The mechanism of HAMLET-induced cell death - cellular signalling, oncogenes and clinical perspectives

Abstract

Despite recent advances in cancer treatment, truly innovative approaches are required to move beyond the modest benefits achieved to date. HAMLET is a human protein-lipid complex originally discovered in breast milk able to kill a wide range of tumour cells while leaving healthy, differentiated cells unaffected. The aim of this thesis was to identify mechanisms dictating HAMLET sensitivity and to define the events that lead to cell death in response to HAMLET. In Paper I we show that the properties sensitising cells to HAMLET coincide with the ‘’Hallmarks of cancer’’. Using a combination of shRNA screens, proteomic and metabolomic technology, we identified the c-Myc oncogene and hexokinase as essential determinants of HAMLET sensitivity. HAMLET sensitivity was modified by the glycolytic state of tumor cells and HAMLET induced a metabolic paralysis in tumour cells. In paper II the initiating events for tumour cell death are elucidated. By rapid activation of a single ion channel HAMLET disturbs the flux of cations in tumour cells and subsequent cellular responses are shown to rely on this mechanism for their initiation. Ion fluxes activated p38 MAPK signalling, which was found to be crucially involved in tumour cell death. Paper III identifies oleate as the functional ligand in HAMLET formation and shows that oleate actively contributes to the induction of the cellular response to HAMLET. Both protein and lipid are needed for HAMLET’s tumoricidal effect, however. Finally, in paper IV we identify HAMLET as a new therapeutic agent in colon cancer. HAMLET caused a significant reduction in tumour numbers as well as mortality in mice carrying a human APC mutation. In tumours surviving HAMLET challenge a reduction in onco-protein expression was detected as well as an increase in expression of glycolic enzymes. By long-term prophylaxis, prevention of tumour development was achieved.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Undetermined

1971 förklarade president Richard Nixon, som så många amerikanska presidenter före honom, krig. Nixons fiende var dock något oortodox; Nixon förklarade krig mot cancer. I och med att senaten godkände ”National Cancer Act”, av pressen snabbt döpt till ”War on cancer”, hoppades Nixon att kunna utradera cancer med hjälp av kraftigt ökade anslag till cancerforskning kombinerat med snabba framsteg inom molekylär- och cellbiologi. Självklart har framsteg gjorts, men 40 år senare svårt att se Nixons krig som någon succé. Behandlingsformerna är fortfarande trubbiga och biverkningarna ofta svåra. Så varför är det så svårt att besegra cancer och vad gör en cancercell speciell?



Varje cell har en uppsättning med ritningar i sig, cellens genom (som består av DNA). Genomet innehåller instruktioner, gener, för hur kroppens runt 20 000 olika proteiner ska byggas. I en cancercell har dessa gener förändrats genom så kallade mutationer. En mutation kan ge proteinet nya egenskaper eller göra det obrukbart. En tumörcell karaktäriseras av att den har ackumulerat ett flertal felaktigheter i gener, en process som tar många år, därav är cancer vanligare ju äldre man blir. En cancercell har fått genetiska förändringar som ger den ’’överdrivna’’ egenskaper. Den delar sig ohämmat och har nästan oändligt liv då den är okänslig för stoppsignaler och inte kan begå självmord. Dessutom har cancerceller förmågan att undvika immunförsvaret och att sprida sig till andra delar av kroppen. Vägen från en cell som får sin första mutation till en fullt metastaserande tumör är dock lång och vinglig. Varje cancer i varje patient tycks vara i det närmaste unik. Att prata om exempelvis bröstcancer som en sjukdom blir därför felaktigt. Bröstcancer är egentligen en uppsättning av olika cancerformer beroende på vilka gener som förändrats, och varje unik genuppsättning ger en unik sjukdom, med olika svar på behandling och chanser till överlevnad. Inte nog med att samma tumörtyp skiljer mellan olika patienter, den senaste forskningen visar att även tumörceller från samma patient tycks skilja sig mycket åt. Därför det är så svårt att bota cancer. Vi har inte en enskild sjukdom att besegra, utan ett spektrum av sjukdomar som kan ha mycket litet gemensamt.



Forskningen skapar ständigt nya idéer och möjligheter för cancerbehandling, och det gäller att utveckla dessa till nytta för patienten. I den här avhandlingen presenterar jag vad som skulle kunna kallas “ett magiskt hagelgevär” för cancerceller. HAMLET är ett humant protein-derivat bestående av två i bröstmjölk rikligt förekommande komponenter; proteinet α-laktalbumin och fettsyran oleinsyra. I HAMLET har dessa förenats och bildat en ny veckningsstruktur stabiliserad av fettsyran. Denna nya veckningsstruktur ger i sin tur HAMLET helt nya funktioner jämfört med α-laktalbumin; HAMLET har förmågan att döda en bred grupp av tumörceller från olika organ, med olika genetiska förändringar och från olika organismer. Till skillnad från tumörceller tycks friska celler inte påverkas nämnvärt av HAMLET. Det första arbetet i denna avhandling besvarar frågan – vad gör en tumörcell känslig för HAMLET? Genom att systematiskt slå ut en rad gener i tumörceller visar vi att ett protein kallat c-Myc är en drivande kraft. En av c-Mycs funktioner är att optimera tumörcellens ämnesomsättning för uppbyggnad av nya celler. Vi visar att denna förändrade ämnesomsättning är en nyckel för HAMLET-känslighet samt att HAMLET tycks stänga av tumörcellsmetabolism genom att direkta binda till ett av nyckel-proteinerna för nedbrytande av socker.



HAMLET har tidigare visats påverka en rad viktiga funktioner i cellen men det har tidigare saknats en enhetlig mekanism som förklarar varför och hur HAMLET dödar så många olika typer av tumörceller. I avhandlingens andra arbete studerar vi de första stegen som leder till tumörcellernas död. Vi visar att HAMLET stör tumörcellernas membraner och aktiverar jonkanaler, som ser till att balansen av joner (kalcium, natrium och kalium) hålls på en för cellen hälsosam nivå. HAMLET-behandling leder till att jonkanaler öppnas och obalansen i jonnivåerna drar igång celldödsprogram med proteinet p38 som en viktig komponent. Dessa resultat klarlägger HAMLETs initiala effekter på tumörceller och föreslår också att jonkanaler kan vara attraktiva målmolekyler för cancerterapi. I arbete tre visar vi att både fettsyran och proteinet förklarar HAMLETs egenskaper och att båda är nödvändiga för HAMLETs fulla effekt. Den laddade varianten av fettsyran är också den biologiskt aktiva formen i t.ex. cellupptag, vilket är generellt intressant information kring fettsyrors funktion i celler. Vi har också visat att HAMLET fungerar som terapi mot cancer i tjocktarmen. Möss med en mänsklig genetiska defekt utvecklar spontant tjocktarmscancer. Efter peroral tillförsel av HAMLET kunde vi se en reduktion i antalet tumörer och tumörstorlek. HAMLET var stabilt i tarmen och togs upp i tumörvävnaden. Vi kunde också förebygga tumörutveckling genom att tillföra HAMLET från tidig ålder. Betydelsen av dessa resultat kan inte underskattas. Om resultaten bekräftas i kliniska studier skulle individer genetisk benägenhet för koloncancer kunna erbjudas HAMLET i förebyggande syfte.



Är HAMLET därmed det sista skottet i kriget mot cancern som Nixon startade för 40 år sen? Det återstår att se men i denna avhandling har vi lagt viktiga bitar i HAMLET-pusslet genom att visa på mekanismer för tumörcellers död, egenskaper som gör dem känsliga för HAMLET samt visar att HAMLET är effektivt i en tarmcancermodell.

• author: Storm, Petter
• supervisor: Catharina Svanborg; Hakon Leffler
• opponent: Masucci, Maria, Karolinska Institue
• organization: Division of Microbiology, Immunology and Glycobiology - MIG
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Immunology in the medical area; Microbiology in the medical area
• keywords: HAMLET, cancer, cell death, c-Myc, glycolysis, hexokinase, ion channels, p38 MAPK, lipids, colon cancer, beta-catenin
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2012:51
• pages: 38 pages
• defense location: GK-salen, BMC, Sölvegatan 19, Lund.
• defense date: 2012-06-15 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87189-14-2
• language: Swedish
• LU publication?: yes
• id: bff9a2c0-e76c-495c-841f-d60def9cfcf6 (old id 2540718)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:32:28
• date last changed: 2019-05-22 00:13:25