Decoding the metabolic mechanism of L-glyceraldehyde as an anti-cancer therapeutic

Abstract

Glyceraldehyde (GA) is a 3-carbon monosaccharide that is present in cells as byproduct of fructose metabolism. The phosphorylated form, glyceraldehyde-3-phosphate is a key metabolite in central carbon metabolism. Bruno Mendel and Otto Warburg proved that the application of glyceraldehyde to cancer cells inhibits glycolysis and their growth. This phenomenon was extensively studied up until the 1970's. The consensus reached was that the L-isomer of glyceraldehyde is a more effective glycolytic inhibitor than the D-isomer. However, the mechanism by which this occurred was not clarified. This thesis describes a novel mechanism by which L-GA inhibits cancer cell growth. The work describes how L-GA induces significant changes in the metabolic profile and hinders nucleotide biosynthesis. Gas chromatography–mass spectrometry and 13C-labelling was employed to measure the flow of carbon through glycolytic intermediates under L-GA treatment. The data in this thesis recapitulated previous research on the inhibitory efficacy of L-GA and D-GA. It was found that L-GA is a more potent inhibitor of glycolysis due to its targeting of NADH-dependent reactions, leading to a redox crisis in the cancer cell. Through proteomics analysis it was confirmed that redox mechanisms were modulated via L-GA. This elucidated a specific subset of proteins harbouring oxidoreductase and anti-oxidant activity. Further bioinformatic and molecular biology analysis suggested that the generation of reactive oxygen species via L-GA activates the KEAP1-NRF2 pathway, to drive the expression of anti-oxidant proteins. Analysis of nucleotide pools in L-GA treated cells depicted a remarkable and previously unreported phenotype. Nucleotide biosynthesis in neuroblastoma cells is significantly inhibited upon L-GA treatment, yet the D-isomer showed minimal inhibition. Critically, this evidence could be linked to findings in the proteome and metabolome. Through the application of the antioxidant N-acetyl-cysteine in conjunction with L-GA, inhibition was relieved. This work presents significant novel evidence for the mechanism of L-GA action in neuroblastoma cells. Specifically, a simple sugar that inhibits the growth of cancer via dysregulating the fragile homeostatic environment inherent to the nature of the cancerous cell.

Glyzerinaldehyd (GA) ist ein Dreifachzucker und entsteht als Nebenprodukt im zellulären Fruktosestoffwechsel. Die phosphorylierte Form, Glyzerinaldehyd-3-Phosphat, ist ein zentraler Metabolit in der Glykolyse. Bruno Mendel und Otto Warburg konnten nachweisen, dass Glyzerinaldehyd das Wachstum und die Glykolyse in Krebszellen hemmen kann. Forschungen zu dieser Fragestellung gab es bis in die 70er Jahre des 20. Jahrhunderts. Es konnte zweifelsfrei nachgewiesen werden, dass die L-Konformation des Glyzerinaldehyds den Stoffwechsel und das Wachstum von Krebszellen effektiver inhibiert als die D-Konformation, die Gründe hierfür blieben aber unaufgeklärt.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neuer Mechanismus beschrieben, auf welche Weise L-Glyzerinaldehyd (L-GA) das Wachstum von Krebszellen inhibiert. Die Arbeit beschreibt, wie L-GA signifikante Änderungen im zellulären Stoffwechsel herbeiführt und die Nukleotidbiosynthese beeinflusst. Mittels GC-MS basierten Isotopen-unterstützten Stoffwechselanalysen konnten die Änderungen des Kohlenstoffflusses in der Glykolyse bestimmt werden. Die Daten, welche in dieser Arbeit gezeigt werden, spiegeln bisher veröffentlichte Daten über die Wirkung von L-GA wider. Weiterführend wurde gezeigt, dass L-GA ein stärkerer Inhibitor der Glykolyse ist als D-GA, weil ein dominanter Einfluss auf NADH abhängige Reaktionen vorliegt. Schließlich wird eine Änderung des zellulären RedOx Zustandes in der Zelle provoziert. Dies konnte mit Hilfe von ungerichteten Proteomanalysen bestätigt werden. Weitergehende bioinformatische und molekularbiologische Analysen deuten darauf hin, dass die Entstehung von freien Radikalen durch L-GA Behandlung den KEAP1-NRF2 Signalweg beeinflusst.

Die Analyse der zellulären Nukleotidmengen unter L-GA Behandlung zeigte bemerkenswerte und bis dahin unbekannte Änderungen des Nukleotidstoffwechsels. Die Neusynthese von Nukleotiden wird durch Behandlung mit L-GA stark inhibiert. D-GA provozierte dem gegenüber nur eine mäßige Veränderung in den Nukleotidmengen. Das konnte durch die gefundenen Änderungen im Metabolome und Proteom bestätigt werden.

In dieser Arbeit werden neue Aspekte der Wirkweise von L-GA in Neuroblastomzellen aufgezeigt. Letztendlich kann ein einfacher Zucker das Wachstum von Krebszellen vermindern, indem das fragile zelluläre Gleichgewicht von Krebszellen gezielt gestört wird.