Role of mitochondrial dysfunction in the acquisition of the "Warburg effect" : insights into cancer metabolism

Abstract

Para além dos seis “hallmarks” do cancro propostos por Hanahan & Weinberg em 2000 (Hanahan and Weinberg, 2000), um sétimo e o primeiro “hallmark” bioquímico a ser identificado tem sofrido destaque ao longo destes últimos 50 anos: o “efeito de Warburg”, também conhecido como glicólise aeróbia. Este fenómeno foi inicialmente descrito por Otto Warburg, que mostrou que um elevado consumo de glucose e secreção de lactato em células malignas, em comparação com células não-neoplásicas, na presença de oxigénio. Warburg sugeriu que a glicólise aeróbia seria irreversível e deviase a defeitos na respiração mitocondrial (Warburg, 1956). Esta propriedade das células cancerígenas tem sido explorada através da tomografia de emissão de positrões (PET) apesar de a relação causal com a progressão do cancro permanecer pouco clara. Vários modelos têm sido propostos, sendo que um deles sugere que mutações nos genes da cadeia fosforilativa (OXPHOS) originam uma disfunção mitocondrial e são responsáveis pela aquisição do “efeito de Warburg” (Frezza and Gottlieb, 2009). No entanto, esta última hipótese não tem sido avaliada consistentemente. O objectivo do nosso trabalho foi estabelecer modelos celulares de disfunção mitocondrial causada por mutações em genes de proteínas mitocondriais codificadas pelo DNA mitocondrial (mtDNA) ou pelo DNA nuclear (nDNA). Com vista a se atingirem estes objectivos, tirou-se partido da tecnologia dos cibridos (híbridos transmitocondriais), que permite uma análise de mutações no mtDNA face a um “background” nuclear comum (células de osteosarcoma 143B) (Swerdlow, 2007). Construiu-se uma linha celular de cibridos com uma mutação no gene do tRNALeu(UUR) do mtDNA. Procedeu-se ainda ao silenciamento da proteína mitocondrial succinatodesidrogenase subunidade B (SDHB) (codificada pelo nDNA) usando RNA de interferência num cibrido com mtDNA “wild-type”. Analisamos o fenótipo metabólico destas linhas celulares, medindo os fluxes de glucose, lactato, glutamato e glutamina através da membrana e a expressão de enzimaschave da via bioenergética. Concluímos que tanto o silenciamento da SDHB como a mutação no mtDNA altera o metabolismo celular, aumentando a glicólise. Para estudar a influência das mutações no mtDNA e o “efeito de Warburg” na tumorigenese, os cibridos com a mutação no mtDNA foram analisados em termos de marcadores associados à tumorigenese, como o crescimento celular, a morte celular e a capacidade de mobilidade e migração. Por fim, através da injecção em ratinhos “nude” dos cibridos “wild-type” e dos cibridos com o mtDNA mutado, foi observada a formação de tumores apenas nos ratinhos injectados com estes últimos cibridos; para além disso, alguns destes ratinhos apresentaram invasão e metástases, demonstrando claramente o potencial tumorigénico desta mutação específica in vivo. Apesar destes resultados serem por agora superficiais, eles mostram que a disfunção mitocondrial causada pela mutação no mtDNA ou o silenciamento da SDHB leva à alteração do metabolismo celular, que, no caso da mutação no mtDNA, está associada com um potencial tumorigénico aumentado. Estudos adicionais ajudarão à compreensão dos mecanismos por detrás deste fenómeno tão comum nas células do cancro.

In addition to the six hallmarks of cancer proposed by Hanahan & Weinberg in 2000 (Hanahan and Weinberg, 2000), a seventh, and the first biochemical hallmark to be identified, has been highlighted throughout the last 50 years: the “Warburg effect”, also known as aerobic glycolysis. This phenomenon was initially described by Otto Warburg who reported a high consume of glucose and release of lactate by malignant cells comparing to non-neoplastic cells in presence of oxygen. Warburg hypothesised that this aerobic glycolysis was irreversible and due to an impairment of mitochondrial respiration (Warburg, 1956). This property of cancer cells has been exploited through the use of positron emission tomography (PET) but its causal relationship with cancer progression remains unclear. Many models have been advanced and one proposes that mutations in oxidative phosphorylation (OXPHOS) genes lead to mitochondrial dysfunction, being responsible for the acquisition of the “Warburg effect” (Frezza and Gottlieb, 2009). However, the latter hypothesis has not been consistently evaluated. The aim of this work was to establish cellular models of mitochondrial dysfunction caused by mutations in the mitochondrial DNA (mtDNA) or in nuclear DNA (nDNA)- encoded mitochondrial proteins. We also wanted to demonstrate that these models present the “Warburg effect” and this is essential for the progression of tumorigenesis. To achieve our purposes, we made use of the cybrid (transmitochondrial hybrid) technology, a technique that allows the analysis of mtDNA mutations against a common nuclear background (143B osteosarcoma cells) (Swerdlow, 2007). We have constructed a cybrid cell line harbouring a mutation in the mtDNA gene for tRNALeu(UUR). We have also performed silencing of the mitochondrial succinate dehydrogenase subunit B(SDHB) protein (encoded by the nDNA) using RNA interference in a cybrid cell line with wild-type mtDNA. We analysed the metabolic phenotype of these cell lines, by assessing the fluxes of glucose, lactate, glutamate and glutamine across the plasma membrane and the expression of some key enzymes in bioenergetic pathway. We have concluded that both the SDHB silencing and the mtDNA mutation alters the cellular metabolism, increasing glycolysis. To assess the influence of the mtDNA mutation and the “Warburg effect” in tumourigenesis, cybrids with the mtDNA mutation were analyzed for markers associated to tumourigenesis such as cell growth, cell death, and motility and migration. Although mutant cybrids showed no differences in the population doubling time, they displayed more resistance to apoptosis and more motility and migration ability. Finally, by injecting both wild-type and mtDNA-mutated cybrids in nude mice, we saw tumours formation only in mice injected with mtDNA mutated cybrids; in addition some mice already displayed invasion and metastasis, clearly demonstrating the tumourigenic potential of this specific mutation in vivo. Although these results are yet superficial, they show that mitochondrial dysfunction caused either by mtDNA mutation or SDHB silencing, results in altered cellular metabolism, which, in the case of the mtDNA mutation is associated with an increased tumourigenic potential. Further studies will help to understand the mechanisms behind this so common phenomenon in tumour cells.