stödja anabole metabolism i snabbt spridande tumörceller. En sådan mitokondriell process, TCA-cykeln, är avgörande för att generera både NADPH och föregångare för fettsyrasyntes. Konsumtionen av glukos genom glykolys på bekostnad av oxidativ fosforylering kräver användning av ett alternativt bränsle för mitokondriella processer. Glukos och glutamin är de två mest metaboliserade näringsämnena i tumörceller, och glutamin har framkommit som en dominerande kolkälla för TCA-cykeln i mycket proliferativa celler.

Många proteiner involverade i glutaminmetabolismen uppregleras i tumörceller, inklusive glutamintransportörer och enzymer involverade i nedbrytning av glutamin. Överuttryck av Myc främjar uttrycket av glutamintransportörerna ASCT2 och SN2 och mitokondriellt enzym glutaminas, som omvandlar glutamin till glutamat (Wise et al., 2008; Gao et al., 2009). Dessa händelser gör att celler transformerade med Myc är beroende av glutamin för överlevnad (Yuneva et al., 2007). Onkogen induktion av glykolys skapar också ett beroende av glutamin, vilket visas av kravet på K-Ras-transformerade celler för glutaminmetabolism i förankringsoberoende tillväxt (Weinberg et al., 2010) och återinträde i cellcykeln (Gaglio et al., 2009).

Efter transport in i cellen metaboliseras glutamin till glutamat genom mitokondriellt glutaminas. Denna reaktion frigör en molekyl av ammoniak. Den ytterligare omvandlingen av glutamat till a-ketoglutarat leder till produktion av en andra molekyl ammoniak om reaktionen medieras av glutamatdehydrogenas. Ammoniak produceras också genom av amidering av andra aminosyror, även om det i tumörceller tros att glutamin är den viktigaste källan till fri ammoniak. Även om ammoniak har näringsegenskaper hos växter och svampar, tyder en stor mängd bevis på att det främst är en giftig avfallsprodukt i däggdjursceller. I själva verket har organismer utvecklat effektiva metoder för avgiftning av ammoniak genom koncentration i levern där den omvandlas till urea, vilket utsöndras av njurarna. I lokaliserade regioner, såsom det mellanliggande utrymmet för tumörer som kanske inte är lättillgängliga för blodomloppet, kan ammoniak dock ackumuleras till låga millimolära nivåer (Eng et al., 2010).

Nya fynd tyder på att ammoniak som finns i tumörens mellanrum kan vara fördelaktigt för tumörcellöverlevnad genom stimulering av autofagi. Även om högre koncentrationer av ammoniak blockerar autofagi genom att höja det lysosomala pH-värdet, främjar lägre koncentrationer (2-4 mM) av ammoniak paradoxalt autofagi i cancerceller (Eng et al., 2010). Basal autophagy, som upprätthåller cellulär livskraft, minskas i celler odlade i glutamin-brist medium, medan ökande glutaminkoncentrationer uppreglerar basal autophagy (Sakiyama et al., 2009). Ammoniakinducerad autofagi skyddar celler från apoptos inducerad av tumörnekrosfaktor-a och begränsar cellproliferation under metabolisk stress (Eng et al., 2010). Celldöd inducerad av långvarig kultur i glutaminfritt medium räddas också av låga koncentrationer av ammoniak (Meng et al., 2010). Eftersom dessa autofagi-främjande koncentrationer av ammoniak också finns i tumörintritiella vätskor, kan ammoniak fungera som en diffunderbar autofagi-inducerande signal som skyddar tumörceller belägna i dåligt kärliserade regioner från metabolisk stress (Eng och Abraham, 2010). Således förbättrar glutamin tumörcellsproliferation och överlevnad, inte bara genom de anabola effekterna av påfyllning av TCA-cykelmellanprodukter, utan också genom det kataboliska skyddet mot metabolisk stress som erbjuds genom autofagi.

Effekter av metaboliska avregleringar på autofagi: lipogenes

Uppreglering av de novo- lipogenes är en annan metabolisk förändring förknippad med tumöragressivitet. Till skillnad från normala celler, där de primära källorna till fettsyror är exogena dietlipider, syntetiserar tumörceller majoriteten av sina fettsyror. Denna lipogena fenotyp kan vara relaterad till Warburg-effekten, eftersom en betydande del av glukos som tas upp av tumörceller används för produktion av fettsyror (DeBerardinis et al., 2007; DeBerardinis et al., 2008). Tre enzymer (ATP-citratlyas, acetyl-CoA-karboxylas-A och fettsyrasyntas) som är involverade i omvandlingen av TCA-cykelmellanprodukten, citrat, till fettsyror uppregleras i tumörvävnader (Menendez och Lupu, 2007) och uttryck av fett acid synthase is correlated with poorer prognosis in breast cancer (Kuhajda et al., 1994). Upregulation of fatty acid synthesis during tumorigenesis might be necessary for increased membrane synthesis and production of lipid messengers such as phosphatidylinositol-3, 4, 5-triphosphate and lysophosphatidic acid, and indeed, inhibition of fatty acid synthase decreases tumor cell proliferation (Lupu and Menendez, 2006). In addition, transcriptional profiling of an isogenic cell line panel manifesting increasing levels of malignant behavior showed correlations with lipid metabolism (Hirsch et al., 2010).

Although little is known about the relationship between cancer-mediated abnormalities in lipogenesis and autophagy, recent work suggests that autophagy regulates lipid metabolism in normal tissues. Triglycerides and other lipids are substrates for autophagic degradation, and inhibition of autophagy leads to increased triglyceride lipid stores and decreased triglyceride breakdown in hepatocytes (Singh et al., 2009). Fatty acids are stored in lipid droplets in the form of triglycerides. As inhibition of autophagy promotes triglyceride storage, it may counteract the effects of increased fatty acid synthesis owing to overexpression of lipogenic enzymes in tumor cells.

Slutsatser

In order to maintain cellular homeostasis in the setting of rapid cellular proliferation, transformed cells alter numerous metabolic pathways. Increased glucose uptake through glycolysis hastens ATP production and this altered utilization of glucose necessitates an upregulation of glutamine metabolism in order to fuel mitochondrial pathways. Anerobic glycolysis is also necessary for cells to adapt to a hypoxic microenvironment, which is associated with both nutrient deprivation and increased levels of ROS. All of these metabolic perturbations result in a stimulation of autophagy.

Autophagy appears to have dual roles in tumorigenesis. Suppression of autophagy may be a requirement for the early stages of transformation, as evidenced by the observations that autophagy-defective cells are more tumorigenic than their wild-type counterparts. In addition, autophagy might be diminished during oncogene-induced transformation (such as by activation of PI3K), although there are clear exceptions (such as mutation of K-Ras). If one could intervene early on in the tumorigenic process, stimulation of autophagy might promote growth suppression and counter ROS generation, organelle dysfunction and genomic instability, thereby interfering with tumor formation.

However, at the time of diagnosis, tumors are generally well-established. Metabolic alterations such as increased glycolysis, glutaminolysis and hypoxia/ROS accumulation that accompany the establishment of tumors results in the upregulation of autophagic flux. Thus, therapeutic inhibition of autophagy at this stage would result in a bioenergetic imbalance, and render cancer cells unable to cope with their metabolically stressed microenvironment and promote their demise. The altered metabolic program and persistent proliferation of tumor cells also results in misfolded proteins, damaged mitochondria, ROS and excess lipids, and without autophagy to alleviate the effects of these harmful agents, tumor cells might be coaxed into poisoning themselves with the byproducts of their own metabolic alterations. Additionally, inhibition of autophagy might block pathways used by tumor cells to survive chemotherapeutic stress, and thus sensitize cells to cytotoxic chemotherapy.

Finally, communication between tumor cells and tumor stroma also contributes to the metabolic and autophagic landscape of the tumor microenvironment (Figure 3). The high rate of glutaminolysis in tumor cells results in the production of ammonia, which could diffuse to the nutrient- and oxygen-limited regions of the tumor to combat metabolic stress by stimulating autophagy (Eng and Abraham, 2010). Tumor-associated stromal cells also reside in the same metabolically stressed environment as tumor cells, and contribute to the survival and proliferation of the tumor cells themselves (McAllister and Weinberg, 2010). Part of this survival mechanism is because of autophagy induced in adjacent cancer-associated fibroblasts (Martinez-Outschoorn et al., 2010). Thus, inhibition of autophagy would not only promote tumor cell death in a cell-autonomous manner, but also interfere with cellular survival that results from heterogeneous cell–cell interactions within the diverse tumor landscape. A deeper understanding of the metabolic drivers within specific tumor types and the contributions of distinct tumor compartments will guide the use of autophagic inhibitors as efficacious therapeutic agents.

Image

Effect of autophagy inhibition within the tumor landscape. The tumor microenvironment contains a gradient of oxygen and nutrients (increasing from green to purple), within which reside tumor cells themselves and supporting stromal cells. Autophagy is stimulated in tumor cells owing to metabolic deregulations and glutaminolytic production of ammonia, which acts as a diffusible stimulator of autophagy in the neighboring, metabolically challenged cells (green). Tumor cells also stimulate autophagy in adjacent stromal cells (brown), which allows the stromal cells to impart proliferative and survival signals back to the tumor cells. Inhibition of autophagy would block both autocrine- and paracrine-mediated survival pathways, resulting in tumor cell death.

Bild i full storlek