Energetic metabolism analysis based on the instability of the mitochondrial genome in melanoma

Estudos recentes relataram oncogenes induzindo a reprogramação metabólica no câncer. Essa reprogramação é fundamental para que as células cancerosas tenham nutrientes e biomoléculas suficiente para manter sua alta taxa proliferativa. A mitocôndria tem um papel central no metabolismo energético da célula e alterações no seu genoma, tanto em relação a mutações como em número de cópias, já foram bastante observados em vários tipos tumorais. Além disso, deficiência no fator de transcrição mitocondrial A (TFAM), fundamental para a transcrição e estabilidade do mtDNA, já foi associada com o crescimento tumoral. Diante disso, nosso estudo teve como objetivo avaliar o papel da instabilidade do genoma mitocondrial no metabolismo energético e crescimento do melanoma. Para isso, nós medimos a instabilidade do mtDNA utilizando como parâmetros: o acúmulo de mutações no mtDNA, alterações no mtDNAcn e a expressão do TFAM. O impacto da instabilidade do mtDNA foi avaliado em três modelos diferentes de melanoma: um modelo in vitro de linhagens celulares, dados de expressão gênica de tumores de melanoma metastático proveniente do TCGA e um modelo murino induzível de melanoma (BrafV600E/Ptennull), adicionado a um background alternativo de deficiência para o TFAM/mtDNAcn. Esse modelo murino também nos permitiu avaliar a deficiência do TFAM limitada a células tumorais (Tfamflox) e tanto em células tumorais, como no seu microambiente (Tfam+/-). Nas análises in vitro, nós observamos correlações positivas entre o mtDNAcn e a expressão do TFAM com a taxa de consumo de glicose e produção de ATP, indicando um impacto desses parâmetros na bioenergética celular. Análises de expressão gênica, utilizando tanto as linhagens de melanoma como tumores de melanoma metastático, nos sugeriram que o TFAM regula genes indutores de angiogênese, a resposta imunológica humoral e vias metabólicas de aminoácidos. Nas análises in vivo, nós observamos um aumento dos tumores em camundongos Tfam+/-, indicando que a deficiência de TFAM/mtDNAcn em células tumorais e no seu microambiente induz a tumorigênese, o que confirma os dados de expressão gênica encontrados com linhagens e tecido de melanoma. Além disso, análises de metabolômica e transcriptômica combinadas nos sugeriram que as células de melanoma com deficiência no TFAM/mtDNAcn são mais dependentes do metabolismo de glutamina. Diante disso, nós concluímos que a deficiência do TFAM/mtDNAcn tem um papel importante no crescimento do melanoma, induzindo a expressão de genes pro-tumorigênicos e aumentando o consumo da glutamina para suprir as necessidades proliferativas das células cancerosas. Esses dados são relevantes e podem nos ajudar a entender melhor o papel da mitocondrial na progressão do melanoma.Recent studies have shown many oncogenes triggering metabolic reprogramming in cancer. The metabolic switch in cancer cells is necessary to supply the high demand for nutrients and biomolecules for proliferative cells. In this context, mitochondria play a central role in the energetic metabolism of the cell and changes in its genome, such as an increased load of mutations and alterations in mtDNA content, have been reported in several cancers. In addition, deficiency in the Mitochondrial Transcription Factor A (TFAM), responsible for transcription and maintenance of mtDNA stability, was previously associated with tumor growth. Based on that, our goal was to evaluate the impact of the mitochondrial genome instability in the energetic metabolism and melanoma growth. mtDNA instability was inferred measuring mtDNA mutations load and content, as well as TFAM expression. Its impact was evaluated in three different melanoma models: an in vitro model using melanoma cell lines, gene expression data from metastatic melanoma tumors, publicly available at TCGA, and an inducible murine model of melanoma (BRAFV600E/PTENnull), crossed onto different TFAMdeficient backgrounds. The murine model also provides us a tractable model to examine the consequences of mtDNA instability limited to cancer cells (Tfamflox) and in both cancer cells and tumor microenvironment (Tfam+/-). In vitro analysis showed us a positive correlation between mtDNA copy number (mtDNAcn) and TFAM expression with glucose consumption and ATP production, pointing an impact of these parameters in cellular bioenergetics. Further gene expression analysis, using both cell lines and metastatic melanoma data, suggested that TFAM could regulate the expression of angiogenesis genes, humoral immunity and amino acid metabolism. In vivo analysis confirmed the gene expression data, and revealed a higher melanoma growth in Tfam+/-. Also, combined metabolomics and transcriptomics data suggested that TFAM/mtDNAcn deficient melanoma cells rely mostly on glutamine metabolism to supply their energetic requirements. In conclusion, these data indicate that TFAM/mtDNAcn influences melanoma growth by triggering pro-tumorigenic signals and inducing metabolic reprogramming towards glutamine metabolism. These results are relevant and might help us understand how mitochondria affect melanoma progression