METABOLISMO DE UM CARBONO NO CÂNCER - artigo

Prévia do material em texto

METABOLISMO DE UM CARBONO NO CÂNCER
Alice C Newman1 e Oliver DK Maddocks*, 1
1Wolfson Wohl Cancer Research Center, Instituto de Ciências Câncer, da Universidade de Glasgow, Garscube Estate, Glasgow G61 1QH, UK
Células necessitam de unidades de um carbono (one-carbon units) para síntese de nucleótidos, a metilação e o metabolismo redutivo, e estas vias apoiam a elevada taxa proliferativa das células cancerosas. Assim, os antifolatos, drogas que têm como alvo o metabolismo de um carbono (one carbon metabolism), têm sido muito utilizados no tratamento de câncer. Aminoácidos, tais como serina são uma fonte importante de um carbono (one-carbon), e as células cancerosas são particularmente suscetíveis à falta de unidades de um carbono (one-carbon units) por restrição de serina ou inibição da “de novo” síntese de serina. Estudos recentes também começaram a decifrar os caminhos específicos e compartimentos celulares que são importantes para o metabolismo de um carbono em células cancerosas. Nesta revisão, nós resumimos a compreensão histórica do metabolismo de um carbono em câncer, descrevendo os últimos resultados encontrados sobre a geração e uso de unidades de um carbon (one-carbon units) em possíveis terapias fulturas e em explorar a dependência de células cancerígenas no metabolismo de um carbono (one-carbon metabolism).
“De novo” síntese – (De novo synthesis): refere-se à síntese de moléculas complexas a partir de moléculas simples, como açúcares ou aminoácidos, sendo reaproveitado após a degradação parcial. Por exemplo, não são necessários alguns tipos de nucleótidos na dieta, uma vez que podem ser construídos a partir de pequenas moléculas precursoras, tais como formato e aspartato. A metionina, por outro lado, é necessária na dieta porque, embora possa ser degradada e depois regenerada a partir da homocisteína, ela não pode ser “de novo” sintetizada.
INTRODUÇÂO E PERPECTIVA HISTÓRICA
As células cancerosas adaptam o seu metabolismo, a fim de apoiar a melhoria da proliferação e da sobrevivência. A evidência inicial para esta observação pode ser atribuída ao Otto Warburg que no final de 1920 relatou aumento da glicólise aeróbica nas células cancerosas, o 'efeito Warburg'. Muitas hipóteses como para as causas exatas/vantagens metabólicas atribuídas por glicólise aeróbica foram demonstradas: Defeitos nas mitocôndrias/OXPHOS, aumento da rotatividade da produção e utilização do ATP (ATP turnover), o aumento da utilização de intermediários glicolíticos como precursores anabólicos, evitar a produção de ROS e reservas espaciais e energéticas; todos esses indicadores contribuíram. Embora o direcionamento específico desta via por agentes quimioterápicos permaneça indefinida, o aumento da absorção de glicose por tumores tem sido explorado para fins de imagenologia por meio de Tomografia por emissão de positrões.(Hanahan e Weinberg, 2000). No entanto, o interesse neste assunto tem crescido drasticamente, culminando com a inclusão da reprogramação energética metabólica em 2011 que atualizou os marcadores genéticos do câncer(Hanahan e Weinberg, 2011).
Apesar da importância e função do metabolismo de um carbono no câncer ter ganho um grande interesse nos últimos anos (Locasale, 2013; Ducker e Rabinowitz, 2017; Mattaini et al, 2016; Yang e Vousden, 2016), o envolvimento desta via metabólica em câncer está muito estabelecida. O metabolismo de um carbono engloba ambos os ciclos de folato e de metionina e permite que as células para gerar unidades de um carbono (também referidos como grupos metila), que são utilizados para a biossíntese de importantes precursores anabólicos e para reações de metilação. Tetra-hidrofolato (THF) é sintetizado a partir do ácido fólico proveniente da dieta e funciona como um receptor universal de um carbono. THF aceita unidades de um carbono derivados de aminoácidos, tais como glicina, serina e a resultante 'metilado-THF' que existe em várias formas mutáveis ​​com diferentes graus de estrutura química. Estes incluem formil-THF, metil-THF e de metileno-THF, que, respectivamente, doam suas unidades de um carbono para a síntese de purinas, a via de reciclagem metionina (via de metilação da homocisteína) e síntese do timidilato(Figura 1) (Tibbetts e Appling, 2010).
A importância do metabolismo de um carbono no câncer foi reconhecido inicialmente a mais de 60 anos atrás. Em 1948, Sydney Farber observou que a deficiência de ácido fólico na dieta em crianças com leucemia aguda reduziu seu número de células leucêmicas. Um direcionamento específico do metabolismo do folato nestes pacientes com a antagonista do ácido fólico, o aminopterina, de fato produzia uma resposta temporária(Farber e Diamond, 1948). Estas descobertas conduziram ao desenvolvimento da classe de fármacos conhecidos como antifolatos, o mais conhecido sendo o metotrexato, o qual continua a ser utilizado como um tratamento para muitos tipos de câncer. O avanço da intuição sobre o conhecimento do mecanismo de atuaçao dos antifolatos foi fornecida em 1958, quando foi relatado que estes fármacos se ligam e inibem a di-hidrofolato redutase (DHFR), a enzima responsável pela produção de THF a partir de folato. Por conseguinte, antifolatos evitam a formação de THF e, portanto, bloqueam o metabolismo de um carbono(Osborn et ai, 1958). No entanto, estes medicamentos têm muitos efeitos laterais deletérios, devido à importância de THF em tecidos saudáveis. Pesquisas recentes em metabolismo do câncer está começando a fornecer uma visão mais mecanicista para o funções e o funcionamento destas vias especificamente no contexto do cêncer. Nesta revisão, iremos descrever as vias metabólicas através do qual as células cancerosas obtém unidades de um carbono e as formas em que estes são utilizados para apoiar a proliferação de células cancerígenas.
Figura 1. Uma visão geral do metabolismo de um carbono e os estabelecidos / futuras terapias que visam esta via. Vias metabólicas de um carbono com quimioterápicos estabelecidos em destaque na cor verde e para possíveis futuras intervenções destacadas em vermelho. Linhas vermelhas sólidas indicam intervenções que estão atualmente em desenvolvimento. As linhas tracejadas indicam possíveis alvos que podem estar sujeitos a uma investigação mais aprofundada. Enzimas que regulam estas vias estão circulados. Serina pode ser obtida da dieta, ou sintetizados de novo a partir do intermediário glicolítico, 3-PG pelo SSP, dos quais PHGDH é uma enzima chave. Folato proveniente da dieta é convertido por DHFR primeiro a DHF e, em seguida, a THF, uma unidade aceitadora de um carbono. Serina é catabolizado para glicina por SHMT1 / 2, o que produz uma unidade de um carbono (C1), que é aceito por THF para formar metileno-THF. Metileno-THF pode então ser convertido em formil-THF através do intermediário metenil-THF por acção de MTHFD1 / 2 / 1L. Formil-THF doa sua unidade de um carbono para a síntese de purinas. Metileno-THF pode também doar a sua unidade de um carbono para síntese de timidilato ou ser convertido por MTHFR para metil-THF, que fornece unidades de um carbono para ser convertida em metionina.
VIAS METABÓLICAS DE UM CARBONO
Há vários caminhos através dos quais as células geram unidades de um carbono. Isto inclui o metabolismo de serina para glicina, o sistema de clivagem da glicina (ECG) bem como o metabolismo de colina e outros aminoácidos. Uma evidência recente sugere que as células cancerosas podem alterar ou tornar-se mais confiante sobre estas vias, a fim de manter o fornecimento de um carbono para proliferação. Serina pode ser convertido em glicina pelo metiltrasferases SHMT1 (cytoplas-mic) e SHMT2 (mitocondrial). Durante esta reação, a unidade de um carbono que é clivado a partir de serina é transferido para THF, gerando metileno-THF(Tibbetts e Appling, 2010). Esta reação também pode ser executada na direcção oposta, produzindo serina de glicina no custo de unidades de um carbono(Labuschagne et ai, 2014; Ducker et ai, 2016). Serina é um aminoácido não essencial e, como tal,pode ser originado por meio da via intracelular de novo síntese de serina (SSP) que faz serinas a partir do intermediário glicolítico, 3-fosfoglicerato (3-PG). Serina pode modular a disponibilidade de 3-PG para o SSP, uma vez que é um ativador da enzima glicolítica, PKM2. Durante falta/jejum de serina, a atividade de PKM2 é diminuída levando a um aumento em 3-PG para fornecer o SSP(Chaneton et al, 2012). No entanto, as células podem facilmente absorver serina extracelular, e as células de cancro frequentemente aumentam o seu fornecimento de serina por absorção. Geração de serina por meio de processos do lisossoma, o que pode quebrar as proteínas da célula intrínseca (por exemplo, autofagia;Galluzzi et al, 2015) ou fontes extrínsecos (por exemplo, macropinocitose; Commisso et al, 2013; Kamphorst et ai, 2015), Também têm o potencial de contribuir serina intracelular, embora a importância relativa para estas vias no metabolismo serina específico para o câncer permanece inexplorado.
 O interesse no papel da síntese de novo de serina no câncer foi iniciado tão cedo como 1955, quando se verificou que os tumores poderiam gerar serina a partir de glicose extracelular (Kit, 1955). Além disso investigação na década de 1980 identificou atividade regulada positivamente de enzimas do SSP, bem como SHMT, em células cancerosas(Snell, 1985; Snell e Weber, 1986). A incorporação de uma unidade de um carbono de serina marcado radioactivamente foi encontrado em nucleótidos, uma saída conhecido para unidades de um carbono, sugerindo um papel para a serina nesta via(Snell et al, 1987). Na verdade, os estudos mais recentes demonstraram que as células cancerosas requerem SHMT (particularmente SHMT2) para a proliferação e a tumorigenicidade ideal, indicando a importância do catabolismo de serina no cêncer(Jain et al, 2012; Ye et al, 2014). Além disso, a regulação positiva de genes SSP ocorre em vários tipos de câncer, incluindo câncer da mama e melanoma(Locasale et al, 2011;Pollari et al, 2011; Possemato et al, 2011). A inibição do SSP por pequenas moléculas inibidoras ou RNAi focam genes SSP, reduzindo o crescimento de tumores xenográficos(Possemato et al, 2011; Pacold et ai, 2016). Serina extracelular também tem um papel importante no apoio a proliferação de células cancerosas através do fornecimento de unidades de um carbono. As células cancerosas, que não apresentam genes de regulação positiva SSP, dependem de serina extracelular para sobreviver(Possemato et al, 2011; Maddocks et ai, 2013; DeNicola et al, 2015). A falta/jejum de serina reduz a proliferação de células cancerosas e do crescimento xenográfico, privando-os de unidades de um carbono necessários para sustentar o anabolismo(Maddocks et ai, 2013; Labuschagne et al, 2014; Maddocks et ai, 2016). Existe, portanto, uma clara evidência de que as células cancerosas necessitam de unidades de um carbono provenientes de serina para um bom crescimento, alguns se embasam isso, usando serina exógeno; enquanto outros aumentam a síntese de novo de serina por meio de regulação positiva dos genes SSP. 
Além da produção de unidades de um carbono a partir da conversão de serina para glicina, a glicina por conta própria também é uma fonte potencial de unidades de um carbono por meio da GCS. Este processo está localizada a mitocôndria e funciona para catabolisar glicina oxidativamente(Kikuchi et al, 2008). No que diz respeito ao metabolismo de um carbono, GCS cliva um grupo metileno de glicina, que é aceito por THF para produzir metileno-THF para utilização em reações jusantes que requerem unidades de um carbono. Esta via também regenera NADH a partir de NAD+ e resulta na liberação de CO2 e amônia (Kikuchi et al, 2008). Como uma fonte de unidades de um carbono, tem sido sugerido que a glicina, e, assim, o GCS, promovem células cancerosas
PÁGINA 3
tratamento com 5-FU de células de câncer colorretal (Ser et al, 2016). O sucesso de 5-FU na inibição da proliferação de células cancerosas, bloqueando Tyms demonstra que as unidades de um carbono, que também requerem Tyms, são críticos.
Caminhos de metilação. Tumores muitas vezes exibem padrões alterados de metilação do DNA. Metilação de DNA regula a expressão de genes e de particular interesse no câncer, hipermetilação dos promotores de genes supressores de tumores podem reduzir a sua expressão(E Kulis Esteller, 2010). RNA também é submetido a metilação que pode regular a tradução(Fu et al, 2014). Proteínas, por conta própria, podem ser modificado pós-tradução, por metilação, o que pode alterar a sua função e a interação entre elas. S-adenosilmetionina (SAM) é um doador de metilo universal e é gerado pela adição de adenosina a partir de ATP em metionina(Figura 2). Após a transferência do seu grupo metilo para um aceptor, tal como o DNA, SAM torna-se S-adenosil, que é convertido em homo-cisteína. A homocisteína pode ser reutilizada e volta para metionina pela contribuição de um grupo metilo a partir de metil-THF(Figura 2). Embora a função primária de serina no apoio ao ciclo de metionina foi pensado para ser pelo fornecimento de um-carbonos para reciclagem de metionina, a atividade dessa via em células cancerosas, foi descoberto que deve ser baixa(Shlomi et al, 2014; Mehrmohamadi et ai 2014; Maddocks et ai, 2016). Trabalhos recentes mostram que a serina e glicina podem suportar o metabolismo do ciclo de metionina por um mecanismo alternativo, que de “de novo” de ATP síntese. Conversão de metionina em SAM requer ATP originado da adenosina, e a serina ajuda a fornecer esta adenosina através do fornecimento de precursores para a síntese de purinas “de novo”, o que produz novas moléculas de ATP. (Isto é, o ATP criado por síntese de novo, em vez de volume de ATP enérgico). Assim, serina de restrição resulta na diminuição do transporte de unidades de metilo de DNA e RNA em células cancerosas, diminuindo a síntese “de nono” de ATP(Maddocks et ai, 2016).
Um trabalho recente destacou o crosstalk entre o metabolismo e o epigenoma. Metabólitos tais como actil-CoA, AMP e SAM são necessários para a acetilação da histona, fosforilação e metilação do DNA e histonas, respectivamente. As vias metabólicas e enzimas que fornecem estes compostos principais são, por conseguinte, fundamentais para a manutenção e de adaptação do epigenoma. Com efeito, a redução de metionina na dieta diminui os níveis de SAM, que conduz a diminuição da metilação da histona com efeitos significativos sobre a expressão do gene(Mentch et al, 2015). A contribuição específica do metabolism de um carbon dependente da metilação de DNA em cânceres pancreáticos foi recentemente explorado. Perda da cinase de serina/treonina, LKB1, promove a tumorigênese em gene mutantes KRAS em câncer pancreático, e neste contexto, perda de LKB1 promove o aumento da expressão de enzimas de SSP, levando ao aumento da síntese de novo de serina. Serina obtido através desta via contribui com unidades de um carbono que suportam a síntese de SAM, quer através da produção de ATP ou de reciclagem de metionina. Em concordância com isto, a metilação global do DNA foi aumentada em células LKB1-deletadas e KRAS-mutante, bem como os níveis de vários DNA5 metiltransferases em que SAM é um co-fator fundamental. Esta metilação de DNA dependente de serina, pela a perda de LKB1 em células mutantes KRAS, contribui para o crescimento do tumor, presumivelmente através de alterações na expressão de genes (Kottakis et al, 2016). As alterações da metilação do DNA são conhecidas por serem importante no câncer, as implicações epigenética do metabolism de um carbono na inibição do células cancerosas é um tema importante para mais investigação.
 Produção de NADH/NADPH: NADH e NADPH são co-factores importantes que fornecem eletrons para reações redox. Estas moléculas podem ser produzidos pelo metabolismo de um carbono e são fundamentais para metabolização múltipla e vias biossintéticas.
unidades de um carbono derivado de formato são aceitos por THF para produzir formil-THF. Esta é uma reaçãodependente de ATP que é catalisada, na mitocôndria, por MTHFD1L. Alternativamente, as unidades de um carbono derivado de serina formam metileno-THF. Formil-THF e metileno-THF doam as suas unidades de um carbono especificamente para a síntese de purina ou para a síntese de timidilato, respectivamente. Durante o anabolismo, a enzima MTHFD permite a conversão de metileno-THF para formil-THF para utilização na biossíntese de purinas. NADP+é utilizado como um co-fator nessa reação e esta é reduzida a NADPH. As formas mitocondriais desta enzima, MTHFD2 e MTHFD2L, podem usar NAD+ ou NADP+ como um co-fator, enquanto que a forma citosólica, MTHFD1, utiliza especificamente NAD+. Durante o catabolismo, a reacção MTHFD2 é executado a uma taxa muito mais elevada do que as exigências de unidades de um carbono para a síntese de purinas. Isto permite que as células aumentem a produção de NADH, a qual é submetida a fosforilação oxidativa mitocondrial para a rotatividade de ATP (Ducker et al, 2016; Meiser et al, 2016).
MTHFD2 / MTHFD2L mitocondrial também pode usar NADP+ como um co-fator para converter derivados de serina de metileno-THF para formil-THF, isso resulta na produção concomitante de NADPH (Lewis et al, 2014). NADPH mitochondrial pode também ser gerado pela oxidação de formil-THF para CO2e THF pela enzima ALDH1L2. NADPH mitocondrial produzido por tais vias fornece energia redutora para a síntese de prolina(Ducker et ai, 2016). Embora predominantemente realizada na mitocôndria, meti-leno-THF pode ser oxidado por MTHFD1 no citoplasma e forma de NADPH, o qual pode sustentar a síntese de ácido graxo(Ducker et ai, 2016). Os ácidos graxos são necessários para a produção de moléculas de sinalização de lípidos e membranas, e ambos estes processos são essenciais para a manutenção da proliferação de células de cancerosas.(Currie et ai, 2013).
FUTURAS ESTRTÉGIAS TERAPÊUTICAS
Unidades de um carbono contribuem para múltiplos caminhos a jusante que são conhecidos ou são susceptíveis de beneficiar a sobrevivência da célula cancerosa. A compreensão detalhada disso pode permitir a segmentação mais precisa dos caminhos específicos que são mais importantes para a sobrevivência da célula cancerosa. Quimioterápicos tradicionais antifolatos, tais como metotrexato e 5-FU já têm como alvo as vias metabólicas de um carbono(Mesa 1). No entanto, estes medicamentos têm muitos efeitos secundários prejudiciais devido à importância das vias de folato em células em proliferação saudáveis ​​e a resistência de células de câncer para antifolatos é um problema comum. terapias futuras podem melhorar
PÀGINA 5