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Analysis of metabolic alterations during colorectal cancer development


Fischer, David Jonathan. Analysis of metabolic alterations during colorectal cancer development. 2014, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Zusammenfassung Schon seit Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts ist bekannt, dass Tumoren im Vergleich zu gesundem Gewebe einen veränderten Stoffwechsel haben. Allerdings ist erst während den letzten Jahrzenten bekannt geworden, dass Krebszellen ihren Stoffwechsel als Folge von Anhäufung genetischer Mutationen umprogrammieren können. Entstehung von Darmkrebs ist ein klassisches Beispiel für die Tumorigenese und beschreibt die Entwicklung normaler Schleimhaut über verschiedene Stadien gutartiger Tumoren (Adenomen) hin zu bösartigem Darmkarzinom. Viele der genetischen Veränderungen, die zur Entwicklung dieser einzelnen Stadien führen sind bekannt und für einige der am häufigsten mutierten Gene in Darmkrebs, MYC, TP53 or KRAS, konnte eine Verbindung zu einer Stoffwechseländerung in Krebs nachgewiesen werden. Allerdings ist unklar, wie diese genetischen Faktoren zur Veränderung des Stoffwechsels während der Darmkrebs- entstehung beitragen. Ziel dieser Dissertation ist es, die metabolischen Veränderungen in gutartigen Darmtumoren und Darmkrebs anhand von Metabolomics- und Transcriptomics Analysen explorativ zu untersuchen. Da die Grösse der verwendeten Darmbiopsien sehr klein ist, beschreiben die ersten Kapitel die Entwicklung neuartiger Methoden zur umfassenden Analyse des Metaboloms und Lipidoms aus kleinen Probenmengen. Es wurden zwei sich ergänzende Methoden entwickelt, die auf Kapillarfluss- Flüssigchromatographie, gekoppelt mit Massenspektrometrie (capLCMS) basieren. Beide Methoden konnten eine sensitive Quantifizierung der meisten getesteten Reinsubstanzen im femtomolaren Bereich ermöglichen. Angewendet auf Metabolitenextrakte von Darmgewebe konnten wir zeigen, dass 50% der detektierten Massen in der KEGG Metabolitendatenbank auffindbar waren, ausserdem 700 verschiedene Lipide. Relative Standard- abweichungen der quantifizierten Metaboliten lagen im Bereich zwischen 15 und 20%, was einer reproduzierbaren Methode entspricht und es ermöglicht, die Metabolomunterschiede zwischen Darmkrebs und Normalgewebe zu untersuchen. Desweiteren wird die Entwicklung einer neuen Technik zur Auswertung von LCMS Rohdaten beschrieben. Diese Technik hat das Ziel, Metaboliten mit geringem Vorkommen besser zu detektieren. Anstelle jede einzelne Rohdatei einer LCMS-Analyse individuell zu bearbeiten, ist die Idee dieser Methode, alle gewonnenen LCMS-Daten zusammenzuführen und Metaboliten auf dem so entstandenen kombinierten Datensatz zu identifizieren. Die entwickelte Methode wurde mit einer bestehenden Software, XCMS, verglichen. In diesem Vergleich zeigte sich, dass unsere Methode bis zu zehnmal mehr Metaboliten detektieren kann als XCMS. Darüber hinaus waren die Intensitäten der Metabolitensignale, die nur durch unsere Methode identifizierbar waren, zehnmal geringer. Diese Beobachtungen zeigen, dass der Ansatz, LCMS Daten zusammenzuführen tatsächlich dazu führen kann, Metaboliten mit geringer Menge besser zu detektieren. Anschliessend wurden die entwickelten Metabolomics und Lipidomics Methoden, zusammen mit bereits vorhandenen Transcriptomics Daten dazu verwendet, die Stoffwechseländerungen in Darmkrebs und Darmkrebsvorstufen zu untersuchen. Interessanterweise stellte sich heraus, dass die meisten Änderungen in der Expression von Enzymgenen und die Änderung der Metabolitenkonzentration zwischen Adenom und Darmkrebs sehr ähnlich waren, was erklären würde dass die Änderung im Stoffwechsel schon in frühen Darmkrebsstadien stattfindet. Zu den beobachteten Stoffwechselwegen zählen Glykolyse, Prolin- Serin und Nukleotid- biosynthese, sowie Glutaminstoffwechsel. Die meisten Enzymgene, die in diesen Stoffwechselwegen involviert waren, korrelierten mit der Expression des MYC Gens, ausserdem mit Zielgenen von c-Myc selbst, was darauf hinweist dass diese Gene durch den wnt-Signalweg kontrolliert sind. Andere beobachtete Änderungen in der Genexpression oder in den Metabolitenkonzentrationen waren nur in Darmkrebs zu beobachten, aber nicht in den Adenomen. Hierzu zählt die Hochregulierung der solute carrier Gene SLC7A5, SLC2A3 or SLC2A1, welche für die Aufnahme von Glukose und neutraler Aminosäuren verantwortlich sind. Ausserdem wurde eine Hochregulierung von Genen für die Synthese sehr langer, mehrfach ungesättigter Fettsäuren (VLC-PUFA) gezeigt. Diese Beobachtung wurde dadurch untermauert, dass die Anzahl der meisten Lipidklassen mit konjugierten VLC-PUFA in Darmkrebs zunahm, während Lipide mit kurzen und gesättigten Fettsäuren abnahm. Zusammen verweisen diese Ergebnisse auf eine verstärkte Biosynthese mehrfach ungesättigter Fettsäuren in Darmkrebszellen.

Abstract

Zusammenfassung Schon seit Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts ist bekannt, dass Tumoren im Vergleich zu gesundem Gewebe einen veränderten Stoffwechsel haben. Allerdings ist erst während den letzten Jahrzenten bekannt geworden, dass Krebszellen ihren Stoffwechsel als Folge von Anhäufung genetischer Mutationen umprogrammieren können. Entstehung von Darmkrebs ist ein klassisches Beispiel für die Tumorigenese und beschreibt die Entwicklung normaler Schleimhaut über verschiedene Stadien gutartiger Tumoren (Adenomen) hin zu bösartigem Darmkarzinom. Viele der genetischen Veränderungen, die zur Entwicklung dieser einzelnen Stadien führen sind bekannt und für einige der am häufigsten mutierten Gene in Darmkrebs, MYC, TP53 or KRAS, konnte eine Verbindung zu einer Stoffwechseländerung in Krebs nachgewiesen werden. Allerdings ist unklar, wie diese genetischen Faktoren zur Veränderung des Stoffwechsels während der Darmkrebs- entstehung beitragen. Ziel dieser Dissertation ist es, die metabolischen Veränderungen in gutartigen Darmtumoren und Darmkrebs anhand von Metabolomics- und Transcriptomics Analysen explorativ zu untersuchen. Da die Grösse der verwendeten Darmbiopsien sehr klein ist, beschreiben die ersten Kapitel die Entwicklung neuartiger Methoden zur umfassenden Analyse des Metaboloms und Lipidoms aus kleinen Probenmengen. Es wurden zwei sich ergänzende Methoden entwickelt, die auf Kapillarfluss- Flüssigchromatographie, gekoppelt mit Massenspektrometrie (capLCMS) basieren. Beide Methoden konnten eine sensitive Quantifizierung der meisten getesteten Reinsubstanzen im femtomolaren Bereich ermöglichen. Angewendet auf Metabolitenextrakte von Darmgewebe konnten wir zeigen, dass 50% der detektierten Massen in der KEGG Metabolitendatenbank auffindbar waren, ausserdem 700 verschiedene Lipide. Relative Standard- abweichungen der quantifizierten Metaboliten lagen im Bereich zwischen 15 und 20%, was einer reproduzierbaren Methode entspricht und es ermöglicht, die Metabolomunterschiede zwischen Darmkrebs und Normalgewebe zu untersuchen. Desweiteren wird die Entwicklung einer neuen Technik zur Auswertung von LCMS Rohdaten beschrieben. Diese Technik hat das Ziel, Metaboliten mit geringem Vorkommen besser zu detektieren. Anstelle jede einzelne Rohdatei einer LCMS-Analyse individuell zu bearbeiten, ist die Idee dieser Methode, alle gewonnenen LCMS-Daten zusammenzuführen und Metaboliten auf dem so entstandenen kombinierten Datensatz zu identifizieren. Die entwickelte Methode wurde mit einer bestehenden Software, XCMS, verglichen. In diesem Vergleich zeigte sich, dass unsere Methode bis zu zehnmal mehr Metaboliten detektieren kann als XCMS. Darüber hinaus waren die Intensitäten der Metabolitensignale, die nur durch unsere Methode identifizierbar waren, zehnmal geringer. Diese Beobachtungen zeigen, dass der Ansatz, LCMS Daten zusammenzuführen tatsächlich dazu führen kann, Metaboliten mit geringer Menge besser zu detektieren. Anschliessend wurden die entwickelten Metabolomics und Lipidomics Methoden, zusammen mit bereits vorhandenen Transcriptomics Daten dazu verwendet, die Stoffwechseländerungen in Darmkrebs und Darmkrebsvorstufen zu untersuchen. Interessanterweise stellte sich heraus, dass die meisten Änderungen in der Expression von Enzymgenen und die Änderung der Metabolitenkonzentration zwischen Adenom und Darmkrebs sehr ähnlich waren, was erklären würde dass die Änderung im Stoffwechsel schon in frühen Darmkrebsstadien stattfindet. Zu den beobachteten Stoffwechselwegen zählen Glykolyse, Prolin- Serin und Nukleotid- biosynthese, sowie Glutaminstoffwechsel. Die meisten Enzymgene, die in diesen Stoffwechselwegen involviert waren, korrelierten mit der Expression des MYC Gens, ausserdem mit Zielgenen von c-Myc selbst, was darauf hinweist dass diese Gene durch den wnt-Signalweg kontrolliert sind. Andere beobachtete Änderungen in der Genexpression oder in den Metabolitenkonzentrationen waren nur in Darmkrebs zu beobachten, aber nicht in den Adenomen. Hierzu zählt die Hochregulierung der solute carrier Gene SLC7A5, SLC2A3 or SLC2A1, welche für die Aufnahme von Glukose und neutraler Aminosäuren verantwortlich sind. Ausserdem wurde eine Hochregulierung von Genen für die Synthese sehr langer, mehrfach ungesättigter Fettsäuren (VLC-PUFA) gezeigt. Diese Beobachtung wurde dadurch untermauert, dass die Anzahl der meisten Lipidklassen mit konjugierten VLC-PUFA in Darmkrebs zunahm, während Lipide mit kurzen und gesättigten Fettsäuren abnahm. Zusammen verweisen diese Ergebnisse auf eine verstärkte Biosynthese mehrfach ungesättigter Fettsäuren in Darmkrebszellen.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Jiricny Josef, Laczko Endre
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2014
Deposited On:02 Apr 2019 15:51
Last Modified:15 Apr 2021 15:01
Number of Pages:126
OA Status:Green

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