Otto Heinrich Warburg ja aineenvaihduntasairaudet (6. osa)
Otto Warburg.
Kaipparettu,
Wong ja kollegat ovat tehneet viimeaikaisia tutkimuksia, jotka
osoittavat, että ei-syöpäsolujen mitokondrioiden lisääminen
erittäin pahanlaatuisiin rintasyöpäsoluihin voisi kääntää
pahanlaatuisuuden ja vähentää useita onkogeenisia reittejä,
mukaan lukien niitä, jotka liittyvät säätelemättömään
solukasvuun, elinkykyyn hypoksiassa, anti-apoptoottisiin
ominaisuuksiin, resistenssiin syöpälääkkeille, invaasioon,
pesäkkeiden muodostumiseen pehmeässä agarissa ja in
vivo -kasvainkasvuun
alastomilla hiirillä (Kaipparettu
BA, Ma Y., Park JH, Lee TL, Zhang Y., Yotnda P., ym. (2013).
Ei-syöpäisten mitokondrioiden aiheuttama signaalien siirtyminen voi
estää metastaattisten solujen kasvainominaisuuksia tukahduttamalla
onkogeenisiä reittejä. PLoS ONE 8:e61747.
10.1371/journal.pone.0061747).
Normaaleilla mitokondrioilla varustetuilla hiirillä havaittiin
tehostunutta mitokondrioiden toimintaa, mukaan lukien lisääntynyt
ATP-synteesi, hapenkulutus ja hengitysketjun aktiivisuus, huolimatta
syöpäsolun tuman genomin läsnäolosta. Merkittävä havainto oli,
että vaikka useimpia mitokondrioproteiineja koodaavat geenit
sijaitsevat tumassa, ei-syöpäsolusta peräisin olevien
mitokondrioiden lisääminen syöpäsoluympäristöön johti
onkogeenisten reittien ja tuumorigeenisen fenotyypin heikkenemiseen.
Cruz-Bermudez ym. raportoivat äskettäin samankaltaisia havaintoja
osoittaen, että in
vivo -tuumorigeenisyys
oli merkittävästi alhaisempi 143B-osteosarkoomasolun tuman ja
normaalin mitokondrion sisältävillä sybrideillä kuin
143B-soluilla, jotka sisälsivät mitokondrioita, joissa oli
erilaisia mutaatioita mtDNA:ssa (Cruz-Bermúdez
A., Vallejo CG, Vicente-Blanco RJ, Gallardo ME, Fernández-Moreno MA,
Quintanilla M., et ai. (2015). Mitokondrioiden DNA:n lievät
mutaatiot lisäävät kasvaimia. Oncotarget 6, 13628–13643).
Toisin sanoen normaalit mitokondriot kykenivät estämään
tuumorigeenisyyttä, vaikka tumorgeeninen tuma olisi edelleen läsnä.
Näiden tutkimusten tulokset täydentävät edellä mainittujen
ydinsiirtokokeiden tuloksia ja korostavat mitokondrioiden tärkeää
roolia kasvainten synnyssä ja säätelyssä. Nämä havainnot ovat
linjassa sen näkemyksen kanssa, että kasvainten synty johtuu
enemmän mitokondrioiden virheistä kuin somaattisista mutaatioista
ydingenomissa.
Kaikkien
teorian, joka yrittää selittää monimutkaista biologista ilmiötä,
kuten syöpää, tulisi käsitellä teorian vaikeuksia tai
epäjohdonmukaisuuksia sen sijaan, että ne jätettäisiin huomiotta.
Olen yrittänyt käsitellä näitä kysymyksiä. Esimerkiksi Akimoto,
Hayashi ja työtoverit raportoivat, että genomikimeeran hiiren
fibroblastit, jotka kantoivat kasvainsolujen tuman DNA:ta ja
normaaleista soluista peräisin olevaa mtDNA:ta, ilmensivät
kasvaingeenisyyttä, kun taas ne, jotka kantoivat normaaleista
soluista peräisin olevaa tuman DNA:ta ja kasvainsoluista peräisin
olevaa mtDNA:ta, eivät ilmenneet (Akimoto
M., Niikura M., Ichikawa M., Yonekawa H., Nakada K., Honma Y. et ai.
(2005). Ydin-DNA, mutta ei mtDNA, säätelee kasvainfenotyyppejä
hiiren soluissa. Biochem. Biophys. Res. Commun. 327, 1028–1035.
10.1016/j.bbrc.2004.12.105).
Nämä havainnot viittaavat siihen, että tuman DNA, mutta ei mtDNA,
oli vastuussa karsinogeenin aiheuttamasta pahanlaatuisesta
transformaatiosta näissä hiiren fibroblasteissa. Nämä havainnot
herättävät kysymyksen tuman ja mitokondrioiden roolista kasvainten
alkuperässä, ja niitä tulisi tarkastella tässä katsauksessa
raportoitujen in
vivo -tumansiirtokokeiden
valossa. Israel ja Schaeffer kuvailivat erilaisten in
vitro -historioiden
roolia hybriditutkimuksissa havaittujen epäjohdonmukaisuuksien
taustalla (Israel
BA, Schaeffer WI (1988). Sytoplasman välityksellä tapahtuva
pahanlaatuisten kasvainten välittyminen. In Vitro Cell. Dev. Biol.
24, 487–490. 10.1007/BF02628504).
Lisätutkimuksia tarvitaan joidenkin in
vivo- ja in
vitro -siirtokokeiden
tulosten erojen yhteensovittamiseksi.
Mitokondriaalisen
DNA:n (mtDNA) rooli syövän synnyssä ja etenemisessä on kuitenkin
kiistanalainen. Patogeenisiä
mtDNA-mutaatioita laajasta valikoimasta kemiallisesti indusoituja ja
luonnollisesti syntyviä hiiren aivokasvaimia ei
löytynyt (Kiebish
MA, Seyfried TN (2005). Patogeenisten mitokondrioiden
DNA-mutaatioiden puuttuminen hiiren aivokasvaimissa. BMC Cancer
5:102. 10.1186/1471-2407-5-102).
Tutkimukset
olivat kattavia siinä mielessä, että koko mitokondriaalinen
genomi sekvensoitiin
ja eristettiin
sekä
puhdistettiin
ensin mitokondriot kasvainkudoksesta. Monien raportoitujen
kasvaimissa havaittujen mtDNA-mutaatioiden uskotaan syntyvän
artefaktteina, mahdollisesti tumaan upotettujen mtDNA-sekvenssien
(NUMT) monistumisen kautta (Salas
A., Yao YG, Macaulay V., Vega A., Carracedo A., Bandelt HJ (2005).
Mitokondrioiden roolin kriittinen uudelleenarviointi kasvainten
synnyssä. PLoS Med 2:e296. 10.1371/journal.pmed.0020296;
Schon
EA, Dimauro S., Hirano M. (2012). Ihmisen mitokondriaalinen DNA:
periytyvien ja somaattisten mutaatioiden roolit. Nat. Rev. Genet. 13,
878–890. 10.1038/nrg3275).
Toisaalta tuumorigeeninen fenotyyppi liittyy epänormaaleihin
mitokondriaalisiin lipideihin (Kiebish
MA, Han X., Cheng H., Chuang JH, Seyfried TN (2008). Kardiolipiinin
ja elektronin kuljetusketjun poikkeavuudet hiiren aivokasvaimen
mitokondrioissa: lipidomiset todisteet, jotka tukevat Warburgin
syöpäteoriaa. J. Lipid Res. 49, 2545–2556.
10.1194/jlr.M800319-JLR200).
Yhtäkään kasvainta ei ole vielä löydetty, jolla olisi normaali
kardiolipiinin pitoisuus tai koostumus. Kardiolipiini on mitokondrion
sisäisen kalvon tunnuslipidi, joka säätelee oksidatiivista
fosforylaatiota (Kiebish
MA, Han X., Cheng H., Seyfried TN (2009). In
vitro -kasvuympäristö
tuottaa lipidomiikka- ja elektroninsiirtoketjujen poikkeavuuksia
mitokondrioissa ei-kasvaimista peräisin olevissa astrosyyteissä ja
aivokasvaimissa. ASN Neuro 1:e00011. 10.1042/AN20090011;
Claypool
SM, Koehler CM (2012). Kardiolipiinin monimutkaisuus terveydessä ja
sairaudessa. Trends Biochem. Sci. 37, 32–41.
10.1016/j.tibs.2011.09.003;
Seyfried
TN, Flores RE, Poff AM, D'agostino DP (2014). Syöpä
aineenvaihduntasairautena: vaikutukset uusiin hoitomuotoihin.
Carcinogenesis 35, 515–527. 10.1093/carcin/bgt480).
Mitokondrioihin liittyviä proteomipoikkeavuuksia on myös raportoitu
useissa kasvaimissa (Unwin
RD, Craven RA, Harnden P., Hanrahan S., Totty N., Knowles M., ym.
(2003). Proteomiset muutokset munuaissyövässä ja Warburgin
vaikutuksen glykolyyttisten ja mitokondriaalisten näkökohtien
koordinoitu osoittaminen. Proteomics 3, 1620–1632.
10.1002/pmic.200300464;
Ristow
M., Cuezva JM (2009). Oksidatiivinen fosforylaatio ja syöpä:
jatkuva Warburgin hypoteesi, teoksessa Cellular Respiration and
Carcinogenesis, toim. Sarangarajan R., Apte S. (New York, NY: Humana
Press; ), 1–18;
Dai
Z., Yin J., He H., Li W., Hou C., Qian X., ym. (2010). Ihmisen
munasarjasyöpäsolujen ja niiden platinaresistenttien alalinjojen
mitokondrioiden vertaileva proteomiikka. Proteomics 10, 3789–3799.
10.1002/pmic.200900685;
Deighton
RF, Le Bihan T., Martin SF, Gerth AM, McCulloch M., Edgar JM ym.
(2014). Mitokondriaalisten proteiinien vuorovaikutukset muuttuvat
glioblastoomassa. J. Neurooncol. 118, 247–256.
10.1007/s11060-014-1430-5).
Nämä löydökset tarjoavat lisätodisteita Warburgin alkuperäisen
teorian tueksi. Pedersen dokumentoi laajan kirjon mitokondrioiden
poikkeavuuksia, joita esiintyy kasvainsoluissa (Pedersen
PL (1978). Kasvaimen mitokondriot ja syöpäsolujen bioenergetiikka.
Prog. Exp. Tumor Res. 22, 190–274. 10.1159/000401202).
Näin ollen syöpään liittyvät mitokondrioiden poikkeavuudet
voivat sisältää muutakin kuin vain mitohondarioDNA:n mutaatioita.
Hiljattain
on esitetty
yhteenveto
siitä, miten useimmat syövät voivat johtua mitokondrioiden
rakenteen ja toiminnan poikkeavuuksista (Seyfried
TN (2012a). Syöpä aineenvaihduntasairaudena: syövän alkuperästä,
hoidosta ja ehkäisystä. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons;
Seyfried
TN, Flores RE, Poff AM, D'agostino DP (2014). Syöpä
aineenvaihduntasairautena: vaikutukset uusiin hoitomuotoihin.
Carcinogenesis 35, 515–527. 10.1093/carcin/bgt480).
Jos
useimmat syövät johtuvat mitokondrioiden hengityskapasiteetin
kroonisista poikkeavuuksista, miksi syöpä olisi harvinainen
joillakin henkilöillä, jotka perivät mitokondrioiden toimintaa
vahingoittavia mutaatioita? Esimerkiksi syöpä on harvinainen
familiaalista amyotrofista lateraaliskleroosia (ALS) sairastavilla
potilailla (Vigliani
MC, Polo P., Chio A., Giometto B., Mazzini L., Schiffer D. (2000).
Amyotrofista lateraaliskleroosia ja syöpää sairastavat potilaat
eivät eroa kliinisesti sporaattista amyotrofista lateraaliskleroosia
sairastavista potilaista. J. Neurol. 247, 778–782.
10.1007/s004150070092).
Familiaaliseen ALS:ään liittyy mutaatioita
Cu/Zn-superoksididismutaasigeenissä (SOD), joka häiritsee
hengitystoimintaa ja johtaa hermoston rappeutumiseen (Rosen
DR (1993). Cu/Zn-superoksididismutaasigeenin mutaatiot liittyvät
familiaaliseen amyotrofiseen lateraaliskleroosiin. Nature 364, 362.
10.1038/362059a0;
Dupuis
L., Gonzalez de Aguilar JL, Oudart H., de Tapia M., Barbeito L.,
Loeffler JP (2004a). Mitokondriot amyotrofisessa
lateraaliskleroosissa: laukaisin ja kohde. Neurodegener. Dis. 1,
245–254. 10.1159/000085063, Dupuis
L., Oudart H., Rene F., Gonzalez De Aguilar JL, Loeffler JP (2004b).
Todisteita viallisesta energiatasapainosta amyotrofisessa
lateraaliskleroosissa: runsasenergisen ruokavalion hyöty
transgeenisessä hiirimallissa. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101,
11159–11164. 10.1073/pnas.0402026101).
Keskushermoston neuroneissa syntyvät kasvaimet ovat kuitenkin
harvinaisia, koska neuronit eivät pysty ylläpitämään käymistä,
kun hengitys on heikentynyt (Allen
NJ, Karadottir R., Attwell D. (2005). Glykolyysin ensisijainen rooli
rotan hippokampuksen alueen CA1-pyramidisolujen anoksisen
depolarisaation estämisessä. J. Neurosci. 25, 848–859.
10.1523/JNEUROSCI.4157-04.2005).
Esimerkiksi mitokondriaalinen ROS tappaa dopaminergisiä neuroneja
Parkinsonin taudissa aiheuttamatta syöpää (Eng
C., Kiuru M., Fernandez MJ, Aaltonen LA (2003). Mitokondrioiden
entsyymien rooli perinnöllisessä neoplasiassa ja muualla. Nat. Rev.
Cancer 3, 193–202. 10.1038/nrc1013).
Syöpä on myös harvinaista Barthin oireyhtymää sairastavilla
lapsilla, joihin liittyy kardiolipiinien uudelleenmuodostuksen
poikkeavuuksia ja hengityselinten toimintahäiriöitä (Claypool
SM, Koehler CM (2012). Kardiolipiinin monimutkaisuus terveydessä ja
sairaudessa. Trends Biochem. Sci. 37, 32–41.
10.1016/j.tibs.2011.09.003;
Clarke
SL, Bowron A., Gonzalez IL, Groves SJ, Newbury-Ecob R., Clayton N.,
ym. (2013). Barthin oireyhtymä. Orphanet J. Rare Dis 8:23.
10.1186/1750-1172-8-23).
Barthin oireyhtymää sairastavilla lapsilla esiintyy kuitenkin myös
hypoglykemiaa, joka estäisi glukoosin käymistä ja Warburgin
ilmiötä, jota tarvitaan kasvainten muodostumiseen. Useimmat
kasvaimet syntyvät soluissa, jotka pystyvät lisäämään
glykolyysireitin toimintaa kompensoidakseen oksidatiivisen
fosforylaation asteittaista ja kroonista häiriintymistä. Solut,
jotka eivät pysty siirtymään energiasta hengityksestä käymiseen,
kuolevat eivätkä koskaan kehity kasvaimia aiheuttaviksi, kuten
Warburg ensimmäisenä mainitsi (Warburg
O. (1956a). Syöpäsolujen alkuperästä. Science 123, 309–314.
10.1126/science.123.3191.309).
Perinnöllisen
mitokondrio-oireyhtymän, myoklonusepilepsian ja ragged-red fibers
(MERRF) kantajilla löydetään
useita symmetrisiä lipoomakasvaimia, joissa oli poikkeavia
mitokondrioita (Holme
E., Larsson NG, Oldfors A., Tulinius M., Sahlin P., Stenman G.
(1993). Useita symmetrisiä lipoomia, joissa on paljon mtDNA:ta, ja
tRNA(Lys) A–>G(8344)-mutaatio ainoana taudin ilmentymänä
myoklonusepilepsian ja ragged-red fibers (MERRF) -oireyhtymän
kantajalla. Am. J. Hum. Genet. 52, 551–556).
Lipoomissa ilmeni mutaatioita tRNA-lysiiniä koodaavassa
mitokondrio-DNA-geenissä, mikä viittaa siihen, että lipoomat
johtuivat mitokondrio-DNA-mutaatioista. Mitokondrio-DNA-mutaatiot
yhdistettiin myös tuman genomin epävakauteen, johon liittyi
makroskooppisia kromosomipoikkeavuuksia. Vaikka kasvaimet johtuivat
mitokondrio-DNA-mutaatiosta, tuman genomin epävakaus olisi voinut
syntyä raportoitujen mitokondrioiden poikkeavuuksien toissijaisena
seurauksena. Nämä löydökset olisivat yhdenmukaisia sen
näkemyksen kanssa, jonka mukaan kasvaimissa havaittu genomin
epävakaus johtuu mitokondrioiden toimintahäiriön ja muuttuneen
oksidatiivisen fosforylaation toissijaisesta vaikutuksesta (Seyfried
TN, Shelton LM (2010). Syöpä aineenvaihduntasairaudena. Nutr.
Metab. (Lond.) 7:7. 10.1186/1743-7075-7-7;
Chandra
D., Singh KK (2011). Geneettisiä näkemyksiä OXPHOS-defektistä ja
sen roolista syövässä. Biochim. Biophys. Acta 1807, 620–625.
10.1016/j.bbabio.2010.10.023;
Seyfried
TN, Flores RE, Poff AM, D'agostino DP (2014). Syöpä
aineenvaihduntasairautena: vaikutukset uusiin hoitomuotoihin.
Carcinogenesis 35, 515–527. 10.1093/carcin/bgt480;
Bartesaghi
S., Graziano V., Galavotti S., Henriquez NV, Betts J., Saxena J., ym.
(2015). Oksidatiivisen aineenvaihdunnan esto johtaa p53:n
geneettiseen inaktivoitumiseen ja transformaatioon hermostollisissa
kantasoluissa. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, 1059–1064.
10.1073/pnas.1413165112).
Cruz-Burmedezin ym. tuoreet löydökset osoittavat, että
tuumorigeenisyys on suurempi mitokondrioiden DNA:n mutaatioiden
yhteydessä, jotka aiheuttavat vähemmän vakavaa mitokondrioiden
toimintahäiriötä, kuin mitokondrioiden DNA:n mutaatioiden
yhteydessä, jotka aiheuttavat vakavaa oksidatiivisen fosforylaation
toimintahäiriötä (Cruz-Bermúdez
A., Vallejo CG, Vicente-Blanco RJ, Gallardo ME, Fernández-Moreno MA,
Quintanilla M., et ai. (2015). Mitokondrioiden DNA:n lievät
mutaatiot lisäävät kasvaimia. Oncotarget 6, 13628–13643).
Nämä löydökset viittaavat siihen, että kasvaimen syntyminen
edellyttää jonkinasteista mitokondrioiden oksidatiivista
fosforylaatiota. Oksidatiivinen fosforylaatio ei kuitenkaan
todennäköisesti ole välttämätöntä erittäin pahanlaatuisten
rintasyöpäkasvainten etenemiselle, joissa on vain vähän tai ei
lainkaan mitokondrioita (Elliott
RL, Jiang XP, Head JF (2012). Mitokondrio-organellien siirto:
normaalien epiteeli-mitokondrioiden lisääminen ihmisen
syöpäsoluihin estää proliferaatiota ja lisää lääkeherkkyyttä.
Breast Cancer Res. Treat. 136, 347–354. 10.1007/s10549-012-2283-2).
Kollegat
ovat
samaa mieltä Engin kanssa siitä, että tarvitaan lisätutkimuksia
mitokondrioiden toiminnan geneettisistä, solutason ja kliinisistä
näkökohdista suhteessa syöpäriskiin (Eng
C., Kiuru M., Fernandez MJ, Aaltonen LA (2003). Mitokondrioiden
entsyymien rooli perinnöllisessä neoplasiassa ja muualla. Nat. Rev.
Cancer 3, 193–202. 10.1038/nrc1013).