Die Identifizierung neuer Komponenten der Unfolded
Protein Response durch eine Multi-Omics Analyse und
die Rolle der eIF2-Phosphorylierung bei der
Resistenzbildung gegen Folat-basierte Antimetabolite

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Reich, Stefan

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License: Creative Commons Attribution 4.0 PDF (6MB)

Date of publication of this fulltext: 10 Nov 2020 08:08

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Details

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	9 November 2020
Referee:	PD Dr. Jan Medenbach
Date of exam:	9 October 2020
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie > Lehrstuhl für Biochemie I > Prof. Dr. Gunter Meister
Keywords:	Unfolded Protein Response, UPR, ER stress, chemoresistance, Gene regulation
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 500 Natural sciences & mathematics 500 Science > 570 Life sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	44095

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Abstract (German)

Stress im endoplasmatischen Retikulum führt zur Aktivierung einer Signalkaskade, um die Akkumulation von falsch- oder ungefalteten Proteinen zu bewältigen. Dieser Signalweg, genannt die ‚Unfolded Protein Response‘ (UPR), versucht die zelluläre Homöostase durch Anpassung der Transkription und Translation wieder herzustellen. Falls diese zelluläre Homöostase nicht erreicht werden kann, löst ...

Abstract (German)

Stress im endoplasmatischen Retikulum führt zur Aktivierung einer Signalkaskade, um die Akkumulation von falsch- oder ungefalteten Proteinen zu bewältigen. Dieser Signalweg, genannt die ‚Unfolded Protein Response‘ (UPR), versucht die zelluläre Homöostase durch Anpassung der Transkription und
Translation wieder herzustellen. Falls diese zelluläre Homöostase nicht erreicht werden kann, löst die
UPR die Apoptose der Zelle aus.
Die UPR rückte in den letzten Jahren aufgrund der Beteiligung an vielen verschiedenen Krankheiten wie Diabetes, die Alzheimer Erkrankung oder unterschiedlicher Arten von Krebs in den Fokus wissenschaftlicher Arbeiten. Viele Tumorarten wie Gliome, die durch eine schnelle Wachstumsrate, eine
erhöhte Proteinsynthese und Hypoxie hohe Spiegel an ER Stress aufweisen, nutzen die überlebensfördernden
Signale der UPR. Trotz anhaltendem Stress im ER führt die UPR in Tumoren nicht zur Apoptose.
Trotz großer klinischer Relevanz fehlen qualitative und quantitative Modelle der UPR in Krebszellen. Daher analysierten wir per Multi-Omics Ansatz die Veränderungen der Transkription und der Translation sowie auf Proteinebene nach Induktion der UPR in HEK293 und der Gliomzelllinie LN308. Durch stringentes Filtern unserer Daten konnten wir in LN308 eine Liste mit 267 durch die UPR induzierten
Genen zusammenfassen, das UPR Regulon. Sowohl bekannte Gene der drei Zweige der UPR als auch viele noch nicht zuvor mit ER Stress oder einer anderen Art von Stress in Verbindung gebrachte Gene konnten wir im UPR Regulon detektieren.
Die Validierung unserer Daten zeigten wir anhand von SLFN5, ein noch nicht mit Stress assoziiertes Protein. In Patienten mit Gliomen führt die Überexpression von SLFN5 zu einer erhöhten Malignität des Tumors. Wir konnten nachweisen, dass SLFN5 als Teil der UPR durch den PERK-eIF2α-ATF4-Signalweg auf transkriptioneller Ebene induziert wird.
Darüber hinaus detektierten wir auch die durch die UPR-vermittelte Induktion von Enzymen, die als Bestandteile nach der Glykolyse bei der Serinbiosynthese und des mitochondrialen 1C-Metabolismus fungieren. Der mitochondriale 1C-Metabolismus spielt bei der Nukleotidsynthese und des Aminosäurehaushalts
eine wichtige Rolle. Unsere experimentellen Daten weisen durch die Induktion dieser Signalwege auf eine Chemoresistenz gegen weitverbreitet verwendete Antifolate hin.
Damit konnten wir eine weitere Verbindung der UPR und deren überlebensfördernden Wirkung mit dem Wachstum von Tumoren aufzeigen.

Translation of the abstract (English)

Stress in the endoplasmic reticulum leads to the activation of a signaling pathway called the ‚Unfolded Protein Response‘ (UPR). After accumulation of unfolded or misfolded proteins the UPR tries to reinstate the cellular homeostasis via transcriptional and translational adaptation. On persisting stress, the UPR can also trigger apoptosis. In recent years, the UPR was shown to play important ...

Translation of the abstract (English)

Stress in the endoplasmic reticulum leads to the activation of a signaling pathway called the ‚Unfolded Protein Response‘ (UPR). After accumulation of unfolded or misfolded proteins the UPR tries to reinstate the cellular homeostasis via transcriptional and translational adaptation. On persisting stress, the UPR can also trigger apoptosis.
In recent years, the UPR was shown to play important roles in a variety of diseases including Diabetes, Alzheimer’s disease or different types of cancer. Many tumors, like glioma, display high levels of stress in the endoplasmic reticulum due to an increased growth rate, higher protein synthesis rate and a hypoxic environment. These cancer cells use the prosurvival signals of the UPR for tumor progression. The UPR also plays a key role in chemoresistance in different types of tumors.
Despite the broad clinical importance qualitative and quantitative models of the UPR in cancer are missing so far. Therefore we have employed a multi-omics approach to monitor changes in transcription, translation and on the proteome after induction of the UPR in HEK293 and the glioma cell line LN308. Stringent filtering revealed the induction of 267 genes, many of which have not previously been implicated in stress response pathways.
In our dataset, the UPR Regulon, we identified SLFN5 as a new component of the UPR. Overexpression of SLFN5 in patients with glioma leads to a higher malignancy of the tumor and a decreased survival time. We showed that the transcriptional regulation of SLFN5 by the UPR was driven by the PERK-eIF2α-ATF4 branch.
Besides SLFN5, we validated the UPR mediated induction of enzymes of the serine biosynthesis pathway and the mitochondrial one-carbon metabolism. These pathways play major roles in nucleotide and amino acid synthesis. Our experimental data revealed a resistence to the folate-based antimetabolites Methotrexate and Pemetrexed after induction of the UPR. With this, we established a direct link between UPR-driven changes to gene expression and resistance to pharmacological treatment.

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Metadata last modified: 25 Nov 2020 15:52

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