René Thierbach

• Die Krebsentstehung wurde vor rund 80 Jahren auf veränderten zellulären Energiestoffwechsel zurückgeführt. Diese Hypothese konnte bisher weder experimentell bewiesen noch widerlegt werden. Durch den Einsatz zweier Modellsysteme mit unterschiedlicher Expression des mitochondrialen Proteins Frataxin konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass der mitochondriale Energiestoffwechsel einen Einfluss auf die Tumorentstehung zu besitzen scheint. Eine Reduktion des mitochondrialen Energiestoffwechsels wurde durch die hepatozytenspezifische Ausschaltung des mitochondrialen Proteins Frataxin in Mäusen erreicht. Der durch das Cre-/loxP-Rekombinasesystem erreichte organspezifische Knock-out wurde auf Transkriptions- und Translationsebene nachgewiesen. Anhand verminderter Aconitaseaktivität, geringeren Sauerstoffverbrauches und reduzierten ATP-Gehaltes im Lebergewebe wurde ein signifikant verminderter Energiestoffwechsel dargestellt. Zwar entsprach die Genotypenverteilung in den Versuchsgruppen der erwarteten Mendelschen Verteilung,Die Krebsentstehung wurde vor rund 80 Jahren auf veränderten zellulären Energiestoffwechsel zurückgeführt. Diese Hypothese konnte bisher weder experimentell bewiesen noch widerlegt werden. Durch den Einsatz zweier Modellsysteme mit unterschiedlicher Expression des mitochondrialen Proteins Frataxin konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass der mitochondriale Energiestoffwechsel einen Einfluss auf die Tumorentstehung zu besitzen scheint. Eine Reduktion des mitochondrialen Energiestoffwechsels wurde durch die hepatozytenspezifische Ausschaltung des mitochondrialen Proteins Frataxin in Mäusen erreicht. Der durch das Cre-/loxP-Rekombinasesystem erreichte organspezifische Knock-out wurde auf Transkriptions- und Translationsebene nachgewiesen. Anhand verminderter Aconitaseaktivität, geringeren Sauerstoffverbrauches und reduzierten ATP-Gehaltes im Lebergewebe wurde ein signifikant verminderter Energiestoffwechsel dargestellt. Zwar entsprach die Genotypenverteilung in den Versuchsgruppen der erwarteten Mendelschen Verteilung, dennoch war die mittlere Lebenserwartung der Knock-out-Tiere mit ca. 30 Wochen stark reduziert. Bereits in jungem Alter war bei diesen Tieren die Ausbildung von präneoplastischen Herden zu beobachten. Mit proteinbiochemischen Nachweistechniken konnte in Lebergewebe 4-8 Wochen alter Tiere eine verstärkte Aktivierung des Apoptosesignalweges (Cytochrom C im Zytosol, verstärkte Expression von Bax) sowie eine Modulation stressassoziierter Proteine (geringere Phosphorylierungsrate p38-MAPK, vermehrte Expression HSP-25, verminderte Expression HSP-70) aufgezeigt werden. Im inversen Ansatz wurde eine Steigerung des mitochondrialen Energiestoffwechsels durch stabile transgene Frataxinüberexpression in zwei Kolonkarzinomzelllinien erreicht. Diese Steigerung zeigte sich durch erhöhte Aconitaseaktivität, erhöhten Sauerstoffverbrauch, gesteigertes mitochondriales Membranpotenzial und erhöhten ATP-Gehalt in den Zellen. Die frataxinüberexprimierenden Zellen wuchsen signifikant langsamer als Kontrollzellen und zeigten im Soft-Agar-Assay und im Nacktmausmodell ein deutlich geringeres Potenzial zur Ausbildung von Kolonien bzw. Tumoren. Mittels Immunoblot war hier eine vermehrte Phosphorylierung der p38-MAPK festzustellen. Die zusammenfassende Betrachtung beider Modelle zeigt, dass ein reduzierter mitochondrialer Energiestoffwechsel durch Regulation der p38-MAPK und apoptotischer Signalwege ein erhöhtes Krebsrisiko zu verursachen vermag.…
• Eigthy years ago, it was suggested that impaired energy metabolism might cause cancer. Compelling experimental evidence for this hypothesis is lacking. By use of two different model systems here we show that impaired expression of the mitochondrial protein frataxin leading to impaired mitochondrial energy metabolism appears to be inversely related to tumour growth. To generate mice with reduced mitochondrial energy metabolism the expression of mitochondrial protein frataxin was disrupted in a hepatocyte-specific manner by using the cre/loxP-system. Presence, efficiency and specificity of disruption were shown at transcriptional and translational levels. Decreased activity of aconitase, reduced oxygen consumption and diminished ATP level in the liver revealed diminished energy metabolism. Although knock-out mice were born in the expected Mendelian frequency, they exhibited a significantly decreased life expectancy. Young mice exhibited hepatic preneoplasia. The use of proteinbiochemical techniques revealed activation of apoptoticEigthy years ago, it was suggested that impaired energy metabolism might cause cancer. Compelling experimental evidence for this hypothesis is lacking. By use of two different model systems here we show that impaired expression of the mitochondrial protein frataxin leading to impaired mitochondrial energy metabolism appears to be inversely related to tumour growth. To generate mice with reduced mitochondrial energy metabolism the expression of mitochondrial protein frataxin was disrupted in a hepatocyte-specific manner by using the cre/loxP-system. Presence, efficiency and specificity of disruption were shown at transcriptional and translational levels. Decreased activity of aconitase, reduced oxygen consumption and diminished ATP level in the liver revealed diminished energy metabolism. Although knock-out mice were born in the expected Mendelian frequency, they exhibited a significantly decreased life expectancy. Young mice exhibited hepatic preneoplasia. The use of proteinbiochemical techniques revealed activation of apoptotic pathways (cytochrome c in the cytosol, increased expression of bax) and modulation of stress-associated cascades (decreased phosphorylation of p38-MAPK, increased expression of HSP-25 and diminished expression of HSP-70). Inversely, transgenic overexpression of frataxin in colon cancer cell lines lead to increased mitochondrial energy metabolism as demonstrated by elevated activity of aconitase, increased oxygen consumption, elevated mitochondrial membrane potential and increased ATP levels. Frataxin-overexpressing colon cancer cells exhibit a concurrent decrease in replication rate. The colony forming capacity in soft-agar-assay and tumour formation in nude mice were clearly decreased. Immunoblotting revealed elevated phosphorylation of p38-MAPK. Taken together, these models suggest that reduced mitochondrial energy metabolism may promote cancer through regulation of p38-MAPK and apoptotic pathways.…