Integrated proteome and metabolome profiling of chromophobe renal cell carcinoma

Abstract

Chromophobe renal cell carcinoma (chRCC) is derived from intercalated cells of the collecting duct system and comprises approximately 5% of all renal neoplasms. Due to its rarity, the very basic molecular characteristics of chRCC on the proteome and metabolome level still remain to be investigated. In this thesis, the proteomics and metabolomics approaches as well as mitochondrial whole-exome sequencing were employed and integrated to gain insights into the mitochondrial DNA (mtDNA) mutation landscape and to elucidate pathological alterations between chRCC and adjacent kidney tissues. In addition, these results were compared with its benign counterpart, renal oncocytoma (RO), to identify molecular differences between these two highly similar tumor subtypes for the discovery of potential diagnostic markers. An overall downregulation of the oxidative phosphorylation system (OXPHOS) in chRCC was discovered, which is a distinct feature comparing with RO. Furthermore, the main ROS scavenger glutathione was boosted in chRCC, as proteins involved in glutathione degradation were significantly decreased. Besides, the OXPHOS proteins in chRCC were identified to anti-correlate with their corresponding transcripts. The decrease of mtDNA content, rather than the complex I mutations, was the main cause of the OXPHOS downregulation in chRCC, which sequentially caused the increased glutathione level and specifically a poor correlation between the proteins and transcripts of the nuclear- but not the mtDNA-encoded OXPHOS subunits. The metabolic reprogramming including the classical Warburg effect, the down-regulation of gluconeogenesis and all pathways associated with amino acid metabolism was also identified in chRCC. The chRCC cells were found to depend on extracellular macromolecules as an amino acid source by activating endocytosis, which is probably mediated by phospholipase C gamma 2 (PLCG2). The results indicate a direct link between mtDNA depletion, downregulation of OXPHOS and subsequently an increase of glutathione in chRCC. In addition, this study provides novel insights into the rewiring of metabolic pathways in chRCC and identifies PLCG2 as an important player to overcome the nutritional shortage, which might serve as a potential therapeutic target for chRCC. The distinct regulation of the OXPHOS between chRCC and RO can be developed as a potential diagnostic marker.

Das chromophobe Nierenzellkarzinom (chRCC) leitet sich aus den interkalierten Zellen des Sammelkanalsystems ab und macht etwa 5% aller Nierenneoplasmen aus. Aufgrund seiner Seltenheit müssen die grundlegenden molekularen Eigenschaften von chRCC auf Proteom- und Metabolomebene noch untersucht werden. In dieser Arbeit wurden die Proteome und Metabolome sowie die mitochondrialen Sequenzen des Exoms analysiert und integriert, um Einblicke in die Mutationslandschaft der mitochondrialen DNA (mtDNA) zu gewinnen und pathologische Veränderungen zwischen chRCC und dem benachbarten gesunden Nierengeweben aufzuklären. Darüber hinaus wurden diese Ergebnisse mit ihrem gutartigen Gegenstück, dem renalen Onkozytom (RO) verglichen, um molekulare Unterschiede zwischen diesen beiden sehr ähnlichen Tumorsubtypen zu identifizieren, die potenziell auch als diagnostischer Marker verwendet werden können. Es wurde eine generelle Herunterregulierung des gesamten oxidativen Phosphorylierungssystems (OXPHOS) in chRCC gefunden, was im Vergleich zu RO ein besonderes Merkmal darstellt, da dort spezifisch nur CI erniedrigt war. Darüber hinaus wurde der Haupt-ROS-Fänger Glutathion in chRCC erhöht gefunden, da Proteine, die am Glutathionabbau beteiligt waren, signifikant verringert waren. Außerdem wurde festgestellt, dass die OXPHOS-Proteine in chRCC mit ihren entsprechenden Transkripten nicht korrelieren. Die Abnahme des mtDNA-Gehalts anstelle der CI-Mutationen war die Hauptursache für die Herunterregulierung von OXPHOS in chRCC, die sequenziell den erhöhten Glutathionspiegel und insbesondere eine schlechte Korrelation zwischen den Proteinen und Transkripten des Kern-, aber nicht des mtDNA- codierte OXPHOS-Untereinheiten verursacht hat. Die metabolische Reprogrammierung einschließlich des klassischen Warburg-Effekts, die Herunterregulierung der Glukoneogenese und aller mit dem Aminosäuremetabolismus verbundenen Stoffwechselwege wurde auch in chRCC identifiziert. Es wurde festgestellt, dass die chRCC-Zellen durch Aktivierung der Endozytose, die wahrscheinlich durch Phospholipase C gamma 2 (PLCG2) vermittelt wird, von extrazellulären Makromolekülen als Aminosäurequelle abhängen. Die Ergebnisse weisen auf einen direkten Zusammenhang zwischen der mtDNA-Depletion, der Herunterregulierung von OXPHOS und dem daraus resultierenden Anstieg von Glutathion in chRCC hin. Darüber hinaus bietet diese Studie neue Einblicke in die Änderung von Stoffwechselwegen in chRCC und identifiziert PLCG2 als wichtigen Akteur zur Überwindung des Nährstoffmangels, der als potenzielles therapeutisches Ziel für chRCC dienen könnte. Die eindeutige Regulation der OXPHOS zwischen chRCC und RO kann als potenzieller diagnostischer Marker entwickelt werden.