produrre energia con risorse limitate e favorire percorsi metabolici

produrre energia con risorse limitate e favorire percorsi metaboliciche possano sostenere la proliferazione cellulare Effetto Warburg

Il cancro come “malattia metabolica”

IPOSSIA TUMORALE: caratteristica metabolica principale delle cellule tumoraliAttivazione 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 fluoro-desossi-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-5-fosfato (via del pentoso fosfato)

Attivazione lattico deidrogenasiInibizione piruvato chinasi

SCIENCE VOL 324, 22 MAY 2009

Fermentazione lattica

Trasferimento dell’acetil CoA dal mitocondrio al citosol

Citrato sintasiCitrato liasi

Malato deidrogenasi

Enzima malico

Negli epatociti e negli adipociti il NADPH citosolico è generato dall’enzima malico Determina la sintesi di piruvato che rientra nei mitocondri

ENZIMA MALICO

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

TRANSAMINAZIONE

DEAMINAZIONE OSSIDATIVA ac.glutammico

Nature Reviews Cancer vol.11, February 2011

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

Il fenotipo metabolico di una cellula tumorale deriva da mutazioni genetiche e risposte al microambiente tumorale

Vie di trasduzione alterate modificano il metabolismo cellulare

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.

Signaling Network to Regulate Metabolism in Proliferating Cells


Effetti della Piruvato chinasi su glicolisi e via del pentoso fosfato

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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

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.

PKM2 Regulates Gene Expression by H3-T11 Phosphorylation.EGFR activation results in nuclear translocation of PKM2 that binds to genepromoter regions, where PKM2 phosphorylates H3-T11, leading to HDAC3disassociation from the promoters and subsequent acetylation of histone H3,transcription of genes (c-Myc, cyclin D1), cell-cycle progression, and cell proliferation.

PKM2 Phosphorylates Histone H3 and Promotes Gene Transcription and TumorigenesisCell 150, 685–696, August 17, 2012

Tumor-specific pyruvate kinase M2 (PKM2) is essential for the Warburg effect. In addition to its well establishedrole in aerobic glycolysis, PKM2 directlyregulates gene transcription.

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 inmany 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.

Mutazioni di IDH1 sono state riscontrate in gliomi e leucemie mieloidi acute.Riduzione di alfa-chetoglutarato a 2-idrossiglutaratoOncometabolita?


- 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

L’ipossia è una condizione diffusa nei tumori

In ipossia le cellule attivano un tipico programma di espressione genica regolato principalmente dal fattore di trascrizione indotto da ipossia HIF-1

Complesso eterodimerico HIF-1 subunità α (120 kDa) regolata dalla concentrazione di ossigenosubunità β (91/94 kDa) costitutivamente espressa

Superfamiglia dei fattori trascrizionali eucariotici

con dominio basic-helix-loop-helix (bHLH).

prolinnnnnnnnnnnnn

Struttura di HIF-1Il dominio bHLHIl dominio bHLH e il dominio PAS PAS (Per/ARNT/Sim) sono coinvolti nel legame con il DNA e nella dimerizzazione.Il dominio ODD (dominio di degradazione ossigeno dipendente)ODD (dominio di degradazione ossigeno dipendente) contiene due residui di prolina regolatori riconosciuti ed idrossilati in normossia da prolil-idrossilasi (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 PHDs sono degli enzimi prolina prolina idrossilasiidrossilasi la cui attività dipende dalla presenza di O2, Fe (2+). PHD2PHD2 idrossila HIF-1α a livello di due residui di prolina (dominio ODD) promuovendone il reclutamento da parte di pVHL pVHLpVHL modulo di riconoscimento di una modulo di riconoscimento di una E3-ubiquitina ligasiE3-ubiquitina 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)

NORMOSSIANORMOSSIAla subunità vienecontinuamente degradataperchè una prolil-idrossilasi(PH) attivata da O2 e Feidrossila uno specifico residuodi prolina. Tale residuo vienericonosciuto dalla proteinadi Von Hippel Lindau (VHL)che media l’aggiunta diubiquitina ad opera diubiquitin-ligasi (UL) e la degradazione della subunità αnel proteasoma.

IPOSSIA o in mancanza IPOSSIA o in mancanza didiVHLVHL 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 MFattore inibente HIF (FIH): Km per O2 90M

In condizioni di ipossia HIF-1non viene degradato ma trasloca nel nucleo e dimerizza con HIF1-L’eterodimerointeragisce 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, GLUT3Enzimi della glicolisiPiruvato 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 inattivandolaCiò impedisce la conversione del piruvato in Acetil CoA e l’utilizzazione del piruvato da parte dei mitocondri.

Contributo di HIF all’effetto WarburgMyc, che è attivato nel 40% dei tumori umani, coopera con HIF-1 nell’attivazione trascrizionale di PDK1

Processi biologici Geni

AngiogenesiInibitore dell’attivatore del Plasminogeno tissutale (PAI-1), fattore di crescita dell’endotelio vascolare (VEGF),(VEGF), recettore FLT- 1 del VEGF

Proliferazione cellulare e sopravvivenza

CMET: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,

Microambienteextracellulare

Anidrasi Carbonica 9, collagenedi tipo V (ccl), prolil-4-idrossilasi

Metabolismo del Glucosio

Trasportatori del glucosio GLUT1 , GLUT3

Enzimi glicoliticiEnzimi glicolitici aldolasi A, aldolasi C, gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi, enolasi, esochinasi, lattato deidrogenasi, fosfofruttochinasi fosfogliceratochinasi 1 , piruvato chinasi, triosofosfato isomerasi

Omeostasi del ferro Ceruloplasmina, transferrina, recettore della transferrina

Altri fattori di trascrizione DEC1 , p35srg, recettore per gli attivatori dei perossisomialfa (PPARalfa)

Tabella 1 1: Geni target di HIF-1(Semenza 2002)‑

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