Mitochondriale RNA-Modifikationen: Ein entscheidender Faktor für die metabolische Plastizität während der Metastasierung von Krebszellen

Die Fähigkeit von Tumorzellen, sich auszubreiten und in normales Gewebe zu metastasieren, stellt eine gewaltige Herausforderung im Streben nach einer Heilung von Krebs dar. Metabolisches Reprogramming, oft exemplifiziert durch den Warburg-Effekt, steht im Mittelpunkt dieses Prozesses. Während normale Zellen überwiegend oxidative Phosphorylierung betreiben, wenn Sauerstoff verfügbar ist, und Glykolyse in dessen Abwesenheit, entscheiden sich Tumorzellen selbst bei Anwesenheit von Sauerstoff für die Glykolyse. Diese metabolische Präferenz schließt jedoch nicht die Existenz von oxidativer Phosphorylierung in Tumorzellen aus. Stattdessen zeigen Tumorzellen eine bemerkenswerte metabolische Plastizität, die es ihnen ermöglicht, sich an feindliche Umgebungen anzupassen, metabolische Stabilität aufrechtzuerhalten und letztendlich zu gedeihen, zu metastasieren und zu persistieren.

Mitochondrien dienen als zentrale Knotenpunkte für die Energieproduktion, die Synthese von Substanzen und die Signaltransduktion innerhalb von Zellen. Forschungen zeigen, dass das mitochondriale Genom 22 tRNAs kodiert, die für die 13 Untereinheiten des Atmungskettenkomplexes entscheidend sind. Diese tRNAs unterliegen über 90 Modifikationen, und jede Deletion oder Mutation der Enzyme, die für die tRNA-Modifikation verantwortlich sind, kann die Effizienz der Proteinsynthese und verschiedene zelluläre Prozesse stören, was zur Entwicklung zahlreicher Krankheiten führen kann.

Eine bahnbrechende Studie, die von Forschern des Deutschen Krebsforschungszentrums durchgeführt wurde, veröffentlicht in Naturhat die entscheidende Rolle von mitochondrialen RNA-Modifikationen bei der Gestaltung der metabolischen Plastizität während der Metastasierung beleuchtet. Diese Studie hebt hervor, dass RNA-spezifische Modifikationen spielen eine zentrale Rolle im metastatischen Prozess und bieten einen vielversprechenden Ansatz zur Begrenzung des metastatischen Potenzials von Tumoren. Bemerkenswerterweise treten die Modifikationen m5c und f5c an Stelle 34 des mitochondrialen Genoms tRNA, die Methionin codiert, als wichtige Regulatoren des mitochondrialen Stoffwechsels auf und liefern die notwendige Energie, um die metabolische Umprogrammierung voranzutreiben.

Cytosinmodifikation in mitochondrialem tRNA-Met

In ihrer Untersuchung begannen die Autoren ihre Erforschung der Methylierung und Formylierung von mitochondrialem tRNA mit der Nutzung von BS-Seq und fCAB-seq-Techniken. Ihre Ergebnisse zeigten, dass unter allen mitochondrialen tRNAs ausschließlich tRNA-Met die f5C-Modifikation trug. Um die f5C-Spiegel zu bestimmen, wurden die fCAB-seq-Daten von den BS-seq-Ergebnissen subtrahiert, und die Autoren berechneten diese Spiegel, indem sie die bisulfitgeschützten Cytosine von den ethylhydroxylamin-geschützten Stellen subtrahierten.

Um weiter zu vertiefen, verwendeten die Autoren zwei verschiedene kurze Haarpin-RNAs (shRNAs) in vier Proben von plattenepithelialem Mundhöhlenkarzinom (OSCC). Infolgedessen beobachteten sie einen bemerkenswerten Anstieg von etwa 8-fach in unmodifiziertem Cytosin an Position C34, als das Methyltransferase NSUN3 in diesen OSCC-Zelllinien depletion wurde. Bemerkenswerterweise wurde nach der Depletion von NSUN3 nur minimale f5C-Modifikation in mitochondrialem tRNA-Met nachgewiesen.

Nachweis von m5C und f5C in mitochondrialen tRNAs. (Delaunay et al., 2022)

m5C reguliert die mitochondriale Funktion

Die Ergebnisse der Studie zeigten einen erheblichen Rückgang der de novo-Proteinsynthese in NSUN3-depletierten Mitochondrien, wie durch Experimente zur Quantifizierung der Proteinsynthese belegt wurde. Folglich führte die Hypomethylierung von mitochondrialem tRNAMet zu einer Herabregulierung der Proteinspiegel mitochondrial kodierter Gene. Um zu bewerten, wie sich der mitochondriale Stoffwechsel an diese Reduktion der Proteinsynthese anpasst, führten die Autoren eine Massenspektrometrie-Analyse durch, um die Metaboliten des Zitronensäurezyklus (TCA) zu quantifizieren. Bei der Reduzierung der NSUN3-Expression beobachtete die Studie moderate Rückgänge bei den meisten TCA-Metaboliten, die die Auswirkungen der NSUN3-Depletion widerspiegelten. Darüber hinaus waren die TCA-Metabolitspiegel in Zellen ohne Methylierung niedriger. Folglich nahm die maximale Atmung ab, als tRNAMet minimal modifiziert war, und NSUN3-defiziente Krebszellen wiesen insgesamt eine höhere basale extrazelluläre Acidifizierungsrate (ECAR) auf.

Mitochondriales m5C steuert den Energiestoffwechsel in Tumorzellen. (Delaunay et al., 2022)

m5C-Modifikation in Mitochondrien fördert Tumorinvasion

Die Immunfärbung für mitochondriale Marker, insbesondere MtCO1 und MtCO2, zeigte ihre ausgeprägte Expression in der basalen CD44+ Zellpopulation. Diese CD44+ Zellen zeichnen sich durch eine geringe Differenzierung und ein erhöhtes proliferatives Potenzial aus und werden daher als metastatische Vorläuferzellen angesehen.

In einem Versuch, die Auswirkungen der Hemmung der mitochondrialen m5C-Bildung auf die Zellproliferation und Invasion zu erläutern, erzeugte das Forschungsteam 3D-Kulturen von oralen Plattenepithelkarzinom (OSCC)-Zellen. Bemerkenswerterweise blieben die Abmessungen der tumorähnlichen Zellcluster nahezu unverändert, nachdem NSUN3 zum Schweigen gebracht und somit die m5C-Modifikation gehemmt wurde, was darauf hindeutet, dass die Zellproliferation unbeeinflusst blieb.

Besonders interessant sind CD44 und CD36, die als Marker für metastasierende Initiatorzellen im menschlichen Mundkrebs dienen. Bemerkenswerterweise ist CD36 in der äußeren Mitochondrienmembran lokalisiert. Die anschließende Untersuchung erforschte die Koexpression von CD44 und CD36 und beleuchtete die Beziehung zwischen Initiatorzellen und mitochondrialer Funktion. Darüber hinaus beschäftigte sich die Forschung mit Lymphknotenmetastasen innerhalb einer Subpopulation von CD44.^HCD36^H Zellen. Bemerkenswerterweise führte die Stummschaltung von NSUN3 zu einer Verringerung der Häufigkeit von CD44.^HCD36^H Zellen.

Zusammenfassung

Die Autoren führten eine umfassende Bewertung der m5C-Spiegel durch, um Metastasen bei klinischen Patienten vorherzusagen. Sie verwendeten histochemische Färbung an 78 menschlichen Tumorproben, um die Korrelation zwischen der NSUN3-Proteinexpression und dem pathologischen Stadium des Primärtumors zu untersuchen.

Unter Verwendung von Daten von TCGA HNSCC-Patienten untersuchten die Autoren die differentielle Expression von Genen, die mit den NSUN3-Spiegeln assoziiert sind. Bemerkenswerterweise führte die unsupervised Clusteranalyse der Patienten zur Kategorisierung in vier distincte Gruppen, die einen progressiven Anstieg sowohl des Krebsstadiums als auch der Präsenz von Lymphknotenmetastasen bei der Diagnose mit höheren NSUN3-Spiegeln zeigten.

Zusammenfassend erweist sich die Charakterisierung von NSUN3-gesteuerten Genen als wertvoller Prädiktor für Lymphknotenmetastasen und fortgeschrittene pathologische Stadien bei HNSCC-Patienten.

Darüber hinaus reproduziert die Hemmung der mitochondrialen Translation die Effekte, die beobachtet werden, wenn die Funktion des NSUN3-Proteins stillgelegt wird. Diese Hemmung behindert nicht nur die Zellinvasion, sondern reduziert auch die Anzahl der CD36-abhängigen metastasierenden Tumorzellen sowohl in vitro als auch in vivo. Folglich, Zielgerichtetes M5C Die Bildung innerhalb der Mitochondrien erweist sich als vielversprechender therapeutischer Ansatz, um die Ausbreitung von Tumorzellen vom primären Tumorstandort zu stoppen.

Referenz:

1. Delaunay, Sylvain, et al. "Mitochondriale RNA-Modifikationen formen die metabolische Plastizität in der Metastase." Natur 607.7919 (2022): 593-603.