dintele dulce al cancerului si efectul warburg

oct.17

Cu mai mult de 80 de ani în urmă, biochimistul renumit Otto Warburg a descris modul în care celulele canceroase consumă avid glucoză și produc acid lactic în condiții aerobe-adica si in prezenta oxigenului celulele cancer fermenteaza glucoza in acid lactic.

Studii recente care susțin că celulele canceroase beneficiază de acest fenomen, numit efect Warburg, au reînnoit discuțiile despre rolul său exact ca cauză, corelare sau facilitator al cancerului. Progresele moleculare din acest domeniu pot dezvălui tactici pentru a exploata „dintele dulce” a celulei canceroase pentru terapia cancerului. (Cancer Res 2006, 66 (18): 8927-30)

Introducere

ATP necesar pentru proliferarea și supraviețuirea normală a celulelor provine în principal din două surse. Prima este glicoliza, care cuprinde o serie de reacții care metabolizează glucoza la piruvat în citoplasmă pentru a produce o plasă de 2 ATP din fiecare glucoză. Celălalt este acidul tricarboxilic (TCA) sau ciclul Krebs, care utilizează piruvatul format din glicoliză într-o serie de reacții care doneaza electroni prin NADH și FADH2 la complexele de lanț respirator în mitocondrii. Cu oxigenul care servește ca acceptor de electroni finali, transferul de electroni creează pe membrana interioară mitocondrială, un gradient de protoni din care disiparea prin sinteza ATP formează 36 ATP per moleculă de glucoză.

Cu oxigen limitat, cum ar fi cu mușchii care au suferit exerciții prelungite, piruvatul nu este utilizat în ciclul TCA și este transformat în acid lactic de lactat dehidrogenază (LDH) într-un proces numit glicoliză anaerobă (Figura 1)

Molecular underpinnings of the Warburg effect. The Warburg effect (highlighted) describes the enhanced conversion of glucose to lactate by tumor cells, even in the presence of adequate oxygen that would ordinarily be used for oxidative phosphorylation. Activation of the AKT oncogene results in increased glucose transportation and stimulation of HK2 activity, which enhances glycolytic rates. The MYC oncogene is depicted to activate glycolytic genes and mitochondrial biogenesis, which when sustained by high MYC levels can result in reactive oxygen species (ROS) production. ROS could, in turn, cause mtDNA mutations that render mitochondria dysfunctional. p53 is shown to stimulate respiration through activation of a component of the respiratory chain. In addition to hypoxic stabilization, HIF-1 is shown to be increased by RAS and loss of VHL, which mediates its degradation. HIF-1 transactivates glycolytic genes as well as directly activates the PDK1 gene, which in turn inhibits PDH that catalyzes the conversion of pyruvate to acetyl-CoA. Acetyl-CoA is shown to enter the TCA cycle, which donates electrons to the mitochondrial respiratory chain complexes I to IV. Inhibition of PDH by PDK1 attenuates mitochondrial function, resulting in the shunting of pyruvate to lactate.

” data-icon-position=”” data-hide-link-title=”0″> Figure 1.

Figura 1.

Suporturi moleculare ale efectului Warburg. Efectul Warburg (evidențiat) descrie conversia îmbunătățită a glucozei în lactat de către celulele tumorale, chiar și în prezența oxigenului adecvat care ar fi utilizat în mod obișnuit pentru fosforilarea oxidativă. Activarea oncogenei AKT are ca rezultat creșterea transportului de glucoză și stimularea activității HK2, care sporește ratele glicolitice. Oncogena MYC este descrisă pentru a activa gene glicolitice și biogeneza mitocondrială, care, atunci când este susținută de niveluri ridicate ale MYC, poate duce la producerea de specii reactive de oxigen (ROS). ROS ar putea, la rândul său, să provoace mutații ale mtDNA care să facă disfuncționalitatea mitocondriilor. p53 este dovedit a stimula respirația prin activarea unei componente a lanțului respirator. În plus față de stabilizarea hipoxică, se demonstrează că HIF-1 este crescut prin RAS și pierderea VHL, care mediază degradarea acestuia. HIF-1 tranzacționează genele glicolitice, precum și activează direct gena PDK1, care, la rândul său, inhibă PDH care catalizează conversia piruvatului în acetil-CoA. Se arată că acetil-CoA intră în ciclul TCA, care dă electroni complexelor mitocondriale ale lanțului respirator I-IV. Inhibarea PDH de către PDK1 atenuează funcția mitocondrială, ducând la manevrarea piruvatului la lactat.

Multe celule canceroase consumă glucoză in mod avid și produc acid lactic mai degrabă decât catabolizează glucoza prin ciclul TCA, care este cheia pentru generarea ATP în celulele normale nehipoxice. Absorbția avidă de glucoză de către tumori este fundamentul pentru detectarea și monitorizarea cancerului uman prin tomografia cu emisie de pozitron fluorodeoxiglucoză PET.

Cu mai mult de 80 de ani în urmă, Otto Warburg a observat că felii subțiri de tumori umane și animale ex vivo au prezentat niveluri ridicate de absorbție a glucozei și producție de lactat-acid lactic. Trecerea la producția de lactat în cazurile de cancer, chiar și în prezența oxigenului adecvat, se numește efectul Warburg sau glicoliza aerobă (1). Aceste observații au fost confirmate de atunci, deși nuanțele de glicoliză aerobă și fundamentele sale moleculare sunt încă în curs de dezvoltare. Tumorile afișează glicoliza aerobă parțial prin activarea oncogenelor sau pierderea supresoarelor tumorale, care sunt apoi îmbunătățite prin stabilizarea factorului inductibil prin hipoxie (HIF) prin răspunsul adaptiv la micromediul hipoxic sau prin căile care stabilizează HIF în condiții nehipoxice. Progresele recente din genomică și proteomică au oferit perspective asupra mecanismelor moleculare care contribuie la efectul Warburg și la tumorigeneză. În această revizuire, mecanismele moleculare care oferă cunoștințe moleculare semnificative în multe aspecte ale efectului Warburg, cum ar fi oncogene (AKT, MYC și RAS), supresoare tumorale (succinat dehidrogenază (SDH) și hidratază fumarat (FH) [kinaza piruvat dehidrogenazei (PDK1)] va fi discutată.

Oncogene, supresoare tumorale și efectul Warburg

Pentru a ține cont de conversia glucozei în aacid lactic/lactat de către celulele canceroase în prezența oxigenului, Warburg (1) a speculat că mitocondriile tumorale sunt scăzute sau afectate funcțional. De fapt, Warburg a sugerat că afectarea funcției mitocondriale contribuie la tumorigeneză. Studiile recente sugerează că mutațiile care afectează ADN mitocondrial (mtDNA) sau enzimele ciclului TCA ar putea contribui la efectul Warburg. Mutațiile de mTNA, care sunt predominante în cancerele umane, ar putea face ca, componentele codificate ale mtDNA ale complecșilor de lanț respirator să fie defecte. Intrigant, subunitățile enzimei ciclului TCA SDH (SDHB, SDHC și SDHD) se comportă ca supresoare clasice de tumori în feocromocitom sau paragangliom (2). Mai mult, FH este un supresor tumoral în leiomiom și în carcinomul celulelor renale. Deși aceste observații sugerează că funcția mitocondrială poate fi compromisă de mutațiile în enzimele mitocondriale, nu există dovezi directe că aceste mutații sunt suficiente pentru tumorigeneză. În acest sens, nu există dovezi că respirația este, de fapt, mai puțin activă în celulele canceroase decât în celulele normale. Prin urmare, sunt necesare studii suplimentare pentru a aborda dacă funcția mitocondrială insuficientă contribuie suficient la tumorigeneză.

Mai multe oncogene au fost implicate în efectul Warburg. Oncogena AKT, care codifică o proteină serin-treonin kinază, este asociată cu creșterea absorbției de glucoză și a glicolizei aerobe aparent independente de HIF-1 (3). AKT mobilizează transportoarele de glucoză la suprafața celulară pentru a crește absorbția de glucoză și activează hexokinaza 2 (HK2) pentru a fosforila și a capta glucoza intracelulară. Prin aceste efecte, AKT este capabila să îmbunătățească fluxul glicolitic fără a afecta fosforilarea oxidativă mitocondrială, contribuind probabil la efectul Warburg.

Oncogena MYC, care este activată pe scară largă în cancerele umane, a fost, de asemenea, implicată în activarea directă a glicolizei aerobe. Factorul de transcripție MYC activează practic toate genele enzimatice glicolitice și leagă direct numeroase gene glicolitice, inclusiv cele care codifică HK2, enolaza și LDHA (4). În fibroblastele imortalizate de șobolan, Myc este capabila să îmbunătățească glicoliza aerobă; totuși, activarea MYC într-un model de celule B umane a dus la creșterea respirației care a fost asociată cu biogeneza mitocondrială crescută (5). Activitatea crescuta si sustinuta a MYC, cu toate acestea, este strins asociata cu cresterea speciilor reactive de oxigen mitocondrial, care pot provoca mutatii ale mtDNA care, la randul lor, contribuie la mitocondriile disfunctionale (6). Intrinsec, supresorul tumoral p53, care este frecvent mutat în cancerele umane, stimulează, de asemenea, respirația mitocondrială prin transactivarea directă a genei SCO2 pentru sinteza citocromului c oxidază 2 (7). SCO2 este necesar pentru asamblarea subunității COXII (MTCO2) în complexul citocrom c oxidază, care este integrat în lanțul respirator. Pierderea expresiei p53 sau SCO2 duce la trecerea de la respirația celulară la glicoliza aerobă, sugerând că inactivarea p53 în cancerele umane poate contribui direct la efectul Warburg.

În ansamblu, aceste observații sugerează că oncogene sau supresoare tumorale pot contribui independent sau cooperativ la efectul Warburg.

Progresia tumorii, așa cum este modelată prin transducția serială a celulelor umane normale cu evenimente imortalizante și oncogene, este asociată cu apariția efectului Warburg (8). Prin profilaxia metabolică complexă multidimensională a celulelor umane transformate treptat, au fost găsite celule înalt tumorigene transformate de hTERT, antigenul T mare, antigenul T mic și H-Ras oncogen care au rate ridicate de producție de lactat/acid lactic cu masa mitocondrială scăzută. Dimpotrivă, celulele care nu aveau H-Ras, dar transformate de celelalte trei gene au avut o masă mitocondrială mare și o rată ridicată a consumului de oxigen cu o producție mai scăzută de lactat/acid lactic. Aceste rezultate furnizează dovezi că activarea oncogenică în serie transformă metabolismul spre glicoliza aerobă.

Activarea oncogenică a HIF și a glicolizei aerobe

În plus față de activarea oncogenică a glicolizei aerobe, activarea HIF, un factor de transcripție care este stabilizat ca răspuns la hipoxie, contribuie, de asemenea, în mod semnificativ la conversia glucozei în acid lactic/lactat. HIF-1 constă dintr-o subunitate HIF-1a sensibilă la oxigen care heterodimerizează cu HIF-1 beta pentru a lega ADN-ul. În tensiune ridicată de oxigen, HIF-1α este hidroxilat de hidroxilază prolyl (PHD) folosind α-ketoglutarat derivat din ciclul TCA. Subunitatea HIF-1a hidroxilată este recunoscută de proteina von Hippel Lindau (VHL) și este destinată degradării prin proteazomi, astfel încât HIF-1a este sintetizată continuu și degradată în condiții nehipoxice. Hipoxia este un stimul fiziopatologic al glicolizei anaerobe prin stabilizarea HIF-1 și transactivarea directă a genelor enzimatice glicolitice. Prin urmare, adaptarea la micro-mediul tumoral hipoxic/cu nivel oxigen scazut are ca rezultat creșterea absorbției de glucoză și a producției de acid lactic /lactat.

Pe lângă hipoxie, evenimentele oncogene au fost legate de stabilizarea HIF în prezența oxigenului adecvat. Activarea oncogenei Src a crescut tumorigenitatea in vivo, precum și nivelele HIF-1 în condiții nehipoxice (9). S-a raportat că H-Ras oncogen crește nivelul de HIF-1 (10), iar semnalizarea fosfatidilinozitol 3-kinazei poate stabiliza HIF-1 (9). În carcinomul cu celule renale, mutațiile în supresorul tumorii VHL îi distrug funcția, necesară pentru hidroxilarea prolyl dependentă de oxigen și pentru degradarea proteazomală a HIF-1 (11). Mai mult, mutațiile supresoarelor tumorale ale ciclului TCA, SDH și FH, au fost, de asemenea, legate de stabilizarea HIF. În special, hidroxilarea proil a HIF-1a necesită α-cetoglutarat sub formă de substrat, care este transformat în succinat, astfel încât deficitul de SDH sau FH scade α-ketoglutaratul sau crește succinatul, inhibând astfel degradarea HIF-1 (12). Luate împreună, activarea anumitor căi oncogene stabilizează proteina HIF-1 în condiții nehipoxice/nivel oxigen normal, ducând la activarea metabolismului glicolitic. Cu toate acestea, activarea fluxului glicolitic nu ar reprezenta efectul Warburg, care este, de asemenea, asociat cu funcția mitocondrială diminuată, considerată a scădea pasiv din cauza lipsei de oxigen.

PDK1 și glicoliza aerobă

Două studii recente oferă o perspectivă asupra efectului Warburg printr-un mecanism mediat de HIF-1, care inhibă activ funcția mitocondrială (13, 14). PDK1, care este unul dintre cei patru membri ai familiei, a fost identificat ca o gena tinta directă HIF-1 în celulele hipoxice. PDK1 fosforilează și inactivează complexul mitocondrial piruvat dehidrogenază (PDH). Suprimarea PDH de către PDK1 inhibă conversia piruvatului în acetil-CoA, atenuând astfel funcția mitocondrială și respirația (Figura 1). Deoarece stabilizarea non-hipoxică a HIF prin evenimente oncogene a fost observată în multe tipuri de tumori, am presupus că nivelele PDK1 pot fi sus-reglementata/crescuta în celule tumorale nehipoxice prin HIF, ceea ce ar conduce la deturnarea piruvatului de la PDH și la creșterea producției de acid lactic/lactat (Fig. 1). Un studiu imunohistochimic recent a furnizat dovezi că expresia PDK1 este crescută în cancerele pulmonare cu celule mici (15). Intrigant, expresia PDH pare să fie redusă în celulele cancerigene care exprimă PDK1 ridicat. Aceste studii sugerează că activarea PDK1 poate fi un element cheie de reglementare care contribuie la efectul Warburg. În total, activarea oncogenilor, cum ar fi AKT, MYC și RAS, împreună cu stabilizarea HIF poate spori glicoliza aerobă sau efectul Warburg prin creșterea fluxului glicolitic și atenuarea funcției mitocondriale.

Glicoliza aerobă participă la geneza tumorala?

Glicoliza aerobă poate oferi avantajul creșterii celulelor canceroase în micromediul tumoral (16). Deși producția de ATP prin calea glicolitică este mult mai puțin eficientă stoichiometric comparativ cu fosforilarea oxidativă mitocondrială, activarea AKT ar putea furniza celule cu fluxuri glicolitice suficient de mari pentru a menține un nivel mai ridicat decât cel adecvat de ATP (17). De fapt, excesul de piruvat în celulele cu o rată ridicată de utilizare a glucozei este redirecționat spre sinteza lipidică citrat liaza(18). Ca atare, activarea glicolizei aerobe eliberează celulele canceroase din dependența de oxigen pentru producerea de ATP, în special în micro-mediul tumoral hipoxic/sarac in oxigen. Această eliberare, cu toate acestea, ar putea fi exploatată în scopuri terapeutice. De exemplu, inhibarea citratului Liaza poate suprima creșterea celulelor tumorale (18). Inhibarea glicolizei poate depăși bariera pusa de rezistența la medicamentului tumoral (19). Mai mult, inhibarea HIF-1 sau PDK1, care cauzează o depleție/lipsire suplimentară de oxigen mitocondrial, face ca celulele să fie mai sensibile la moartea celulară indusă de anoxie sau la sensibilitatea la tirapazamina, un agent chimioterapeutic care este activat de absența oxigenului.

Glicoliza aerobă poate participa, de asemenea, la tumorigeneza, care se caracterizează prin imortalizare celulară și transformare malignă ulterioară. Dovezi recente sugerează că creșterea glicolizei aerobe poate contribui la imortalizarea celulelor. Un studiu recent de clonare a expresiei a identificat două gene glicolitice care codifică izomeraza glucoză izomerază și mutaza fosfoglicerat, capabile să imortalizeze celulele umane primare, crescând glicoliza și atenuând generarea mitocondrială a speciilor reactive de oxigen despre care se știe că cauzează senescență celulară. Pierderea genelor clasice de supresoare tumorale care codifică enzimele ciclului TCA sugerează, de asemenea, că glicoliza aerobă poate contribui semnificativ la tumorigeneză; totuși, trebuie remarcat faptul că stabilizarea HIF-1 în aceste tumori poate prezenta alte avantaje, cum ar fi inducerea angiogenezei. În acest sens, efectul Warburg ar putea fi considerat ca un modificator pozitiv al cancerului, astfel încât acesta să nu fie cauzal, ci mai degrabă să faciliteze progresia tumorii.

Pe lângă avantajele metabolice ale glicolizei aerobe, funcțiile nonglicolitice ale enzimelor glicolitice pot, de asemenea, să contribuie la tumorigeneza prin efectele antiapoptotice ale HK2, reglarea transcripțională dependentă de ciclul celular prin LDH și gliceraldehidă 3-fosfat dehidrogenază și îmbunătățind motilitatea celulară prin fosfat de glucoză izomeraza (factor de motilitate autocrină, ref. 4). Luate împreună, trecerea la metabolizarea glicolitică poate contribui la dezvoltarea tumorii prin fluxul glicolitic intensificat și / sau prin funcțiile multiple ale enzimelor glicolitice. Totuși, trebuie remarcat faptul că rolul funcției mitocondriale normale în tumorigeneză nu este bine definit și, prin urmare, concluziile recente privind dintele dulce molecular ale cancerului nu trebuie să descurajeze lupta pentru o înțelegere mai profundă a funcției mitocondriale în metabolismul glucozei cancerului.