Mitochondriální dynamika v patogenezi solidních nádorů dětského věku

Mgr. Karolína Bořánková, Ph.D.

Doctoral thesis

Mitochondrial dynamics in the pathogenesis of pediatric solid tumors

Abstract:

Agresivní formy solidních pediatrických nádorů jsou stále jen obtížně léčitelné, čemuž přispívá i častý rozvoj rezistence k chemoterapii. Pro zlepšení výsledků onkologické léčby je nezbytné nalézt nové léčebné cíle a postupy umožňující překonat rezistenci ke stávajícím terapeutickým protokolům. Deregulace mitochondriální dynamiky je spojována s rezistencí k protinádorové léčbě, avšak nebylo doposud objasněno, zda by terapeutické cílení na procesy mitochondriální dynamiky mohlo zvýšit účinnost stávající terapie solidních nádorů dětského věku. Z tohoto důvodu tato dizertační práce zkoumá, zda by zacílení léčby na procesy spojené s mitochondriální dynamikou mohlo zvýšit účinnost stávající terapie, a to v případě častých pediatrických nádorů neuroblastomu a sarkomů. Významným přínosem první části této práce je odhalení mitochondriální biogeneze, konkrétně procesu mitochondriální proteinové syntézy, jako potenciálního cíle pro terapii těchto nádorových typů. Inhibice mitochondriálních ribozomů vedla k indukci buněčné smrti u neuroblastomů s vysokou expresí onkoproteinů MYC, bez ohledu na jejich rezistenci k chemoterapii, zároveň však nepůsobila cytotoxicky na nenádorové kožní fibroblasty. V návaznosti na to bylo rovněž ukázáno, že inhibice mitochondriálních ribozomů potlačila nádorově kmenový fenotyp u neuroblastomu i sarkomů. Z hlediska mechanismu působení bylo experimentálně prokázáno, že inhibice mitochondriálních ribozomů spouští mitochondriální stresovou signalizaci vedoucí k aktivaci integrované stresové odpovědi, která u neuroblastomu způsobuje snížení hladiny onkoproteinů s krátkým poločasem rozpadu, c MYC/N-MYC, HIF-1α, MCL-1, a současně i aktivaci buněčné smrti. Dále citlivost k inhibici mitochondriálních ribozomů byla přímo spojena se zvýšenou fosforylací a expresí proteinů MYC, což nově umožnilo popsat synteticky letální účinek inhibice mitochondriálních ribozomů na neuroblastomové buňky s vysokou expresí MYC. V druhé části této práce bylo u sarkomů hodnoceno, zda se procesy, které formují tvar mitochondriálních sítí, podílejí na rezistenci k chemoterapii. V případě osteosarkomu a rabdomyosarkomu bylo popsáno, že proteiny, které se podílejí na mitochondriálním štěpení jsou modulovány po působení chemoterapie v závislosti na počátečním stavu proteinového aparátu mitochondriálního štěpení. Nicméně, hladina i fosforylace proteinu DRP1, který přímo zprostředkovává kanonické mitochondriální štěpení, byla v odpovědi na chemoterapii měněna, ale trvalé snížení jeho exprese neovlivnilo rychlost růstu sarkomových buněk ani morfologii jejich mitochondriálních sítí a dále pak ani nesnížilo jejich rezistenci k chemoterapeutikům. Tato pozorování u sarkomů mechanisticky zpochybnila předpokládanou účast proteinu DRP1 v mechanismech rezistence k chemoterapii a zároveň poukázala na probíhající mitochondriální štěpení bez účasti DRP1, což souhrnně nastiňuje potenciální zapojení dalších regulátorů mitochondriální dynamiky v patogenezi solidních nádorů dětského věku. Z výsledků této dizertační práce vyplývá, že terapeutické cílení na protein DRP1 zřejmě není vhodnou strategií v léčbě sarkomů, avšak mitochondriální ribozomy by mohly představovat slibný cíl pro terapii solidních nádorů dětského věku.

Abstract:

The treatment of high-risk pediatric solid tumors poses a significant therapeutic challenge, with chemotherapy resistance largely contributing to therapy failure. Therefore, identifying novel treatment strategies and targets is essential to combat mechanisms of resistance to standard treatment protocols and improve therapy outcomes. Specific patterns of mitochondrial dynamics have been linked to multidrug resistance in cancer. However, it remains unclear whether targeting proteins involved in mitochondrial dynamics could be effective in overcoming multidrug resistance in pediatric solid tumors. In response to this challenge, this PhD thesis investigates whether targeting mitochondrial dynamics could overcome chemotherapy resistance in common pediatric solid tumors, including neuroblastoma and sarcomas. In the first part, we identified mitochondrial biogenesis, specifically mitochondrial protein synthesis, as a potential therapeutic target. Inhibiting mitochondrial ribosomes (mitoribosomes) induced cell death in MYC-driven neuroblastomas regardless of their multidrug resistance, while showing no cytotoxic effects on non-malignant dermal fibroblasts. Furthermore, mitoribosomal inhibition suppressed the cancer stem-like phenotype in both neuroblastoma and sarcoma models. Mechanistically, mitoribosomal inhibition triggers mitochondrial stress signaling, activating the integrated stress response (ISR). This mitochondrial ISR facilitated the downregulation of short-lived oncoproteins, including c-MYC/N-MYC, HIF-1α, and MCL-1, and was a significant contributor to neuroblastoma cell death. Importantly, we found that the vulnerability to mitoribosomal inhibition associates with MYC overexpression and enhanced phosphorylation. Collectively, our findings identify mitoribosomes as a novel synthetic lethal target for multidrug-resistant MYC-driven neuroblastomas. In the second part, to assess the role of mitochondrial network remodeling in sarcoma drug resistance, we screened for changes in mitochondrial fission and fusion-related proteins following chemotherapy exposure. Notably, our work in osteosarcoma and rhabdomyosarcoma reveals that the modulation of mitochondrial fission-related proteins in response to chemotherapy reflects the initial state of mitochondrial fission machinery. However, despite the responsiveness of the mitochondrial fission mediator DRP1 to chemotherapy, its depletion did not affect sarcoma cell growth, mitochondrial morphology, or mitigate chemotherapy resistance. This challenges the hypothesized role of DRP1 in drug resistance and mechanistically demonstrates the presence of DRP1-independent mitochondrial fission indicating the complexity of yet-to-be-characterized noncanonical regulators of mitochondrial dynamics in the pathogenesis of pediatric solid tumors. In conclusion, this PhD thesis reveals the potential of sarcoma cells to escape DRP1-targeted anticancer therapies, however identifies mitoribosomes as a promising target in pediatric solid tumors.

Keywords

mitochondria, mitochondrial dynamics, chemotherapy resistance, mitochondrial ribosomes, doxycycline, mitochondrial fission and fusion, DRP1, AMPKα1, pediatric solid tumors, neuroblastoma, rhabdomyosarcoma, osteosarcoma, Ewing’s sarcoma, mitochondrie, mitochondriální dynamika, rezistence k chemoterapii, mitochondriální ribozomy, doxycyklin, mitochondriální dělení a fúzování, solidní nádory dětského věku, neuroblastom, rabdomyosarkom, osteosarkom, Ewingův sarkom

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 6. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 6. 9. 2024
• Supervisor: RNDr. Jan Škoda, Ph.D.
• Reader: MUDr. Aleš Vícha, Ph.D., Melinda Halasz, MD, PhD

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Molecular and Cell Biology and Genetics / Molecular and Cell Biology and Genetics