Regulation of the eukaryotic redox-state through metabolic reconfiguration

Abstract

The metabolic network responds rapidly to changing conditions in order to self-adapt and ensure cellular survival. Metabolic modules such as pathways of carbohydrate metabolism can gain activity when required by varying demands. In Grüning et al. 2011 we demonstrated a metabolic feedback loop that synchronizes energy- and redox metabolism in respiring yeast cells. The activity of the glycolytic enzyme PYK plays a crucial role in the regulation of mitochondrial respiration and simultaneous PPP activation. Coordinated activation of both processes protects yeast cells from oxidative damage by ROS produced through the respiratory chain. However, the question for the connecting mechanism between low PYK activity and elevated mitochondrial respiration is still unanswered. Also, elucidating the sources that fuel mitochondria when PYK activity is low will be subject of continuative projects. In cancer cells, an isoform switch of pyruvate kinase (PKM1 and PKM2) was stated to be causative for increased fermentation and lowered respiration - the tumor-typical Warburg effect. In Bluemlein et al. 2011 we could refute this postulation. The comprehensive LC-MRM dataset did not confirm an exchange in PKM isoforms, but an upregulation of PKM1 and PKM2 in human malignant cells. These data point to importance of the total PKM expression level for cancer cell metabolism. Future studies have to elucidate the mechanisms that require PKM upregulation in proliferating cells, and therefore provide an advantage for growing cells. Metabolic rearrangements such as caused by varying PYK activities or oxidative stress lead to wide- ranging effects on the whole cellular reaction network. In Krüger et al. 2011, regulatory importance of PPP activation in timing of the transcriptional oxidative-stress program could be proven. Therefore, the PPP does not only provide the cell with NADPH as immediate reaction to counter-act the oxidative stress situation, fast changes in PPP metabolite levels also function as mediator for the stress signal to regulatory components of the transcriptional machinery which follow in time. The sensors that are stimulated by changes in line with PPP activation are still to be found. Disruptions in central pathways of the metabolic network can lead to severe physiological dysfunctions in humans. Deficiency of the PPP enzyme RPI was reported as the rarest inheritable human disease to date. In Wamelink et al. 2010 we revealed the molecular RPI-deficiency pathogenesis, to our knowledge, with a single diagnosed patient, the rarest disease on earth. A combination of two mutations that cause cell-type dependent reduced RPI expression levels and decreased specific RPI activity lead to the manifestation of RPI-deficiency symptoms. Finally, investigating metabolic transitions gives insight into fundamental biological organizational principles that mostly affect not only the metabolome, but also other hierarchical layers such as the transcriptome and proteome. Regarding the cell as complex reaction network, that dynamically reacts to changing conditions, has always to be considered in tackling biological questions.

Das metabolische Netzwerk reagiert schnell auf sich ändernde Bedingungen, um sich an die neuen Umstände anzupassen und so das Überleben der Zelle zu ermöglichen. Metabolische Module, wie Stoffwechselwege des zentralen Kohlenhydratstoffwechsels, können an Aktivität gewinnen, wenn dies durch die sich ändernden Bedingungen erforderlich ist. In dem Manuskript Grüning et al. 2011 zeigen wir einen metabolischen feedback-loop in atmenden Hefezellen, der den Energie- mit dem Redox-Stoffwechsel koordiniert. Das glykolytische Enzym Pyruvatkinase (PYK) spielt eine entscheidende Rolle in der Regulierung der mitochondrialen Atmung und der zeitgleichen Aktivierung des Pentosephosphat Weges (PPP). Durch die mitochondriale Atmungskette kommt es zu einer erhöhten Produktion freier Sauerstoffradikale (ROS). Die koordinierte Aktivierung von Zellatmung und PPP schützt Hefezellen jedoch vor Schäden, die durch ROS verursacht werden können. Allerdings konnte bislang nicht geklärt werden, wie ein Wechsel in der PYK Aktivität die mitochondriale Atmung reguliert. Außerdem wird die Frage nach den Nährstoffen, die eine erhöhte mitochondriale Atmung bei geringer PYK Aktivität ermöglichen, Gegenstand zukünftiger Arbeit sein. In Krebszellen wurde ein Wechsel von Pyruvatkinase Isoformen (PKM1 und PKM2) als ursächlich für den Tumor-typischen Warburg Effekt, eine Reduzierung der Zellatmung und Erhöhung der Fermentation, erklärt. In dem Manuskript Bluemlein et al. 2011 konnten wir diese Behauptung widerlegen. Ein umfassender Datensatz, der mittels LC-MRM erstellt wurde, konnte keinen Austausch beider Isoformen während der Tumorigenese bestätigen. Vielmehr kommt es, im Vergleich zu gesunden Kontrollen, zu einer Hochregulierung beider Isoformen in Tumorzellen. Diese Daten verweisen auf eine entscheidende Rolle des PKM Expressionslevels im Krebsstoffwechsel. In zukünftigen Studien soll geklärt werden, welche zellulären Mechanismen eine PKM Hochregulierung erfordern und dadurch Krebszellen einen Proliferationsvorteil verschaffen. Metabolische Verschiebungen, wie sie z.B. durch eine Veränderung der PYK Aktivität oder oxidativen Stress verursacht werden, haben weitreichende Konsequenzen für das gesamte zelluläre Reaktionsnetzwerk. In Krüger et al. 2011 konnten wir die regulatorische Bedeutung der PPP Aktivität für das anti-oxidative transkriptionelle Stressprogramm der Zelle beweisen. Es konnte gezeigt werden, dass der PPP nicht nur NADPH bereitstellt, um sofort auf die oxidative Stresssituation zu reagieren - die schnellen Änderungen der PPP- Metabolitkonzentrationen fungieren auch als Signale für regulatorische Komponenten der Transkriptionsmaschinerie, welche für die längerfristige Anpassung an oxidativen Stress benötigt wird. Die Sensoren, die durch eine erhöhte PPP Aktivität aktiviert werden, bleiben Fokus zukünftiger Forschung. Störungen des zentralen Kohlenhydratstoffwechsels können zu schweren physiologischen Beeinträchtigungen im Menschen führen. Die Defizienz des PPP Enzyms RPI gilt bislang, mit einem diagnostizierten Patienten, als die seltenste Erbkrankheit. In Wamelink et al. 2010 konnten wir die Ätiologie dieser Krankheit entschlüsseln. Die Manifestierung der RPI-Defizienz Symptome basiert auf der Kombination zweier Mutationen, die zu einer Zelltyp- spezifischen Reduzierung des Expressionslevels und zu einer Reduzierung der spezifischen Enzymaktivität führen. Abschließend lässt sich sagen, dass die Untersuchung metabolischer Verschiebungen Einblicke in fundamentale biologische organisatorische Prinzipien bietet. Diese Verschiebungen betreffen dabei nicht nur das Metabolom, sondern ebenfalls andere hierarchische Ebenen der Zelle wie das Transkriptom oder Proteom. Bei der Untersuchung biologischer Fragestellungen sollte daher die Zelle stets als komplexes Reaktionsnetzwerk, welches sich dynamisch an ändernde Bedingungen anpasst, betrachtet werden.