Dokument: Characterization of the autophagy-modulating natural compound prodigiosin for the elimination of therapy-resistant tumor cells

Titel:	Characterization of the autophagy-modulating natural compound prodigiosin for the elimination of therapy-resistant tumor cells
Weiterer Titel:	Charakterisierung des Autophagie-modulierenden Naturstoffs Prodigiosin zur Eliminierung von therapieresistenten Tumorzellen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=64554
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20240109-105031-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Berning, Lena [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 20,63 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 04.01.2024 / geändert 04.01.2024
Beitragende:	PD Dr. rer. nat. Stork, Björn [Gutachter] Prof. Dr. Pietruszka, Jörg [Gutachter]
Dokumententyp (erweitert):	Dissertation
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Autophagy is an evolutionary conserved intracellular recycling system for the degradation of unneeded or harmful cargo like long-lived or damaged proteins and organelles, pathogens and xenobiotics. During autophagy, the cargo is engulfed by double-membraned autophagosomes and transported to the lysosomes for degradation into new energy sources and building blocks. Alterations of the autophagic process are associated with the development and promotion of various diseases such as cancer. Upregulated autophagy has been linked to chemotherapy resistance, cancer cell survival in nutrientdeficient environments and tumor metastasis and thus represents a promising target for cancer therapy. Nature provides researchers with an almost inexhaustible pool of highly bioactive small molecules. Therefore, we aimed to find and characterize natural compounds as potent lead structures for anti-cancer drug discovery to overcome chemotherapy resistance. Our main focus hereby lay on the characterization of the bacterial secondary metabolite prodigiosin. A major challenge in the treatment of bladder cancer is the development of cisplatin resistance, which has been associated with upregulated autophagy. We observed that prodigiosin acts as a potent inhibitor of autophagy and can overcome chemotherapy resistance by resensitizing bladder cancer cells to apoptotic cell death. Prodigiosin sensitized both cisplatin-sensitive and -resistant urothelial carcinoma cell lines to cisplatin treatment with synergistic effects. Therefore, we propose prodigiosin as a potent lead structure for the therapy of cisplatin-sensitive and -resistant urothelial carcinomas, either as a single agent or in combinatory therapeutic approaches. During the drug discovery phase lead compounds are chemically derivatized to perform structureactivity relationship studies to optimize their potency, selectivity and pharmacokinetic properties. By utilizing a systematic cell viability screening, we have provided evidence that A-ring substituted prodiginines with electron-donating methyl substituents are superior in their cytotoxicity against cisplatin-resistant urothelial carcinoma cells compared to the parental compound prodigiosin. Understanding the mode of action by unveiling preferably all molecular targets of a drug candidate is crucial for structure optimization and for the assessment and prevention of potential side effects. We have provided evidence that the Golgi protein GRASP55 is a molecular target of prodigiosin by using mass spectrometry-based thermal proteome profiling. We observed that prodigiosin treatment severely affects Golgi apparatus morphology and functionality and that autophagosomes accumulate at GRASP55-positive structures, pointing towards the involvement of an altered Golgi function in the autophagy-inhibitory effect of this natural compound. Therefore, we propose that prodigiosin affects autophagy and Golgi apparatus integrity in an interlinked mode of action involving the regulation of organelle alkalization and the Golgi stacking protein GRASP55. Autophagie ist ein evolutionär konservierter intrazellulärer Recyclingprozess für den Abbau von langlebigen oder beschädigten Proteinen und Organellen, Krankheitserregern und Xenobiotika. Während der Autophagie werden die abzubauenden Zellbestandteile von Autophagosomen isoliert und zum Lysosom transportiert, wo sie zu neuen Makronährstoffen abgebaut werden. Veränderungen in der Autophagie werden mit der Entstehung verschiedener Krankheiten, wie z. B. Krebs, in Verbindung gebracht. Die Induktion von autophagischen Prozessen wurde mit Chemotherapieresistenz, dem Überleben von Krebszellen in nährstoffarmen Umgebungen und der Metastasierung von Tumoren assoziiert und stellt somit ein vielversprechendes Ziel für die Krebstherapie dar. Die Natur bietet Forschern ein nahezu unerschöpfliches Angebot an hoch bioaktiven Verbindungen. Daher haben wir uns zum Ziel gesetzt, Naturstoffe als potente Leitstrukturen für die Entwicklung von Krebsmedikamenten zur Überwindung von Chemotherapieresistenz zu finden und zu charakterisieren. Dabei lag unser Fokus auf der Charakterisierung des bakteriellen Sekundärmetaboliten Prodigiosin. Eine Herausforderung bei der Behandlung von Blasenkrebs ist die Entwicklung von Cisplatinresistenzen, welche unter anderem mit einer hochregulierten Autophagie in Verbindung gebracht werden. Wir konnten beobachten, dass Prodigiosin als potenter Inhibitor der Autophagie Urothelkarzinomzellen für den Cisplatin-induzierten apoptotischen Zelltod resensibilisieren kann. Dabei zeigte Prodigiosin sowohl in Cisplatin-sensitiven als auch in Cisplatin-resistenten Zellen synergistische Effekte mit Cisplatin. Aus diesem Grund schlagen wir Prodigiosin als vielversprechende Leitstruktur für die Mono- oder Kombinationstherapie von Cisplatin-sensitiven und -resistenten Urothelkarzinomen vor. Im Zuge der Arzneimittelforschung werden Leitstrukturen derivatisiert, um so mit ihnen Studien zur Struktur-Aktivitäts-Beziehung durchzuführen und ihre Potenz, Selektivität und pharmakokinetischen Eigenschaften zu optimieren. Mit Hilfe eines systematischen Zellviabilitätsscreenings konnten wir nachweisen, dass A-Ring-substituierte Prodiginine mit Methylsubstituenten im Vergleich zu Prodigiosin eine höhere Zytotoxizität gegen Cisplatin-resistente Urothelkarzinomzellen aufweisen. Für die Strukturoptimierung eines Arzneimittelkandidaten ist es entscheidend, seinen molekularen Wirkmechanismus aufzuklären. Durch ein Massenspektrometrie-basiertes Verfahren konnten wir zeigen, dass Prodigiosin an das Golgi-Protein GRASP55 bindet. Wir haben beobachtet, dass die Behandlung mit Prodigiosin die Morphologie und Funktionalität des Golgi-Apparates stark beeinträchtigt und dass sich Autophagosomen an GRASP55-positiven Strukturen ansammeln, was auf eine veränderte Golgi-Funktion als Teil der Autophagie-hemmenden Wirkung dieses Naturstoffs hindeutet. Daher gehen wir davon aus, dass Prodigiosin die Autophagie und die Integrität des Golgi-Apparats in einem miteinander verknüpften Wirkmechanismus beeinflusst, der die pH-Veränderung saurer zellulärer Organellen und die Bindung an das Golgi-Strukturprotein GRASP55 beinhaltet.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	09.01.2024
Dateien geändert am:	09.01.2024
Promotionsantrag am:	30.08.2023
Datum der Promotion:	04.12.2023