The role of NFκB in glucose import and survival of B-cell lymphomas
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Abstract
Continuously proliferating cells must exhibit high levels of nutrient uptake in order to support biosynthetic pathways. Most cancer cells exhibit elevated glucose import and consumption rates when compared with normal tissue. This work investigates the signals that govern glucose uptake in B-cell lymphomas. The experiments presented provide evidence that the NFκB pathway controls glucose import via GLUT1 membrane trafficking in both viral and spontaneous B-cell lymphomas. To promote GLUT1 translocation the NFκB pathway activates the signaling cascade from PI3K to GLUT1 plasma membrane translocation at two distinct points. First, the NFκB-stimulating IκB-kinase β (IKKβ) supported Phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K) driven AKT activity. Second, NFκB-induced transcription was required for GLUT1 surface localization downstream of AKT, by licensing AKT-mediated phosphorylation of the GLUT1 regulator, AKT Substrate of 160kD (AS160). The requirement for NFκB was specific for productive AKT/AS160 interaction, as AKT phosphorylation of the mammalian target of Rapamycin (mTOR) regulator Tuberous Sclerosis 2 (TSC2) was independent of NFκB. In Epstein Barr virus (EBV) transformed B-cells the NFκB pathway was essential to sustain energy homeostasis and survival. Inhibition of NFκB-induced transcription repressed glucose uptake and glycolytic flux leading to starvation and the induction of caspase-independent cell death associated with autophagy. Alternate carbon sources reduced cell death and autophagy induction after NFκB inhibition, underlining the impact of starvation on cell death. In contrast, inhibitors of autophagy and oxidative phosphorylation specifically accelerated cell death after NFκB inhibition. Thus, autophagy and mitochondrial metabolism serve as pro-survival pathways after NFκB inhibition. Small molecule-mediated IKKβ inhibition in diffuse large B-cell lymphomas, EBV transformed B-cells and Karposi sarcoma herpesvirus infected primary effusion lymphomas induced starvation, autophagy, and rendered cells more sensitive to inhibitors mitochondrial metabolism. Thus, IKKβi mimics the metabolic phenotype observed in NFκB-inhibited LCLs. Taken together, the results of this work suggest that NFκB signaling establishes a metabolic program supporting proliferation and apoptosis resistance by driving glucose import. The combined targeting of NFκB pathway and mitochondrial metabolism might be a valid synthetic lethal approach to treat B-cell malignancies.
Abstract
Zellen, die sich ununterbrochen teilen, müssen ausreichend Nährstoffe aufnehmen, um die notwendigen Biosynthesereaktionen durchführen zu können. Viele Krebszellen weisen daher einen erhöhten Glucosestoffwechsel auf. Die vorliegende Doktorarbeit untersucht Signalwege, die den Stoffwechsel in B-Zell-Lymphomen regulieren. Die ermittelten Daten legen nahe, dass der NFκB Signalweg den Import von Glucose in spontanen und virusinduzierten B-Zell-Lymphomen verstärkt, indem er die Translokation des Glucosetransporters 1 (GLUT1) von cytoplasmatischen Vesikeln zur Plasmamembran ermöglicht. Dabei aktivierte NFκB die Signalkaskade zwischen Phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K) und AKT, die für die Translokation von GLUT1 verantwortlich ist, an zwei unterschiedlichen Stellen. Einerseits verstärkte die IκB-kinase β (IKKβ) die Wirkung von PI3K auf AKT, andererseits ist NFκB-induzierte Transkription notwendig, damit AKT den GLUT1 Regulator AKT substrate of 160kDA (AS160) phosphorylieren kann. Da die AKT-abhängige Phosphorylierung von Tuberous Sclerosis 2 (TSC2) im mammalian target of Rapamycin (mTOR) Signalweg unabhängig von der NFκB-induzierten Transkription war, ist NFκB speziell für die Phosphorylierung von AS160 nötig. In Epstein Barr Virus (EBV) transformierten B-Zellen ist der NFκB Signalweg für die Energiehomöostase und das Überleben notwendig. Das Ausschalten der NFκB-induzierten Transkription unterdrückte die Aufnahme von Glucose, verminderte den Stoffumsatz in der Glycolyse und verursachte einen caspaseunabhängigen Zelltod mit Merkmalen von Autophagie. Glutamin und α-Ketoglutarat, die als alternative Nährstoffe für den Mitochondrienstoffwechsel fungieren, verringerten Zelltod und Autophagie nach dem Verlust von NFκB-induzierter Transkription. Im Gegensatz dazu führte die pharmakologische Inhibierung von Autophagie oder oxidativer Phosphorylierung zu einem beschleunigten Zelltod nach dem Verlust von NFκB-induzierter Transkription. Folglich sind Autophagie und Mitochondrienstoffwechsel wichtig für das Überleben von NFκB-inhibierten Zellen. Die pharmakologische Inhibierung von IKKβ in diffusen großzelligen B-Zell-Lymphomen, EBV-transformierten B-Zellen und Kaposi-Sarkom-Herpesvirus infizierten Primary Effusion Lymphomas verursachte eine Internalisierung von GLUT1, verstärkte Autophagie und die Abhängigkeit vom Mitochondrienstoffwechsel. Die Inhibierung von IKKβ führte damit zum gleichen Stoffwechselphänotyp wie der Verlust von NFκB-induzierter Transkription. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass der NFκB Signalweg ein Stoffwechselprogramm in B-Zellen etabliert, welches durch eine erhöhte Glucoseaufnahme Teilung und Überleben der Zelle unterstützt. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten einen ersten Ansatz für die Entwicklung einer kombinierten Therapie für B-Zell-Lymphome darstellen, bei der sowohl der NFκB Signalweg als auch der Mitochondrienstoffwechsel blockiert werden.