Dokument: Eukaryotic initiation factor 4E binding proteins (4EBPs): Deciphering their functions in the cellular response to glucose deprivation and as drivers of tumor aggressiveness in pediatric neuroblastoma

Titel:	Eukaryotic initiation factor 4E binding proteins (4EBPs): Deciphering their functions in the cellular response to glucose deprivation and as drivers of tumor aggressiveness in pediatric neuroblastoma
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=59501
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20220504-105149-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Völtzke, Kai [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 11,82 MB in 2 Dateien [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 03.05.2022 / geändert 03.05.2022
Beitragende:	Prof. Dr. Guido Reifenberger [Gutachter] Prof. Dr. Reichert, Andreas [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Zellen sind häufig mit Stresssituationen, wie zum Beispiel Glukosemangel, konfrontiert und daher gezwungen, ihren Stoffwechsel umzuprogrammieren, um zu überleben. Es ist von entscheidender Bedeutung, die Faktoren zu bestimmen, die eine solche Adaptation möglich machen. Diese Dissertationsarbeit zielte darauf ab, die Rolle der Translationsrepressoren und mTOR-Substrate "Eukaryotische Initiationsfaktor 4E bindende Proteine (4EBP1/2)" bei der zellulären Reaktion auf Veränderungen des Glukosespiegels zu beschreiben. Im Gegensatz zum derzeitigen Modell, welches besagt, dass 4EBP1/2 durch mTOR inaktiviert werden, wenn Glukose verfügbar ist, konnte nachgewiesen werden, dass 4EBPs bereits unter basalen Bedingungen aktiv sein können und selektiv bestimmte Gruppen von Transkripten regulieren. Die Funktion von 4EBP1/2 wurde hierfür unter Glukosemangel anhand verschiedener zellulärer Modelle mit 4EBP-Defizienz untersucht und es wurde festgestellt, dass 4EBP1/2 den Zelltod als Reaktion auf Glukosemangel verhindern. Funktionelle in vitro Experimente zeigten, dass 4EBP1/2 unter solchen Bedingungen oxidativen Stress verhindern, indem sie die NADPH-konsumierende Fettsäuresynthese unterdrücken und so den Zellen das Überleben ermöglichen. Die molekulare Entschlüsselung der Mechanismen, die der Funktion von 4EBP1/2 zugrunde liegen, ergab, dass 4EBP1/2 selektiv die Translation von ACACA unterdrücken. ACACA kodiert für ACC1, welches das initiierende Enzym der Fettsäuresynthese ist. Bemerkenswerterweise zeigten in vivo Studien in Hefezellen, dass die Schutzfunktion von 4EBP1/2 unter Glukosemangel evolutionär konserviert ist. Da Krebs einen pathologischen Zustand des Glukosemangels darstellt, wurde zusätzlich die klinische Bedeutung und die Regulation von 4EBP1 in Neuroblastom, den häufigsten soliden Tumoren im Kindesalter, untersucht. Bioinformatische Analysen zeigten, dass EIF4EBP1 (das Gen, das 4EBP1 kodiert) in dieser Tumorentität überexprimiert ist und dass diese erhöhte Expression mit einer ungünstigeren Prognose assoziiert ist und somit zur molekularen Stratifizierung von Hochrisiko-Patienten beitragen kann. Dies wurde auch durch immunhistochemische Untersuchungen von 4EBP1 in Neuroblastom-Gewebeproben bestätigt, die zeigten, dass eine erhöhte 4EBP1-Proteinexpression signifikant mit histologischen Merkmalen von Hochrisiko-Neuroblastomen korreliert. Darüber hinaus konnte mit Hilfe von in vitro Genreporter-Assays gezeigt werden, dass der Promotor und die Transkriptionsrate von EIF4EBP1 durch das Onkoprotein MYCN kontrolliert wird, welches in aggressiven Neuroblastomen häufig amplifiziert und überexprimiert ist und einen bereits etablierten Marker für eine ungünstigere Prognose darstellt. Insgesamt zeigen die in dieser Dissertationsschrift zusammengefassten Arbeiten, dass 4EBPs evolutionär konservierte Regulatoren der metabolischen Reaktion auf Glukosemangel sind und Zellen schützen, indem sie selektiv die mRNA Translation regulieren. Darüber hinaus konnte eine erhöhte 4EBP1-Expression als neuer Pathomechanismus im Zusammenhang mit einem aggressivem klinischem Verhalten bei Neuroblastomen identifiziert werden, was darauf hindeutet, dass Krebszellen 4EBPs zur Anpassung an Nährstoffstress im Tumorgewebe nutzen können. Cells frequently encounter nutrient stress, such as glucose starvation, forcing them to reprogram their metabolism in order to survive. It is critical to define the factors mediating such an adaptive response. This thesis aimed at delineating the role of the translational repressors and mTOR substrates eukaryotic initiation factor 4E binding proteins (4EBP1/2) in the response to changes in glucose levels. Unlike the current model, stating that 4EBP1/2 are inactivated by mTOR when glucose is available, the own work uncovered that a fraction of 4EBP1/2 is active under basal conditions, and selectively regulate specific sets of transcripts. 4EBP1/2 function was investigated under glucose deprivation using various cellular models of 4EBP-deficiency, which uncovered that 4EBP1/2 are preventing cell death in response to glucose deprivation. Functional in vitro assays demonstrated that under such conditions 4EBP1/2 are preventing oxidative stress by repressing fatty acid synthesis, which normally consume NADPH, in turn allowing cells to survive. The molecular dissection of the mechanisms underlying 4EBP1/2 function revealed that 4EBP1/2 selectively repress the translation of ACACA, which encodes the rate-limiting enzyme of fatty acid synthesis. Remarkably, in vivo studies in budding yeast revealed that the protective function of 4EBP1/2 under glucose depletion is evolutionarily conserved. Since cancer is a pathological condition of glucose deprivation, the potential clinical relevance and the regulation of 4EBP1 in this disease was additionally investigated, with a focus on the neuroblastoma, the most common solid cancer type in pediatric patients. Bioinformatics analyses showed that EIF4EBP1, the gene coding for 4EBP1, is overexpressed in this tumor entity and this increased expression is linked to poor prognosis. Hence, 4EBP1 expression may serve to stratify patients with high- risk neuroblastoma. This was confirmed by immunohistochemistry of 4EBP1 in neuroblastoma tissue samples, which connected high 4EBP1 levels to aggressive tumor subtypes. Furthermore, in vitro gene reporter assays and manipulation of gene expression showed that EIF4EBP1 transcription is controlled by binding of the MYCN oncoprotein to the EIF4EBP1 promoter, thus linking 4EBP1 upregulation to MYCN gene amplification and overexpression, which is an established factor for poor prognosis in neuroblastoma. Taken together, the studies summarized in this thesis reveal that 4EBPs are evolutionary conserved mediators of the metabolic response to glucose starvation by selectively regulating mRNA translation. In addition, increased 4EBP1 expression could be implicated as a novel pathomechanism linked to aggressive clinical behavior in neuroblastoma, suggesting that cancer cells may hijack 4EBPs to adapt to nutrient stress.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	04.05.2022
Dateien geändert am:	04.05.2022
Promotionsantrag am:	22.12.2021
Datum der Promotion:	28.04.2022