Gluconeogenese und antioxidative Abwehr in Lungenkrebszellen

In rasch wachsenden Tumoren wie dem Lungenkrebs müssen sich Tumorzellen permanent an schwankende Nährstoffzufuhr anpassen, vor allem an den Mangel an Glucose, einem wichtigen Ausgangsstoff für den Aufbau von Zellbestandteilen. Über die zellulären Mechanismen dieser Anpassung ist bisher wenig bekannt. Unsere Arbeitsgruppe hat vor einigen Jahren erstmals nachgewiesen, dass in Tumorzellen unter Glucosemangel ein Enzym des Gluconeogenese- Stoffwechselweges aktiviert wird, die PEPCK (Phosphoenolpyruvat Carboxykinase). Von der PEPCK, die in zwei Varianten PCK1 und PCK2 vorliegt, wusste man bis dahin nur, dass sie in der Leber und wenigen anderen Organen der Herstellung von Glucose zur Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels dient. Wie in den letzten Jahren gezeigt werden konnte, ist insbesonders die mitochondriale Form, PCK2, allerdings auch ein zentrales Stoffwechselenzym für die flexible Nutzung von kleineren Molekülen, wie Aminosäuren, in Tumorzellen. Die Hemmung der PCK2 führte in unseren Studien und in anderen publizierten Arbeiten in verschiedenen Tumormodellen zur deutlichen Hemmung des Tumorzell-Überlebens und des Tumorwachstums. Die genauen Stoffwechselaktivitäten der PCK2 in Tumorzellen sind jedoch noch immer unklar. In diesem Projekt untersuchen wir das Zusammenspiel von PCK2 mit der Zellatmung und der antioxidativen Abwehr. Wir manipulieren die Aktivität und Expression der PCK2 in Lungenkrebszellen mit Hilfe unterschiedlicher genetischer Strategien und analysieren die Auswirkungen auf Zellatmung, Stoffwechsel, Zellteilung und Koloniebildung unter unterschiedlichen Nährstoffbedingungen. Dabei verfolgen wir die biochemische Umwandlung von Ausgangsstoffen wie Aminosäuren in zelluläre Stoffwechselprodukte mittels stabiler Isotopmarkierung, sowohl in der Zellkultur, als auch im Tumormodell. Unser Augenmerk liegt dabei auf der Herstellung und der Ausbalancierung antioxidativ wirksamer Moleküle, wie dem Glutathion. Damit wollen wir u.a. erstmals den Nachweis antreten, dass der PCK2 Stoffwechselweg tatsächlich im Tumorgewebe aktiv ist und werden untersuchen, ob PCK2 die Tumorzellen vor Sauerstoffradikalbildung schützt. Durch induzierbares Ausschalten der PCK2 in bereits etablierten Tumoren werde n wir klären, ob eine Hemmung der PCK2 in Lungenkrebszellen potenziell therapeutisch wirksam sein könnte.

Krebszellen müssen bei jeder Zellteilung neue Biomasse erzeugen. Zu diesem Zweck benötigen sie Ausgangsstoffe aus dem Blutkreislauf, was durch die Aktivierung der Angiogenese, dem Wachstum neuer Blutgefäße, sichergestellt wird. Darüber hinaus verändern Krebszellen ihren Stoffwechsel, um die Synthese wichtiger zellulärer Bausteine zu ermöglichen. Neuere Studien deuten jedoch darauf hin, dass Krebszellen tatsächlich mit einem Mangel an wichtigen Vorläufern, wie Glukose, konfrontiert sind, da ihre metabolische Nachfrage das Angebot übersteigt. Wir sind daran interessiert, metabolische Angriffspunkte in Krebszellen zu identifizieren, die Wachstum und Überleben der Zellen unter diesen Stressbedingungen gewährleisten. Der Schwerpunkt unserer Arbeit liegt auf einem bisher eher wenig untersuchten Stoffwechselweg in unterernährten Krebszellen, den unsere Arbeitsgruppe erstmals beschreiben konnte: die (partielle) Gluconeogenese. In unserem aktuellen Projekt konnten dabei wir mehrere neue Aspekte der metabolischen Anpassung von Krebszellen aufdecken: 1) die regulatorische Rolle eines Gluconeogenese-Enzyms bei der zellulären Atmung und der Resistenz gegenüber oxidativem Stress, 2) ein dynamisches Zusammenspiel von Gluconeogenese und Glykolyse für die Synthese einer wichtigen Aminosäure, Serin, und 3) einen unerwarteten Austausch bestimmter Metaboliten (Stoffwechselprodukte) mit dem extrazellulären Raum bei Glukosemangel. Die Ergebnisse dieses Projekts sind neuartig und wurden bereits in angesehenen Fachzeitschriften veröffentlicht oder wurden zur Veröffentlichung eingereicht. Sie tragen wesentlich zum Verständnis des Krebs-Stoffwechsels bei und könnten in Zukunft zu verbesserten Behandlungsoptionen oder zur Identifizierung von Biomarkern beitragen.