Targeting Autophagy in Disease Prevention and Therapy

For 10 år siden beskrev vi hvordan ødelagte cellebestanddeler kan isoleres selektivt for lysosomal degradering via autofagi. Dette var et gjennombrudd innen feltet og identifisert som det siste store funnet i feltet av Nobel-vinner Ohsumi. Siden den gang har vi brukt vår kunnskap og våre verktøy til å studere hvordan autofagi kontrolleres av eksterne og interne signaler for at cellene skal overleve. Vi har særlig fokusert på hvordan kreftcellene i en tumor koordinerer autofagi som en sultrespons tumoren og at dette kan være viktig for tumorutvikling. Vi har også hatt en hypotese om at dette i så fall også kan være en underliggende årsak til utvikling av alvorlig avmagring i kreftpasienter om en slik lokal mekasnisme spres systemisk. I tråd med en slik hypotese har vi funnet at noen kreftceller skiller ut cytokinet IL6 og at dette aktiverer autofagi i andre celler i kompleks med sin løselige reseptor. Vi finner at en slik autofagi-stimulerende aktivitet er tilstede i serumprøver fra lungekreftpasienter og at denne aktiviteten assosierer med vekttap i pasienten. Dette er et stor internasjonalt samarbeidsprosjekt som vi nå reviderer etter positiv response fra journalen "Scientific Reports" i Nature-gruppen. Autofagi er svært viktig for å fjerne ødelagte cellebestanddeler og hindrer at cellene akkumulerer skadelige proteinaggregater som vi finner i flere neurodegenerative sykdommer. Alders-assosiert makulær degradering (AMD) er en svært vanlig øyesykdom som skyldes akkumulering av proteinaggregater og påfølgende celledød i epitel-laget i macula. Når disse dør vil fotoreseptorene som ligger over mangle støtte og også dø og synet svekkes. Epiemiologiske undersøkelser har antydet at økt inntak av marine n-3 flerumettede fettsyrer (PUFAs) reduserer riskikoen for AMD. Vi fant at fysiologisk relevant konsentrasjoner av PUFAs gir økt autofagi i normale epitelceller fra macula (Johansson I et al. Autophagy 2015) og fant at dette kan være en relevant sykdomspreventiv mekanisme uløst av slike lipider. I makrofager er det vist at autofagi er anti-inflammatorisk og PUFAs supplement demper immunreaksjoner. Vi spurte derfor om makrofager øker autofagien i makrofager og hvordan dette i så fall kan bidra til å dempe inflammasjon i pasienter. Vi fant at PUFAs øker autofagien i makrofager etter å først danne proteingranula inne i cellene. Dette gir så en forandring i signaleringen som særlig demper den såkalte type I interferon responsen med redusert sekresjon av cytokinet CXCL10 som den tydeligste effekten. Dette fant vi også skjedde i et klinisk forsøk der hjeretransplanterte pasienter ble gitt PUFAs eller maisolje. Vi tror derfor at PUFAs kan være særlig gunstig for å dempe ugunstig inflammasjon drevet frem av en hyper type I interferon respons. Dette arbeidet reviderer vi nå etter positiv tilbakemelding fra tidsskriftet Autophagy (Midlenberger J et al). Myeloma pasienter behandles i dag med proteasom-hemmere. Dette hindrer proteindegradering via proteasomene i disse cellene som produserer store mengder antistoff. De nye proteasomehemmerne har svært gunstig klinisk effekt og har gitt forlenget overlevelse for denne pasientgruppen. Imidlertid utvikler mange resistens over tid og noen responderer ikke i utgangspunktet. Gjennom to ulike arbeider kunne vi beskrive at autofagi og cellenes forsvar mot oksdativt stress er viktig for å utvikle resistens i myelom-celler (Starheim KS et al 2016 Blood Cancer Journal, Baranowska K. et al 2016 Oncotarget)

Reaktive oksygenradikaler genereres som et uungåelig biprodukt av normal aerob metabolisme i alle celler. Disse forbindelsene skader DNA, proteiner og lipider og er en sentral faktor for aldringsprosesser i seg selv og for utvikling av alders-assosierte sykdommer. Lenge trodde man at disse uønskede reaksjonene kunne forhindres med økt inntak av anti-oksidanter men dette ser ut til å være mer komplekst. Hovedgrunnen til det mer komplekse bildet er at våre celler gjennom millioner av år har utviklet et intrikat system som reduserer nivået av oksygenradialer og fjerne eller reparere ødelagte komponenter. Vi vet nå at disse systemenen aktiveres av oksygenradikaler og høyt inntak av antioksydanter kan motvirke disse gunstige effektene. Hovedmekanismen for å redusere nivået av oksygenradikaler ser ut til å være aktivering av et helt sett på mer enn 200 ulike gener som har som funksjon å redusere nivået av oksygenradikaler. Alle disse genene reguleres av at protein som heter NFE2L2 som aktiveres direkte av oksygenradikaler. Hovedmekanisme for å fjerne ødelagte cellulære komponenter kalles autofagi. Mus som er genetisk manipulert slik at de mangler autofagi utvikler aldersassosierte sykdommer som ulike former for kreft og neurodegenerative lidelser svært tidlig. I vår tidligere forskning har vi funnet at autofagi selektiv degraderer ødelagte cellebestanddeler ved hjelp av reseptorer. Disse gjenkjenner organeller og proteiner som er ødelagt og sørger for at de blir isolert og fraktet inn i lysosomene for degradering. Vi fant den første av slike reseptorer, p62/SQSTM1, og den vet vi er direkte regulert av NFE2l2. Fra egen og andres forskning vet vi derfor at det er nære koblinger mellom systemet som reduserer oksidativt stress og autofagi som fjerner skadde komponenter. Målet for forskningsgruppen er derfor å avdekke hvordan dette samspillet er regulert for å kunne gi en bedre forståelse av hvordan sykdomspreventive responser kan utløses og hvordan ny terapi kan utvikles. Nyere forskning har vist at mutasjoner som gir aktivering av NFE2L2 proteinet er blandt de mest vanlige genetiske endringene i kreftceller. Våre nye resultater viser oss at aktivering av NFE2L2 korrelerer med dårlig overlevelse i kreftpasienter (meta-analyser av mer enn 5000 kreftpasienter vha kmplot.com og breastmark.com). I en musemodell for metastatisk kreftutvikling ser vi at NFE2L2 er økt i celler som kan metastasere. Vi tror at den økte evnen til å metastasere er koblet til økt overlevelse uten å være festet til en fast overflate. Dette indikerer at NFE2L2 i seg selv, eller sentrale NFE2L2 regulerte proteiner, kan representere nye terapeutiske mål for å blokkere eller redusere metastase. Vi arbeider nå med å fastslå hvor viktig NFE2L2 er for metastase i musemodellen.

Det er gjort store fremsrkitt innen kreftbehandling de siste få årene. Likevel er det alt for mange kreftpasienter som ikke får et tilstrekkelig behandlingstilbud. Pasienter med spredning (metastase) er generelt svært vanskelige å behandle og vi vet enda for lite om hvordan vi kan hindre at kreftceller sprees og etablerer seg på nye steder i kroppen. Celler som får evne til å forlate primærtumoren og etablere seg på nye steder må overleve flere faser som vi vet gir betydelig cellestress og som skulle ta livet av de fleste celler. Celler som likevel kan gjennomføre en vellykket metastase har derfor en økt evne til å overleve ulike typer stress, inkludert sult og oksidativt stress. Økt autofagi og økt toleranse for oksidativt stress er antatt å være to egenskaper som gjør cellene mer motstandsdyktig for cellestress som er assosiert med metastase men vi vet enda for lite om og eventuelt hvordan disse prosessene kan være økt og om dette kan være direkte viktig for metastaseprosessen. I en primærtumor skjer det en hurtig evolusjon der økt genomisk ustabilitet fører til danning av celler med nye egenskaper. Noen av disse endringene vil kunne gi bestemte celler økt evne til å metastasere. For å studere om og hvordan autofagi og forsvar mot oksidativt stress kan være aktivert har vi tatt i bruk en etablert musemodell for metastatisk brystkreftutvikling. Denne modellen baserer seg på fem ulike cellelinjer isolert fra samme primærtumor fra en BALBc mus. Modellen er mye brukt fordi de fem cellelinjene har svært ulik evne til å metastaserer selv om alle er like gode til å danne primærtumorer i brystanlegg hos BALBc mus. Vi har først studert de fem cellelinjene i kultur og funnet at forsvaret mot oksidativt stress er økt i den metastasike cellelinjen 66cl4 i forhold til den ikke-metastatiske 67NR. Vi ser også at den metastatiske cellelinjen 66cl4 har økt nivå av autofagimarkører ved mild aminosyresult. For å finne hvordan disse cellene er forskjellig genetisk programert har vi valgt en massiv sekvenseringsstrategi. Vi har nå fullsekvensert alle eksoner i 66cl4, 67NR og BALBc mus slik av vi nå har alle unike genetiske endringer i de proteinkodende genene. Vi har også gjennomført mRNA sekvensering av RNA isolert fra cellene i kultur, fra primærtumorer og fra lungemetastaser. Den første bioinformatiske analysen er allerede gjennomført i gruppen til forsker Rolf Skotheim ved Radiumhospitalet. Vi har nå høykvalitetsdata på genetiske- og ekspresjonsforskjeller mellom metastatiske og ikke-metastatiske celler fra samme tumor. Vi har analysert kandidattranskripter for om de er kjent endret og eventuelt har prognostisk betydning i humane tumorer ved bruk av COSMIC og BreastMark databasene. Basert på disse analysene arbeider vi nå med fire ulike prosjekter der PhD-studentene Ulrike Neckman og Jennifer Mildenberger er sentrale prosjektdeltagere: 1) Rollen til konstitutivt økt NRF2 aktivitet i metastatiske tilpasninger; 2) Ligger endringer i selektiv autofagi til grunn for aktivering av IRF3 signalering og konstitutiv ekspresjon av CxCL10, ISG15, Apol9a/b og Usp18 og er dette viktig for evnen til å metastasere? 3) Er den økte ekspresjonen av metalloproteasen MMP3 i 66cl4 i forhold til 67NR viktig for metastatisk evne? 4) Er det selektive aktiveringen av genuttrykket for signaleringsforbindelsen BMP4 viktig for aggressive kreftutvikling i 66cl4 tumorer? Prosjektene gjennomføres ved ulike samarbeider ved NTNU og med kreftforskere i Bergen, Oslo og Tromsø.