Regulación de la OXPHOS mediada por IF1 y su potencial como diana terapéutica en cáncer
Author
Nuevo Tapioles, CristinaEntity
UAM. Departamento de Biología MolecularDate
2019-04-26Subjects
Metabolismo energético - Tesis doctorales; Biología y Biomedicina / BiologíaNote
Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Biología Molecular. Fecha de lectura: 26-04-2019Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 26-10-2020
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.
Abstract
La mitocondria es el orgánulo encargado de generar ATP mediante el proceso de fosforilación oxidativa (OXPHOS). En este proceso destaca la ATP sintasa, cuello de botella de la OXPHOS y responsable de catalizar la síntesis de ATP. El inhibidor fisiológico de la ATP sintasa (IF1) es una proteína mitocondrial cuya función es inhibir las actividades sintética e hidrolítica de la ATP sintasa. Estudiando la regulación de la actividad de IF1 hemos demostrado que la fosforilación en su residuo S39 impide la unión del inhibidor a la ATP sintasa. Por lo tanto, es la forma defosforilada de IF1 quien inhibe la enzima. Esta fosforilación estaría mediada por la actividad de una PKA mitocondrial que regula la respiración aumentando su eficiencia cuando dicha quinasa está activa. En un cribado de inhibidores de quinasas, también encontramos la quinasa SGK-1 como posible candidata en la fosforilación de IF1. SGK-1 colocaliza parcialmente con la mitocondria y su inhibición química o silenciamiento causan la defosforilación de IF1 inhibiendo la producción de ATP mitocondrial. Otro mecanismo de regulación de la actividad de IF1 es la modulación de su expresión. En este trabajo, hemos demostrado que la proteína de unión a mRNA LRPPRC regula la traducción de IF1 en células HEK293T y cardiomiocitos.
En cáncer, IF1 es una proteína altamente expresada en algunos de los carcinomas humanos más prevalentes. En este trabajo mostramos que la sobreexpresión de IF1, aunque inhibe la producción de ATP mitocondrial, correlaciona con una mejor prognosis en pacientes con cáncer de mama, especialmente en aquellas con cáncer de mama triple negativo. En este contexto, hemos estudiado el efecto de 1018 fármacos aprobados por la FDA sobre la respiración mitocondrial mediante el ensayo de Seahorse en busca de inhibidores de la OXPHOS que puedan ser reposicionados en la terapia del cáncer. Describimos cómo el nebivolol, un antihipertensivo β1-bloqueante, es capaz de inhibir la OXPHOS promoviendo la sobreexpresión de IF1 y la defosforilación del complejo I mitocondrial (CI). Así mismo, describimos en modelos xenograft de cáncer de colon y cáncer de mama que el tratamiento con nebivolol genera una crisis metabólica restringiendo la producción de ATP celular que inhibe la proliferación celular y activa la apoptosis en los tumores. Con ello, demostramos que el tratamiento con nebivolol aumenta la supervivencia in vivo de ratones portadores de carcinomas humanos de colon y mama. Por lo tanto, este fármaco conocido en terapia cardiovascular podría ser reposicionado en la terapia antitumoral. Mitochondria are essential organelles playing key roles in bioenergetics by controlling the production of ATP in the process known as oxidative phosphorylation (OXPHOS). The ATP synthase, the bottleneck of the OXPHOS, is a primary hub in the ATP production. The ATPase inhibitory factor 1 (IF1) is a mitochondrial protein that inhibits both the synthetic and hydrolytic activities of the ATP synthase. Studying the regulation of IF1 activity, we have demonstrated that phosphorylation of S39 of the protein impedes IF1 binding and inhibition of the enzyme, concluding that dephosphorylated IF1 is the active molecule that inhibits ATP synthase activities. A mitochondrial PKA activity seems to regulate mitochondrial respiration by improving the efficiency of the ETC when it is activated. A screening of protein kinase inhibitors identified SGK-1 as a promising candidate to phosphorylate IF1. SGK-1 partially colocalized within mitochondria and its chemical inhibition or silencing cause the dephosphorylation of IF1 inhibiting mitochondrial ATP production. On the other hand, the regulation of IF1 expression can also control the activity of the protein. In this work, we have demonstrated that the mRNA binding protein LRPPRC inhibits the translation of IF1 in HEK293T cells and in cardiomyocytes.
In cancer, IF1 is highly overexpressed in some of the most prevalent human carcinomas. Herein, we show that IF1 overexpression, despite inhibiting mitochondrial ATP production, directly correlates with a better prognosis and survival of breast cancer patients bearing triple negative breast carcinomas. In this context, we have screened a library of 1,018 FDA-approved drugs searching for drugs that could be repurposed in cancer by inhibiting OXPHOS. We have found nebivolol, a β1-adrenergic blocker, as inhibitor of mitochondrial OXPHOS in colon and breast cancer cells. Nebivolol promotes an upregulation of IF1 amount and the inhibition of complex I activity by the dephosphorylation of the complex, both contributing to the inhibition of the production of ATP by the ATP synthase. Altogether, we show the anti-cancer effect of nebivolol in vivo by assessing the tumor growth arrest experienced in mice bearing colon or breast human carcinomas by triggering a metabolic crisis because of the limitations of cellular ATP. We conclude that nebivolol, a classic antihypertensive drug, is a valid candidate to be repurposed in cancer therapy.
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