Γλυκόλυση, μεταβολισμός, υποξία & καρκίνος

Transcript

1 Γλυκόλυση, μεταβολισμός, υποξία & καρκίνος

2 «Καρκίνος»

3 Αδενοκαρκινώματα Πνεύμονα Παχέος Εντέρου Μαστού Παγκρέατος Στομάχου Οισοφάγου Προστάτη Ενδομητρίου Ωοθηκών Καρκινώματα πλακώδους επιθηλίου Δέρματος Ρινικής κοιλότητας Φάρυγγα Λάρυγγα Πνευμόνων Οισοφάγου Τραχήλου Καρκινώματα Άλλοι τύποι καρκινωμάτων Μικροκυτταρικό & Μεγαλοκυτταρικό των Πνευμόνων Ηπατοκυτταρικό Νεφρικό Ουροδόχου κύστεως «Καρκίνος» Σαρκώματα Οστεοσάρκωμα Λιποσάρκωμα Λειομυοσάρκωμα Ραβδομυοσάρκομα Κακοήθες ινώδες ιστιοσάρκωμα Ινοδοσάρκωμα Αρθρικό σάρκωμα Αγγειοσάρκωμα Χονδροσάρκωμα Κακοήθειες του νευρικού Πολυμορφικό γλοιοβλάστωμα Αστροκύττωμα Μηνιγγίωμα Νευρίνωμα Ρετινοβλάστωμα Νευροβλάστωμα Επενδύμωμα Ολιγοδενδρογλοίωμα Μεδουλλοβλάστωμα Κακοήθειες του αιμοποιητικού Οξεία Λεμφοκυτταρική Λευχαιμία Οξεία Μυελογενής Λευχαιμία Χρόνια Μυελογενής Λευχαιμία Χρόνια Λεμφοκυτταρική Λευχαιμία Πολλαπλές Μυέλωμα Λέμφωμα non-hodgkin Ασθένεια Hodgkin

4

5

6

7 Ποιές αλλαγές συμβαίνουν στον μεταβολισμό των καρκινικών κυττάρων; Τι εξυπηρετούν αυτές οι αλλαγές (και πως μπορούμε να τις εκμεταλλευτούμε στην αντιμετώπιση του καρκίνου); Πως προκαλούνται αυτές τις αλλαγές (η σχέση της υποξίας και των HIF);

8 Το φαινόμενο Warburg ("the Warburg effect") Otto Heinrich Warburg (Nobel 1931) Τα περισσότερα καρκινικά κύτταρα παράγουν κυρίως ενέργεια μέσω γλυκόλυσης-γαλακτικής ζύμωσης ακόμη και σε αερόβιες συνθήκες (ταχύτητα γλυκόλυσης 200 φορές μεγαλύτερη από αυτή φυσιολογικών κυττάρων)

9 Ανασκόπηση μεταβολισμού υδατανθρακών ΗΠΑΡ Γλυκόζη ΤΡΟΦΗ Κυκλοφορία Γλυκόζη Κυτταρόπλασμα Γλυκόλυση 2ATP+2NADH Πυροσταφυλικό CO 2 NADH ΟΞΕΙΔ. ΦΩΣΦ. 32 ATP Κύκλος Krebs Αερόβια NADH NADPH Ακέτυλο-CoA Μιτοχόνδριο ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ

10 Ανασκόπηση μεταβολισμού υδατανθρακών ΗΠΑΡ Γλυκόζη ΤΡΟΦΗ Κυκλοφορία Γλυκόζη Κυτταρόπλασμα Γλυκόλυση (Οξέωση) 2ATP+2NADH Αναερόβια Γαλακτικό Πυροσταφυλικό CO 2 NADH ΟΞΕΙΔ. ΦΩΣΦ. 32 ATP Κύκλος Krebs Αερόβια NADH NADPH Ακέτυλο-CoA Μιτοχόνδριο ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ

11 Ανασκόπηση μεταβολισμού υδατανθρακών ΗΠΑΡ Γλυκόζη ΤΡΟΦΗ Κυκλοφορία Αερόβια γλυκόλυση καρκινικών κυττάρων Γλυκόλυση Γλυκόζη Κυτταρόπλασμα (Οξέωση) 2ATP+2NADH Αναερόβια Γαλακτικό Πυροσταφυλικό CO 2 NADH ΟΞΕΙΔ. ΦΩΣΦ. 32 ATP Κύκλος Krebs Αερόβια NADH NADPH Ακέτυλο-CoA Μιτοχόνδριο ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ

12 Ανασκόπηση μεταβολισμού υδατανθρακών ΗΠΑΡ Γλυκόζη ΤΡΟΦΗ Κυκλοφορία Γλυκόζη ΗΠΑΡ Κυτταρόπλασμα Γλυκόλυση (Οξέωση) 2ATP+2NADH Αναερόβια Γαλακτικό Πυροσταφυλικό ΗΠΑΡ CO 2 NADH ΟΞΕΙΔ. ΦΩΣΦ. Κύκλος Krebs Αερόβια NADH Ακέτυλο-CoA NADPH ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ ATP Μιτοχόνδριο

13 Ανασκόπηση μεταβολισμού υδατανθρακών ΗΠΑΡ Γλυκόζη ΤΡΟΦΗ Κυκλοφορία ΓΛΥΚΟΓΟΝΟ Γλυκόζη ΗΠΑΡ Κυτταρόπλασμα Γλυκόλυση (Οξέωση) 2ATP+2NADH Αναερόβια Γαλακτικό Πυροσταφυλικό ΗΠΑΡ CO 2 NADH ΟΞΕΙΔ. ΦΩΣΦ. Κύκλος Krebs Αερόβια NADH Ακέτυλο-CoA NADPH ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ ATP Μιτοχόνδριο

14 Ανασκόπηση μεταβολισμού υδατανθρακών ΗΠΑΡ Γλυκόζη ΤΡΟΦΗ Κυκλοφορία ΓΛΥΚΟΓΟΝΟ Γλυκόζη ΗΠΑΡ Κυτταρόπλασμα Γλυκόλυση Οδός Φωσφ. Πεντοζών Ριβόζη (Οξέωση) 2ATP+2NADH Αναερόβια Γαλακτικό Πυροσταφυλικό ΗΠΑΡ NADPH NTPs, DNA, RNA CO 2 NADH ΟΞΕΙΔ. ΦΩΣΦ. Κύκλος Krebs Αερόβια NADH Ακέτυλο-CoA NADPH ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ ATP Μιτοχόνδριο

15 Ανασκόπηση μεταβολισμού υδατανθρακών ΗΠΑΡ Γλυκόζη ΤΡΟΦΗ Κυκλοφορία ΓΛΥΚΟΓΟΝΟ Γλυκόζη ΗΠΑΡ Κυτταρόπλασμα (Οξέωση) NADH ATP CO 2 ΟΞΕΙΔ. ΦΩΣΦ. 2ATP+2NADH Αναερόβια Γαλακτικό Πυροσταφυλικό Κύκλος Krebs Αερόβια NADH Γλυκόλυση Γλυκονεογένεση Ακέτυλο-CoA ΗΠΑΡ NADPH Μιτοχόνδριο Οδός Φωσφ. Πεντοζών NADPH Αμινοξέα Ριβόζη NTPs, DNA, RNA ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ

16 Ανασκόπηση μεταβολισμού υδατανθρακών ΗΠΑΡ Γλυκόζη ΤΡΟΦΗ Κυκλοφορία ΓΛΥΚΟΓΟΝΟ Γλυκόζη ΗΠΑΡ Κυτταρόπλασμα Αερόβια γλυκόλυση καρκινικών κυττάρων (Οξέωση) NADH ATP CO 2 ΟΞΕΙΔ. ΦΩΣΦ. 2ATP+2NADH Αναερόβια Γαλακτικό Πυροσταφυλικό Κύκλος Krebs Αερόβια NADH Γλυκόλυση Γλυκονεογένεση Ακέτυλο-CoA ΗΠΑΡ NADPH Μιτοχόνδριο Οδός Φωσφ. Πεντοζών NADPH Αμινοξέα Ριβόζη NTPs, DNA, RNA ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ

17 Ανασκόπηση μεταβολισμού υδατανθρακών ΗΠΑΡ Γλυκόζη ΤΡΟΦΗ Κυκλοφορία ΓΛΥΚΟΓΟΝΟ Γλυκόζη ΗΠΑΡ Κυτταρόπλασμα Αερόβια γλυκόλυση καρκινικών κυττάρων (Οξέωση) NADH ATP CO 2 ΟΞΕΙΔ. ΦΩΣΦ. 2ATP+2NADH Αναερόβια Γαλακτικό Πυροσταφυλικό Κύκλος Krebs Αερόβια NADH Γλυκόλυση Γλυκονεογένεση Ακέτυλο-CoA ΗΠΑΡ NADPH Μιτοχόνδριο Οδός Φωσφ. Πεντοζών NADPH Αμινοξέα Ριβόζη NTPs, DNA, RNA ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ

18 Τι εξυπηρετεί το φαινόμενο Warburg;

19 Τι εξυπηρετεί το φαινόμενο Warburg; 1. Τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό Η ενεργοποίηση της γλυκόλυσης χρειάζεται για να παραχθούν μεταβολικά ενδιάμεσα (δομικοί λίθοι) απαραίτητα για την δημιουργία νέων κυττάρων (π.χ. γλυκερόλη για λιπίδια, πυροσταφυλικό για αμινοξέα, ριβόζη για DNA, NADPH κλπ.)

20 Τι εξυπηρετεί το φαινόμενο Warburg; 1. Τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό Η ενεργοποίηση της γλυκόλυσης χρειάζεται για να παραχθούν μεταβολικά ενδιάμεσα (δομικοί λίθοι) απαραίτητα για την δημιουργία νέων κυττάρων (π.χ. γλυκερόλη για λιπίδια, πυροσταφυλικό για αμινοξέα, ριβόζη για DNA, NADPH κλπ.) 2. Την αποφυγή της απόπτωσης Η παραγωγή ενέργειας από τη γλυκόλυση επιτρέπει την αδρανοποίηση των μιτοχονδριων και την αποφυγή της απόπτωσης που μπορούν να πυροδοτήσουν.

21 Τι εξυπηρετεί το φαινόμενο Warburg; 1. Τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό Η ενεργοποίηση της γλυκόλυσης χρειάζεται για να παραχθούν μεταβολικά ενδιάμεσα (δομικοί λίθοι) απαραίτητα για την δημιουργία νέων κυττάρων (π.χ. γλυκερόλη για λιπίδια, πυροσταφυλικό για αμινοξέα, ριβόζη για DNA, NADPH κλπ.) 2. Την αποφυγή της απόπτωσης Η παραγωγή ενέργειας από τη γλυκόλυση επιτρέπει την αδρανοποίηση των μιτοχονδριων και την αποφυγή της απόπτωσης που μπορούν να πυροδοτήσουν. 3. Την επιβίωση κάτω από υποξικές συνθήκες Η αναερόβια παραγωγή ενέργειας μέσω της γλυκόλυσης-γαλακτικής ζύμωσης επιτρέπει την επιβίωση των καρκινικών κυττάρων των στερεών όγκων κάτω από συνθήκες χαμηλής οξυγόνωσης. 4. Την αλλαγή του μικροπεριβάλλοντος (ph) του όγκου Η παραγωγή και απέκκριση του γαλακτικού οξινίζει το μικροπεριβάλλον των καρκινικών κυττάρων και διευκολύνει την μετακίνηση και μετάσταση.

22

23 φαινόμενο Warburg

24 Καρκινικός μεταβολισμός φαινόμενο Warburg

25 Οι αλλαγές στον κυτταρικό μεταβολισμό (π.χ. αερόβια γλυκόλυση, γλουταμινόλυση) απλά αποτελούν προσαρμογή των καρκινικών κυττάρων στην ανάγκη για γρήγορο κυτταρικό πολλαπλασιασμό ή συντελούν στην εμφάνιση του καρκίνου;

26 Μεταβολικά ογκογονιδία και ογκοκαταστολείς, ογκοένζυμα, ογκομεταβολίτες και πρωτο-ογκομεταβολίτες Μεταλλαγμένες (νεομορφικές) IDH1/2 Λειομυοσάρκωμα, Λειομύωμα, Νεφρικό καρκίνωμα Πολυμορφικό Γλοιοβλάστωμα, Ολιγοδενδρογλοίωμα, Αστροκύττωμα, Χονδροσάρκωμα, Οξεία Μυελογενής Λευχαιμία 2-υδροξυγλουταρικό (2HG) Αναστολή διοξυγενασών & απομεθυλασών Φαιοχρωμοκύττωμα, Παραγαγγλίωμα Υπερμεθυλίωση DNA & ιστονών Καρκινογένεση

27 Σημασία του φαινομένου Warburg στη διάγνωση και θεραπεία του καρκίνου Διάγνωση Οι όγκοι μπορούν να εντοπιστούν μέσω PET (τομογραφία εκπομπής ποζιτρονίων) λόγω της αυξημένης πρόσληψης 2-18 F-2-δεοξυγλυκόζης (φλουοροδεοξυγλυκόζης, FDG) που φωσφορυλιώνεται από την εξοκινάση αλλά δεν μεταβολίζεται περαιτέρω και συσσωρεύεται σε ιστούς με έντονη γλυκόλυση. Θεραπεία Αναστολείς αερόβιας γλυκόλυσης έχουν αντικαρκινική δράση, π.χ. 2-δεοξυγλυκόζη (2DG) & Διχλωροξικό οξύ (DCA): αναστολέας της κινάσης της αφυδρογονάσης του πυροσταφυλικού. Ενεργοποιεί την αφυδρογονάση του πυροσταφυλικού, δηλ. την μετατροπή του πυροσταφυλικού σε ακέτυλο-coa και την οξείδωση του στα μιτοχόνδρια. CoA CO 2

28 Galluzzi et al., Nat Rev Drug Disc 2013

29 Galluzzi et al., Nat Rev Drug Disc 2013

30 Metabolic targets for cancer therapy Preclinical evidence Clinical studies Clinical experience Galluzzi et al., Nat Rev Drug Disc 2013

31 Τι προκαλεί τις αλλαγές στον μεταβολισμό των καρκινικών κυττάρων; Galluzzi et al., Nat Rev Drug Disc 2013

32 Τι προκαλεί τις αλλαγές στον μεταβολισμό των καρκινικών κυττάρων; Galluzzi et al., Nat Rev Drug Disc 2013

33 Ο ρόλος των HIF στον καρκίνο Υποξία & HIF HIF & καρκίνος Ρύθμιση των HIF Ρύθμιση του HIF-1 από φωσφορυλίωση και η επίπτωση της στον μεταβολισμό λιπιδίων και την επιβίωση των κυττάρων κατά την υποξία

34 ΥΠΟΞΙΑ Υψόμετρο Εντονη μυική άσκηση Πνευμονοπάθειες Αναιμία Ισχαιμία Καρκίνος Φλεγμονή HIF-1 a β - + HIF-1α DNA Επαγωγή γονιδίων που ρυθμίζονται από την υποξία Αύξηση μεταφοράς οξυγόνου Αγγειοδιαστολή (inos) Ερυθροποίηση (Epo) Αγγειογένεση (VEGF) Αναερόβια παραγωγή ενέργειας Πρόσληψη γλυκόζης (GLUT-1) Ένζυμα γλυκόλυσης

35 Οι επαγόμενοι από την υποξία παράγοντες HIF (Hypoxia Inducible Factors) HIF-1α (HIF-2α, HIF-3α) Trans Activation Domain-N H 2 N bhlh A PAS B ODD TAD-N TAD-C COOH DNA binding Dimerization Oxygen Dependent Degradation Domain Trans Activation Domain-C HIF-1β = ARNT H 2 N bhlh A PAS B TAD COOH DNA binding Dimerization Trans Activation Domain Ετεροδιμερή: HIF-α (επάγεται από την υποξία) HIF-1β = ARNT Συνδέονται σε ειδικές αλληλουχίες DNA, τις HRE (Hypoxia response element, 5 -RCGTG-3 ) O HIF-1α εκφράζεται κατά την υποξία στους περισσότερους ιστούς ενώ ο HIF-2α (EPAS) παρουσιάζει ιστοειδικότητα

36 Γονίδια-στόχοι των HIF είναι υπεύθυνα για τον μεταβολικό επαναπρογραμματισμό που χαρακτηρίζει την απόκριση στην υποξία και το φαινόμενο Warburg Dengler et al., 2013, Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol.

37 Πόσο σχετίζεται ο HIF-1 με τον καρκίνο;

38 Οι HIF-α συνήθως υπερεκφράζονται στα καρκινικά κύτταρα Αιτίες: Υποξικό μικροπεριβάλλον του όγκου Παραγωγή ROS Ενεργοποίηση ογκογονιδίων, απώλεια ογκοκαταστολέων Semenza, 2003, Nature Reviews Cancer

39 Κλινικά δεδομένα συσχετίζουν τα επίπεδα HIF-1α & HIF-2α με την θνητότητα ασθενών με καρκίνο Τα αυξημένα επίπεδα HIF-α συνήθως συσχετίζονται με κακή πρόγνωση και μειωμένη επιβίωση των ασθενών Keith et al. Nat Rev Cancer 2012

40 Γονίδια στόχοι των HIF κωδικοποιούν πρωτεΐνες που εμπλέκονται σε κρίσιμα στάδια της καρκινικής ανάπτυξης Dengler et al., 2013, Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol.

41 Η αναστολή του HIF-1α μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την θεραπεία του καρκίνου Semenza, Oncogene 2010 Gao et al. (C.V. Dang, JHM), Cancer Cell 2007

42 Ο HIF-1 αποτελεί «μοριακό στόχο» για την αντικαρκινική θεραπεία. Προϋπόθεση για αυτό είναι η κατανόηση των μηχανισμών ρύθμισης του.

43 Οξυγονοεξαρτώμενη ρύθμιση του HIF-1α Υδροξυλάσες προλίνης (PHDs) χρησιμοποιούν μοριακό οξυγόνο για να τροποποιήσουν τον HIF-1α και να προκαλέσουν τη γρήγορη αποικοδόμηση του σε φυσιολογικές συγκεντρώσεις Ο 2 (νορμοξία).

44 Ανεξάρτητη του οξυγόνου ρύθμιση του HIF-1α Αλληλεπίδραση με άλλες πρωτεΐνες Semenza, Physiology 2009 S Μετα-μεταφραστική τροποποίηση (φωσφορυλίωση) Keith et al. Nat Rev Cancer 2012 Στόχος σηματοδοτικών μονοπατιών

45 Kalousi et al., J Cell Sci 2010 Mylonis et al., J Biol Chem 2006 Mylonis et al., J Biol Chem 2008 HIF-1α is phosphorylated & inhibited by Casein Kinase 1δ or stimulated by p42/44 MAPK (ERK1/2) CK1δ ERK P P H 2 N bhlh A PAS B ODD TAD TAD N ES N L S COOH ARNT CRM1

46 Η φωσφορυλίωση από την ERK αναστέλλει την αλληλεπίδραση του HIF-1a με την εξπορτίνη CRM1 και προκαλεί την συσσώρευση του μέσα στον πυρήνα ERK CRM1 HIF-1a HeLa cells Mylonis et al., J Biol Chem 2008

47 Η φωσφορυλίωση από την ERK αναστέλλει την αλληλεπίδραση του HIF-1a με την εξπορτίνη CRM1 και προκαλεί την συσσώρευση του μέσα στον πυρήνα CRM1 X ERK P HIF-1a HeLa cells Mylonis et al., J Biol Chem 2008

48 Η φωσφορυλίωση του HIF-1α από την CK1δ αναστέλλει την αλληλεπίδραση του με τον ARNT CK1δ HIF-1a ARNT Kalousi et al. Journal of Cell Science (2010)

49 Η φωσφορυλίωση του HIF-1α από την CK1δ αναστέλλει την αλληλεπίδραση του με τον ARNT CK1δ P X ARNT HIF-1a Kalousi et al. Journal of Cell Science (2010)

50 Πως επηρεαζει η φωσφορυλίωση του HIF-1a την ανάπτυξη των καρκινικών κυττάρων σε συνθήκες υποξίας; CRM1 X CK1δ P ERK P X HIF-1a HIF-1a ARNT? Κυτταρικός πολλαπλασιασμός

51 Αναστολή των κινασών του HIF-1α επηρεάζει την ανάπτυξη ηπατοκαρκινικών κυττάρων σε συνθήκες υποξίας Inhibition of CK1 by IC261 Inhibition of MAPK by kaempferol Kalousi et al., J. Cell Science 2010 Mylonis et al., BBRC 2010

52 Kalousi et al., J. Cell Science 2010 Mylonis et al., BBRC 2010 Η μοριακή στόχευση της φωσφορυλίωσης του HIF-1a μπορεί να οδηγήσει σε νέα αντικαρκινικά φάρμακα Αναστολή των κινασών του HIF-1α επηρεάζει την ανάπτυξη ηπατοκαρκινικών κυττάρων σε συνθήκες υποξίας Inhibition of CK1 by IC261 Inhibition of MAPK by kaempferol