Die Rolle der Nährstoffmangelsensoren AMPK und PGC-1α bei der Regulation metabolischer Prozesse humaner Glioblastomzellen

Das Glioblastom ist eine der aggressivsten Formen von Hirntumoren. Auf molekularer Ebene sind Mutationen und Amplifikationen des epidermal growth factor receptor (EGFR) häufig zu finden. Dennoch zeigt sich bisher keine Wirksamkeit von EGFR-Inhibitoren in klinischen Studien. Der Mechanismus der sich hinter der hohen Resistenz gegenüber dieser tumorbiologisch plausiblen Therapie verbirgt ist noch weitgehend ungeklärt. Faktoren wie die Nährstoff- und Sauerstoffversorgung, die das Tumormikromilieu beeinflussen, könnten dabei eine wichtige Rolle spielen. Diese Arbeit untersuchte, inwieweit die Verfügbarkeit von Sauerstoff und Glukose die Sensibilität gegenüber EGFR-Inhibition beeinflusst und ob die Mangelsensoren AMP-aktivierte Kinase (AMPK) und peroxisome-proliferator-activated receptor-coactivator-1α (PGC-1α) in das Tumorwachstum und die Entstehung von Resistenzen im Glioblastom involviert sind. Die Reduktion der Glukoseverfügbarkeit und des Sauerstoffangebots führten zur Resistenz der Zellen gegenüber EGFR-Inhibitor Therapie (PD153035), während das Vorkommen hoher Glukosekonzentrationen und die Verfügbarkeit von Sauerstoff die Zellen gegenüber dieser Therapie sensibilisierten. Es stellte sich heraus, dass durch den Nährstoff- und Sauerstoffmangel die Aktivierung der AMPK stimuliert wurde und dies die Zellen vor EGFR-Inhibitor induzierten Zelltod schützte. Sowohl die indirekte Aktivierung der AMPK mittels 2-Deoxyglukose (2-DG) als auch die direkte mit dem AMPK-Aktivator A769662 ahmten den Effekt einer niedrigen Glukoseverfügbarkeit auf die Toxizität von PD153035 nach. Die Inhibierung der AMPK durch den pharmakologischen AMPK-Inhibitor Compound C oder durch die shRNA-vermittelte Gensuppression, verstärkte den EGFR-Inhibitor induzierten Zelltod und führte zur Aufhebung des protektiven Effekts von 2-DG und A769662. Dies suggeriert, dass der Antagonismus der AMPK-Aktivierung und der AMPK-regulierten metabolischen Veränderungen vielversprechende Ansätze sein können, um die therapeutische Wirksamkeit von EGFR-Inhibitoren zu verbessern. Die Aktivierung der AMPK stellt einen Mechanismus dar, über den die Zellen ihren Metabolismus an Alterationen des Tumormikromilieus adaptieren. Die Anpassung und Umstellung des Metabolismus an die erfordernde Situation erfolgt auf der Ebene der Genexpression, welche auf transkriptioneller Ebene durch DNA-bindende Coaktivatoren reguliert wird. Einer dieser Coaktivatoren ist PGC-1α. PGC-1α integriert physiologische Signale und verstärkt koordiniert die Funktion von diversen Transkriptionsfaktoren und ist dabei maßgeblich im Zellmetabolismus und der Energiehomöostase beteiligt. Daraus resultierte die Fragestellung, ob es sich bei PGC-1α um einen weiteren wichtigen Faktor handeln könnte, der wie die AMPK in der Regulation der Resistenz gegenüber Nährstoffmangel, in die metabolische Flexibilität und das Tumorwachstum von Glioblastomzellen involviert ist. Es konnte nachgewiesen werden, dass die sh-RNA vermittelte Suppression von PGC-1α zur Reduzierung des Glukose- und Sauerstoffverbrauchs führte. Außerdem besaßen die PGC-1αsh Zellen ein vermindertes Migrations- und Proliferationspotential. Entsprechend der bereits bekannten Funktion von PGC-1α in der Abwehr von reaktiven Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS), wiesen die PGC-1α supprimierten Zellen Defekte in der ROS-Abwehr auf. Aufgrund ihrer verminderten metabolischen Aktivität waren die PGC-1αsh-Zellen, trotz der erhöhten ROS-Akkumulation, resistent gegenüber Hypoxie-induzierten Zelltod. Im in vivo Mausmodell wuchsen die Tumore, die sich aus PGC-1αsh-Zellen formierten, deutlich langsamer als diejenigen, die aus den Kontrollzellen entstanden. Diese Arbeit zeigt außerdem, dass die Expression von PGC-1α mit der Stammzell-charakteristischen Formation von Zellspheroiden verbunden ist. Diese Daten weisen darauf hin, dass PGC-1α eine wichtige Funktion in der Regulation der Proliferation, der Tumorformation und der Resistenz gegenüber ROS in diesen Zellen ausübt.Glioblastoma is one of the most aggressive types of brain tumors. At the molecular level, mutations and amplifications of the epidermal growth factor (EGFR) pathway occur frequently, but the clinical efficacy of EGFR-inhibitors in malignant glioma has been disappointing. The reasons for the failure of these inhibitors are unclear but may involve factors of the tumor microenvironment such as limited glucose availability and hypoxia. The focus of this work was to examine how glucose and oxygen influence the response of glioma cells to EGFR-inhibition and whether AMP-activated kinase (AMPK) and peroxisome-proliferator-activated receptor-coactivator (PGC)-1α are involved in tumor growth and resistances. Decreased levels of glucose and oxygen led to resistance against EGFR-inhibitor therapy (PD153035) whereas high glucose amounts and normoxia sensitized glioma cells towards this inhibitor. In this process low levels of glucose and oxygen stimulated AMPK activity and protected glioma cells against EGFR-inhibition. The indirect activation of AMPK by 2-deoxyglucose (2-DG) as well as the direct activation with A769662 mimicked the effects of low glucose availability on the toxicity of EGFR-inhibition. In line with these findings, inhibition of AMPK by compound C or by short-hairpin (sh)-mediated gene suppression increased cell death induced by the EGFR-inhibitor and reverts the protective effects of 2-DG and A769662. This mechanism may provide one explanation for the low activity of EGFR-inhibitors in clinical trials and suggest antagonism of AMPK or of AMPK-regulated metabolic alterations as a promising approach to enhance their therapeutic efficacy. Activation of AMPK represents one mechanism used by tumor cells to adapt their metabolism against alterations of the tumor microenvironment. The adaption and rearrangement of cell metabolism against the necessitating situation is regulated at the level of gene expression. Gene expression of many signaling pathways and metabolic programs itself is regulated at the transcriptional level by DNA-binding coactivators. One of these coactivators is PGC-1α. PGC-1α integrates physiological signals and enhance coordinated the function of diverse transcription factors. Thus it is mainly involved in cellular metabolism and energy homeostasis. We assessed if PGC-1α is also involved in resistance against nutrient depletion, metabolic flexibility and cell growth of glioma cells besides AMPK. Suppression of PGC-1α expression by sh-RNA reduced glucose consumption and oxygen consumption of glioblastoma cells. In addition suppression of PGC-1α diminished proliferation and migration potential. Compatible to the known PGC-1α functions in reactive oxygen species (ROS) metabolism, glioma cells lacking PGC-1α expression had impaired ROS-Defense mechanism. Interestingly, the PGC-1α knockdown conferred protection against hypoxia induced cell death despite increased ROS accumulation. On the other hand, in an in vivo xenograft experiment, tumors formed by PGC-1α suppressed glioma cells grew much slower than control tumors. It was also found that expression of PGC-1α is linked to stem cell characteristic sphere formation. Altogether, these data indicate that PGC-1α has an important function in the regulation of cell proliferation, tumor formation and resistance against ROS in glioma cells