Effect of short-term Cr(VI) exposure on energy metabolisn in human lung epithelial cells

Abstract

Most of the tumors have a particular energy metabolism strongly relying on glycolysis to fulfil their energetic and biosynthetic demands. This observation was first described by Otto Warburg in the 1920s, who reported that the metabolic switch from cellular respiration to glycolysis takes place even in the presence of oxygen and may be an important event in tumorigenesis. Nowadays, this particular phenotype known as the Warburg phenotype is considered a hallmark of cancer cells. Chromium (Cr) has been used with industrial and commercial purposes, leading to an environmental and occupational exposure for many humans. The adverse health effects related to Cr-exposure have been identified all over the years and hexavalent chromium [Cr(VI)] is classified as a carcinogenic agent to humans, predisposing for lung cancer. However, in spite of extensive studies, the mechanisms underlying Cr(VI)-induced carcinogenesis remain essentially unknown. In particular, very little is known about the metabolic reprogramming that may be induced by Cr(VI) exposure. To further investigate if the metabolic switch is operating in Cr(VI)-induced carcinogenesis, BEAS-2B cells were exposed to a single and sub-cytotoxic insult of Cr(VI) and its effects in the rates of glycolysis and oxygen consumption, ATP production and in expression levels of the glycolytic marker GAPDH and of mitochondrial activity, the catalytic subunit βF1 from the H+-ATP synthase were determined. Additionally, we assessed the effects of Cr(VI) exposure in the production of reactive oxygen species (ROS) and carbonylation of proteins. A single exposure to Cr(VI), using a concentration that does not alter the clonogenic potential of cells, decreases the oxygen consumption. This change is paralleled by an increase in the glycolytic flux (higher levels of lactate production). Moreover, Cr(VI)-treated cells display higher levels of the glycolytic marker GAPDH which are correlated with a lower bioenergetic signature (βF1/GAPDH ratio), a metabolic parameter previously found to be altered in many types of carcinomas. No alterations in the production of ATP are observed after a single exposure to Cr(VI). A short-term exposure to Cr(VI) does not induce the production of ROS nor the carbonylation of proteins. We have demonstrated that human bronchial epithelial cells treated with a single and sub-cytotoxic concentration of Cr(VI) experience a reprogramming of cellular metabolism. This work contributes to our understanding of the metabolic and functional changes underlying Cr(VI)-induced lung carcinogenesis.

A maioria dos tumores apresenta um metabolismo energético glicolítico de modo a obter energia e os requisitos biossintéticos que necessita. Este fénotipo foi inicialmente observado por Otto Warburg nos anos 20, que constatou que esta alteração metabólica da respiração celular para a glicólise ocorre mesmo na presença de quantidades normais de oxigénio, sugerindo que este pode ser um evento importante no processo tumorigénico. Actualmente, este fénotipo particular, conhecido como fenótipo de Warburg, é considerado uma característica basilar das células cancerígenas. O Crómio (Cr) é amplamente utilizado com fins industriais e comerciais, levando a que muitos humanos sejam expostos a este metal. Os efeitos ao nível da saúde relacionados com a exposição a Cr à muito que foram identificados, sendo o crómio hexavalente [Cr(VI)] classificado como um agente carcinogénico para humanos, predispondo para o aparecimento de cancro do pulmão. Apesar do número extensivo de estudos, os mecanismos celulares e moleculares relacionados com a expoisção a Cr(VI) ainda nao estão totalmente desvendados. Em particular, pouco é sabido sobre a reprogramação metabólica que poderá ocorrer. De modo a investigar se alterações metabólicas ocorrem durante a carcinogénese induzida por Cr(VI), células BEAS-2B foram expostas a um único insulto sub-citotóxico de Cr(VI) e os seus efeitos ao nível do fluxo glicolítico, produção de ATP e níveis de expressão dos marcadores de glicólise, GAPDH, e de actividade mitocondrial, subunidade catalítica βF1 da H+-ATP sintase, foram determinados. Adicionalmente, testámos os efeitos da exposição a Cr(VI) na produção de espécies reactivas de oxigénio e na carbonilação de proteínas celulares. Uma exposição única a Cr(VI), usando uma concentração que não afecta o potencial clonogénico das células, leva a uma diminuição do consumo de oxigénio. Esta alteração ocorre paralelamente com o aumento do fluxo glicolítico (maiores níveis de produção de lactato). Além disso, células tratadas com Cr(VI) têm um maior nível de expressão do marcador glicolítico, o que se correlaciona com uma menor assinatura bioenergética (razão βF1/GAPDH). Não são observadas alterações na produção de ATP após tratamento único com Cr(VI). Um único insulto de Cr(VI) não induz a produção de espécies reactivas de oxigénio nem a produção de proteinas celulares carboniladas. Com este trabalho demonstrámos que células epiteliais humanas de pulmão expostas a um único tratamento sub-citotóxico com Cr(VI), sofrem uma reprogramação do seu metabolismo energético, o que contribui para o nosso conhecimento das alterações metabólicas e funcionais que ocorrem no desenvolvimento de cancro de pulmão.