Buněčný cyklus a metabolický stres jako regulátor růstu rakovinových buněk

Mgr. Zuzana Šrámková, Ph.D.

Doctoral thesis

Regulation of Cancer Growth by Cell Cycle and Metabolic Stress

Abstract:

Rakovina je charakterizována nekontrolovaným buněčným růstem. Mezi hlavní znaky rakovinového růstu patří deregulace buněčného cyklu a přeprogramování energetického metabolismu. Iontové kanály, které zodpovídají za udržování iontové homeostázy uvnitř buňky, také přispívají k patofyziologii rakoviny. V publikaci I jsme analyzovali transkriptom buněčného cyklu nesynchronizovaných rakovinných buněk sortovaných do jednotlivých fází buněčného cyklu s cílem identifikovat geny s dosud neobjevenou funkcí v regulaci buněčného cyklu. V kontextu rakovinného růstu jsme dále zkoumali jak se exprese těchto genů vzájemně ovlivňuje. Vyvinuli jsme nový algoritmus TriComp, který nám umožnil vytvořit transkripční mapy přechodu buněčným cyklem dvou rakovinných buněčných linií, HeLa a U2OS, které záměrně nebyly ovlivněny chemickou synchronizací. Za použití algoritmu naše studie odhalila synchronizaci mezi vývojovými transkripčními faktory a buněčným cyklem v rakovinných buňkách. Je známo, že vývojové dráhy jsou v rakovině reaktivovány a my se domníváme, že buněčný cyklus by mohl sloužit jako mechanismus pro rozfázování jednotlivých částí těchto drah do časově ohraničených úseků. V publikaci II jsme zkoumali mechanismy aktivované narušením iontové homeostázy, které vedly k buněčné smrti jinak vysoce rezistentních rakovinných kmenových buněk gliomu. V práci jsme identifikovali specifické inhibitory přenosu iontů vápníku přes buněčnou membránu gliomových kmenových buněk, což brání její repolarizaci. Následkem je zvýšení koncentrace sodíku v buňce a narušení jeho elektrochemického gradientu. To vede k omezení sodíkově závislého transportu živin do buňky. Výsledkem je hladovění buňky, které indukuje UPR a AAR dráhy, a posléze vyústí v buněčnou smrt.

Abstract:

Cancer is a disease characterized by out-of-control cell growth. Typical hallmarks of cancer growth are deregulated cell cycle and reprogrammed energy metabolism. In addition, ion channels, which are responsible for maintaining intracellular ion homeostasis, contribute to pathophysiology of these cancer hallmarks. In article I, we analyzed cell cycle transcriptomes in cell cycle-sorted unsynchronized cancer cells to identify novel genes with yet uncovered cell cycle regulatory effects. Further, we searched for interrelated patterns of expression of these genes in the specific context of cancer growth. We developed a novel algorithm, TriComp, which enabled us to generate transcriptome maps of cell cycle progression in two cancer cell lines HeLa nad U2OS without any perturbations caused by chemical synchronization. Demonstrating the utility of the algorithm, this study reveals synchronization between developmental transcription factors and the cell cycle in cancer cells. Developmental pathways are known to be aberrantly reactivated in cancer, and we argue that the cell cycle serves as a mechanism to temporally compartmentalize the activity of these pathways. In article II, we investigated the downstream mechanisms following disruption of ion homeostasis, causing lethality of otherwise highly resistant glioma cancer stem cells. We identified specific blockers of Ca2+ ion homeostasis that disable membrane repolarization in glioma initiating cells. This leads to increased intarcellular Na+ concentration and dissipation of Na+ electrochemical gradient. As a consequence, Na+-dependent transport of nutrients is constrained and results in nutrient starvation, which induces UPR and AAR pathways, ultimately leading to cell death.

Keywords

cancer, cell cycle, oscillation, transcription factor, gene expression, development, Notch, Pax6, circadian molecular clock, glioblastoma multiforme, cancer initiating cells, membrane potential, ion channel, channel block, depolarization, T-type voltage gated channel, calcium-activated potassium channel, stress, unfolded protein response, amino acid, amino acid response, rakovina, buněčný cyklus, oscilace, transkripční faktor, génová exprese, vývoj, cirkadiánní molekulární rytmy, glioblastom iniciující buňka, membránový potenciál, iontový kanál, blokování iontového kanálu, depolarizace, napěťově řízený vápnikový kanál typu T, vápnikem aktivovaný draslíkový kanál, stres, “unfolded protein response”, aminokyselina, “amino acid response”

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 7. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 21. 9. 2018
• Supervisor: Ing. Mgr. Petra Szeszula, Ph.D.
• Reader: Mgr. Dáša Bohačiaková, Ph.D., MUDr. Petr Bušek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Animal Physiology