Life without Phd? – Phd Oxygen Sensor Proteins in Hypoxic Carcinoma Cell Survival

Abstract

The microenvironment within the tumor plays a central role in cellular signaling. Rapidly proliferating cancer cells need building blocks for structures as well as nutrients and oxygen for energy production. In normal tissue, the vasculature effectively transports oxygen, nutrient and waste products, and maintains physiological pH. Within a tumor however, the vasculature is rarely sufficient for the needs of tumor cells. This causes the tumor to suffer from lack of oxygen (hypoxia) and nutrients as well as acidification, as the glycolytic end product lactate is accumulated.

Cancer cells harbor mutations enabling survival in the rough microenvironment. One of the best characterized mutations is the inactivation of the von Hippel-Lindau protein (pVHL) in clear cell renal cell carcinoma (ccRCC). Inactivation causes constitutive activation of hypoxia-inducible factor HIF which is an important survival factor regulating glycolysis, neovascularization and apoptosis. HIFs are normally regulated by HIF prolyl hydroxylases (PHDs), which in the presence of oxygen target HIF α-subunit to ubiquitination by pVHL and degradation by proteasomes.

In my thesis work, I studied the role of PHDs in the survival of carcinoma cells in hypoxia. My work revealed an essential role of PHD1 and PHD3 in cell cycle regulation through two cyclin-dependent kinase inhibitors (CKIs) p21 and p27. Depletion of PHD1 or PHD3 caused a cell cycle arrest and subjected the carcinoma cells to stress and impaired the survival.

Phd happisensoriproteiinit syöpäsolujen selviytymistekijänä hypoksiassa

Syöpäkasvaimen mikroympäristöllä on keskeinen rooli solujen välisessä viestinnässä. Syöpäsolujen nopea jakaantuminen vaatii onnistuakseen rakennusmateriaalia uusien solujen rakenteiden tuottamiseen kuin myös ravinteita ja happea energiantuottoon. Normaalissa kudoksessa verisuonisto toimii tehokkaana hapen, ravinteiden ja kuona-aineiden kuljetusverkostona, ja ylläpitää kudosten fysiologista pH:ta. Syöpäkasvaimissa verisuonisto on usein riittämätön niin määrältään kuin laadultaan, jotta se toimisi normaalisti. Tämä aiheuttaa kasvaimeen vähähappisia alueita (hypoksia) ja rajoittaa solujen ravinteiden saantia, jotka edelleen edesauttavat kasvaimen happamoitumista.

Syöpäsoluihin kertyy niiden selviytymistä edesauttavia mutaatioita, jotka mahdollistavat niiden hengissäpysymisen kasvaimen lähes vihamielisissä olosuhteissa. Tällainen on mm. von Hippel-Lindau proteiinin (pVHL) inaktivoituminen munuaissyövässä. Inaktivoitumisen seurauksena hypoksia-indusoitu tekijä HIF on konstitutiivisesti aktiivinen, mikä helpottaa solujen sopeutumista mikroympäristöön energia-aineenvaihdunnan, verisuonten uudelleenmuodostumisen ja solukuoleman säätelyn muuttuessa. HIF:n aktiivisuutta säätelevät normaalisti HIF prolyylihydroksylaasit (PHDt), jotka hydroksyloivat hapen läsnäollessa HIF:n α-alayksikön ja ohjaavat sen hajotukseen pVHL:n ja proteasomien kautta.

Työssäni tutkin PHD entsyymien roolia solujen selviytymisessä ja hypoksia-välitteisessä soluviestinnässä. Tutkimuksissa selvisi, että PHD1 ja PHD3 säätelevät solusyklin eri vaiheita solusykli-inhibiittorien p21 ja p27 kautta etenkin hypoksiassa. Niiden ilmentymisen estäminen aiheutti syöpäsolujen solusyklin pysähtymisen ja heikensi niiden elinmahdollisuuksia.