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Elucidating the role of hypoxia-protective gene CPT1C in cell biology and carcinogenesis


Lohse, Ines. Elucidating the role of hypoxia-protective gene CPT1C in cell biology and carcinogenesis. 2011, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Die Carnitine Palmitoyltransferase 1C (CPT1C) wurde kürzlich als p53-induziertes, hirnspezifisches Mitglied der Carnitine Palmitoyltransferase (CPT) 1 Familie identifiziert. Die Mitglieder der CPT1 Familie regulieren den Import von Fettsäuren in die Mitochondrien und sind der limitierende Schritt der Fettsäureoxidierung. Die physiologischen Funktionen der Leberisoform CPT1A und der Muskelisoform CPT1B sind aufgrund ihrer Beteiligung an der Entstehung von metabolischen Krankheiten gut beschrieben. Im Gegensatz dazu ist die Funktion der Hirnisoform bisher noch ungeklärt. CPT1C konnte in den Neuronen des gesamten Hirnes nachgewiesen werden. Die höchste Konzentration findet sich aber in Hirnarealen welche mit der Regulierung der Nahrungsaufnahme und des Sättigungsgefühls assoziiert sind. Dazu gehören unter anderem der Hypothalamus, die Amygdala und der Hippocampus. Die Expression von CPT1C im Gehirn, einem Gewebe welches normalerweise Fettsäuren nicht als primäre Energiequelle verwendet, deutet auf eine einzigartige Funktion für CPT1C hin. Frühere Studien zeigen das Cpt1c defiziente Mäuse ein reduziertes Körpergewicht haben wenn sie mit einer normalen Diät gefüttert werden. Werden diese Mäuse aber mit einer fettreichen Diät gefüttert, zeigen sie eine signifikante Gewichtzunahme in Kombination mit reduzierter Nahrungsaufnahme und Insulin Resistenz. Die Expression von CPT1C in Hirnarealen welche die Nahrungsaufnahme regulieren und der metabolische Phänotyp der Cpt1c defizienten Mäuse implizieren eine regulatorische Rolle innerhalb der Regulierung der Energie Homeostase für CPT1C. Zusätzlich zur physiologischen Funktion im Gehirn, ist CPT1C auch mit der Krebsentstehung in Verbindung gebracht worden. Es wurde gezeigt, dass CPT1C Expression durch Hypoxie und p53 Stabilisierung induziert wird. Zusätzlich haben Studien gezeigt das CPT1C Expression in Lungentumoren im Vergleich zum Normalgeweben deutlich erhöht ist. CPT1C defiziente Zellen zeigen eine Reduktion der Zellteilung unter hypoxischen Bedingungen. Die hier vorgestellten Resultate zeigen das die Expression von CPT1C durch die Anwesenheit eines upstream open reading frames (uORF) in der 5´UTR reguliert wird. Die Präsenz von einem oder mehreren uORFs konnte in den CPT1C mRNAs von verschiedenen Säugetieren nachgewiesen werde, jedoch nicht in den mRNAs der anderen CPT Isoformen. Unsere Resultate zeigen dass die Translation der CPT1C mRNA durch die Präsenz des uORFs inhibiert wird. Die Translation der CPT1C mRNA wird durch eine Reduzierung der Energiezufuhr und die Aktivität von AMPK aktiviert. Zusätzlich wird die translationelle Inhibierung auch durch die Zufuhr von Palmitat-BSA aufgehoben. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, das CPT1C eine wichtige Rolle in der Regulierung der Energie Homeostase und des peripheren Energieverbrauchs durch das Nervensystem spielt. Die Signalkaskaden welche in diese Regulierung involviert sind, müssen durch weitere Studien etabliert werden. Außerdem haben wir beobachtet dass die Expression von CPT1C durch die Infektion mit HIV induziert. Frühere Studien zeigen dass die Infektion mit HIV zu gravierenden Änderungen im Zell Metabolismus führt, welche die Produktion von neuen HIV Viren zu ermöglichen. Die Veränderungen im Zell Metabolismus führen zu einen Aufregulierung der Fettsäure Oxidation. Die Induktion der CPT1C Expression kann dabei einen Weg zur Umstellung des Metabolismus nach der HIV darstellen. Die Expression von CPT1C wird außerdem durch die Stabilisierung von HIF induziert. In pädiatrischen Hirntumoren koreliiert die Expression von CPT1C mit der Expression von PGK eines HIF-induzierten Genes welcher als Marker für die Tumorhypoxie dient. Die Überexpression von CPT1C in etablierten Brust und Hirn Tumor Zelllinien führt zu verstärkter Zellproliferation und Zellmobilität. Die künstliche Reduzierung von CPT1C durch shRNAs führt zu einer Reduction von Zellproliferation und Motilität. Im Gegensatz zum metastatischen Phänotyp wurde die Reduktion der Zellproliferation unter hypoxischen Bedingungen beobachtet. Tumorzellproliferation und Metastasierung in den hypoxischen Zonen solider Tumore werden hauptsächlich durch den HIF-Transcriptionskomplex reguliert. Die Hypoxie-induzierte Anreicherung von CPT1C könnte eine Möglichkeit darstellen das Überleben von hypoxischen Tumorzellen zu ermöglichen. Unsere Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass CPT1C zur metabolischen Anpassung von hypoxischen Tumor Zellen beiträgt. Die Induktion der CPT1C Expression durch Tumor Hypoxie könnte zur Aktivierung von Signalwegen führen, die Tumor Zellen vor metabolischem Stress schützen. Weitere Studien sind nötig, um die molekulare Funktion von CPT1C und die dem Phänotyp zugrundeliegenden Signalkaskaden etablieren. Eine tiefere Einsicht in die Rolle von CPT1C im Tumorzellmetabolismus könnte zur Entwicklung von neuen Therapieansätzen für die Behandlung von hypoxischen Tumoren führen. The Carnitine Palmitoyltransferase 1c (CPT1C) has recently been identified as a p53- regulated brain-specific Carnitine Palmitoyltransferase (CPT) 1-family member. The CPT1- family of proteins regulates fatty acid oxidation at the step of fatty acid import into the mitochondria. Three CPT1 genes, demonstrating generalized tissue specificity, have been identified in mammals. The physiological roles of CPT1A, the prominent CPT1 gene in liver, and CPT1B, the prominent CPT1 gene in muscle, are well established due to their role in pathogenicity. In contrast, the physiological role of CPT1C remains elusive. Although CPT1C expression is found in neurons throughout the entire brain, CPT1C expression is enriched in brain regions involved in the regulation of peripheral energy expenditure such as hypothalamus, amygdala and hippocampus. Hypothalamic feeding centers contain nutrient-sensitive neurons have been shown to regulate the desire for food intake and satiety in response to peripheral energy expenditure. The localization of CPT1C to brain, a tissue normally not using fatty acids as a primary energy source, suggests a potentially unique function for CPT1C. Cpt1c knock-out mice have been reported to have a reduced body weight on a normal diet, but when fed a diet that is rich in fats, these mice demonstrate an increase in relative body weight concurrent with a reduction in both food intake and insulin resistance. The expression of CPT1C in the hypothalamic feeding centers combined with the metabolic phenotype displayed by knock-out mouse suggest for a regulatory role of CPT1C in peripheral energy sensing and energy homeostasis. In addition to the role of CPT1C in normal brain, CPT1C has also been implicated in carcinogenesis. It has been demonstrated that CPT1C expression is induced by hypoxia and p53-stabilization. It has been shown previously, that CPT1C expression is increased in lung tumor samples if compared to normal tissue. Furthermore, cells depleted from CPT1C display a significant reduction in cell proliferation in response to hypoxia. The results presented here show that CPT1C expression is regulated by the presence of an upstream open reading frame (uORF) located the 5´UTR of the CPT1C mRNA. The presence of one or more uORFs is conserved in CPT1C mRNAs of different species but not within the CPT1 family of proteins. We showed that CPT1C expression is repressed by the presence of the uORF in the feeding state. This translational repression is released in response to reduced energy availability and AMPK activity. Our results furthermore show that the translation of the main ORF is also derepressed in response to Palmitate-BSA treatment. These results further support the hypothesis suggesting that CPT1C plays an important role in the nervous system control of energy homeostasis and peripheral energy expenditure although the involved signaling cascades still need to be established. We observed that CPT1C expression was also induced in response to HIV infection. HIV has been shown to remodel the host cell mechanism to facilitate virus production, which leads to increased β-oxidation rates. Induction of CPT1C expression in response to virus infection might be used to remodel cell metabolism in order to facilitate the production of new viruses. Furthermore, we were able to show that the induction of CPT1C in response to hypoxia was mediated by the Hypoxia-inducible factor (HIF) and that CPT1C expression correlates with the HIF target PGK in pediatric brain tumors. We showed that constitutive expression of CPT1C results in increased levels of cell proliferation and motility in established breast and brain cancer cell lines. Down regulation of CPT1C using shRNAs reduced cell proliferation and motility. In contrast to the metastatic phenotype that was observed under normoxic and hypoxic conditions, the reduction in cell proliferation was only in response to hypoxia. Cancer cell proliferation and metastasis in the hypoxic zone of solid tumors are mainly controlled by the HIF transcription factor complex. Induction of CPT1C expression in response to tumor hypoxia might present a survival mechanism for hypoxic tumor cells. Our results add further evidence to the hypothesis that CPT1C contributes to metabolic adaptation of tumor cells in response to hypoxia. Activation of CPT1C in response to tumor hypoxia might lead to the activation of downstream pathways that serve to protect the cancer cells from metabolic stress. Further studies are necessary to establish the molecular function of CPT1C and the underlying signaling cascades. Understanding the role of CPT1C in cancer cell metabolism might lead to the development of new approaches for the treatment hypoxic tumors.

Abstract

Die Carnitine Palmitoyltransferase 1C (CPT1C) wurde kürzlich als p53-induziertes, hirnspezifisches Mitglied der Carnitine Palmitoyltransferase (CPT) 1 Familie identifiziert. Die Mitglieder der CPT1 Familie regulieren den Import von Fettsäuren in die Mitochondrien und sind der limitierende Schritt der Fettsäureoxidierung. Die physiologischen Funktionen der Leberisoform CPT1A und der Muskelisoform CPT1B sind aufgrund ihrer Beteiligung an der Entstehung von metabolischen Krankheiten gut beschrieben. Im Gegensatz dazu ist die Funktion der Hirnisoform bisher noch ungeklärt. CPT1C konnte in den Neuronen des gesamten Hirnes nachgewiesen werden. Die höchste Konzentration findet sich aber in Hirnarealen welche mit der Regulierung der Nahrungsaufnahme und des Sättigungsgefühls assoziiert sind. Dazu gehören unter anderem der Hypothalamus, die Amygdala und der Hippocampus. Die Expression von CPT1C im Gehirn, einem Gewebe welches normalerweise Fettsäuren nicht als primäre Energiequelle verwendet, deutet auf eine einzigartige Funktion für CPT1C hin. Frühere Studien zeigen das Cpt1c defiziente Mäuse ein reduziertes Körpergewicht haben wenn sie mit einer normalen Diät gefüttert werden. Werden diese Mäuse aber mit einer fettreichen Diät gefüttert, zeigen sie eine signifikante Gewichtzunahme in Kombination mit reduzierter Nahrungsaufnahme und Insulin Resistenz. Die Expression von CPT1C in Hirnarealen welche die Nahrungsaufnahme regulieren und der metabolische Phänotyp der Cpt1c defizienten Mäuse implizieren eine regulatorische Rolle innerhalb der Regulierung der Energie Homeostase für CPT1C. Zusätzlich zur physiologischen Funktion im Gehirn, ist CPT1C auch mit der Krebsentstehung in Verbindung gebracht worden. Es wurde gezeigt, dass CPT1C Expression durch Hypoxie und p53 Stabilisierung induziert wird. Zusätzlich haben Studien gezeigt das CPT1C Expression in Lungentumoren im Vergleich zum Normalgeweben deutlich erhöht ist. CPT1C defiziente Zellen zeigen eine Reduktion der Zellteilung unter hypoxischen Bedingungen. Die hier vorgestellten Resultate zeigen das die Expression von CPT1C durch die Anwesenheit eines upstream open reading frames (uORF) in der 5´UTR reguliert wird. Die Präsenz von einem oder mehreren uORFs konnte in den CPT1C mRNAs von verschiedenen Säugetieren nachgewiesen werde, jedoch nicht in den mRNAs der anderen CPT Isoformen. Unsere Resultate zeigen dass die Translation der CPT1C mRNA durch die Präsenz des uORFs inhibiert wird. Die Translation der CPT1C mRNA wird durch eine Reduzierung der Energiezufuhr und die Aktivität von AMPK aktiviert. Zusätzlich wird die translationelle Inhibierung auch durch die Zufuhr von Palmitat-BSA aufgehoben. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese, das CPT1C eine wichtige Rolle in der Regulierung der Energie Homeostase und des peripheren Energieverbrauchs durch das Nervensystem spielt. Die Signalkaskaden welche in diese Regulierung involviert sind, müssen durch weitere Studien etabliert werden. Außerdem haben wir beobachtet dass die Expression von CPT1C durch die Infektion mit HIV induziert. Frühere Studien zeigen dass die Infektion mit HIV zu gravierenden Änderungen im Zell Metabolismus führt, welche die Produktion von neuen HIV Viren zu ermöglichen. Die Veränderungen im Zell Metabolismus führen zu einen Aufregulierung der Fettsäure Oxidation. Die Induktion der CPT1C Expression kann dabei einen Weg zur Umstellung des Metabolismus nach der HIV darstellen. Die Expression von CPT1C wird außerdem durch die Stabilisierung von HIF induziert. In pädiatrischen Hirntumoren koreliiert die Expression von CPT1C mit der Expression von PGK eines HIF-induzierten Genes welcher als Marker für die Tumorhypoxie dient. Die Überexpression von CPT1C in etablierten Brust und Hirn Tumor Zelllinien führt zu verstärkter Zellproliferation und Zellmobilität. Die künstliche Reduzierung von CPT1C durch shRNAs führt zu einer Reduction von Zellproliferation und Motilität. Im Gegensatz zum metastatischen Phänotyp wurde die Reduktion der Zellproliferation unter hypoxischen Bedingungen beobachtet. Tumorzellproliferation und Metastasierung in den hypoxischen Zonen solider Tumore werden hauptsächlich durch den HIF-Transcriptionskomplex reguliert. Die Hypoxie-induzierte Anreicherung von CPT1C könnte eine Möglichkeit darstellen das Überleben von hypoxischen Tumorzellen zu ermöglichen. Unsere Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass CPT1C zur metabolischen Anpassung von hypoxischen Tumor Zellen beiträgt. Die Induktion der CPT1C Expression durch Tumor Hypoxie könnte zur Aktivierung von Signalwegen führen, die Tumor Zellen vor metabolischem Stress schützen. Weitere Studien sind nötig, um die molekulare Funktion von CPT1C und die dem Phänotyp zugrundeliegenden Signalkaskaden etablieren. Eine tiefere Einsicht in die Rolle von CPT1C im Tumorzellmetabolismus könnte zur Entwicklung von neuen Therapieansätzen für die Behandlung von hypoxischen Tumoren führen. The Carnitine Palmitoyltransferase 1c (CPT1C) has recently been identified as a p53- regulated brain-specific Carnitine Palmitoyltransferase (CPT) 1-family member. The CPT1- family of proteins regulates fatty acid oxidation at the step of fatty acid import into the mitochondria. Three CPT1 genes, demonstrating generalized tissue specificity, have been identified in mammals. The physiological roles of CPT1A, the prominent CPT1 gene in liver, and CPT1B, the prominent CPT1 gene in muscle, are well established due to their role in pathogenicity. In contrast, the physiological role of CPT1C remains elusive. Although CPT1C expression is found in neurons throughout the entire brain, CPT1C expression is enriched in brain regions involved in the regulation of peripheral energy expenditure such as hypothalamus, amygdala and hippocampus. Hypothalamic feeding centers contain nutrient-sensitive neurons have been shown to regulate the desire for food intake and satiety in response to peripheral energy expenditure. The localization of CPT1C to brain, a tissue normally not using fatty acids as a primary energy source, suggests a potentially unique function for CPT1C. Cpt1c knock-out mice have been reported to have a reduced body weight on a normal diet, but when fed a diet that is rich in fats, these mice demonstrate an increase in relative body weight concurrent with a reduction in both food intake and insulin resistance. The expression of CPT1C in the hypothalamic feeding centers combined with the metabolic phenotype displayed by knock-out mouse suggest for a regulatory role of CPT1C in peripheral energy sensing and energy homeostasis. In addition to the role of CPT1C in normal brain, CPT1C has also been implicated in carcinogenesis. It has been demonstrated that CPT1C expression is induced by hypoxia and p53-stabilization. It has been shown previously, that CPT1C expression is increased in lung tumor samples if compared to normal tissue. Furthermore, cells depleted from CPT1C display a significant reduction in cell proliferation in response to hypoxia. The results presented here show that CPT1C expression is regulated by the presence of an upstream open reading frame (uORF) located the 5´UTR of the CPT1C mRNA. The presence of one or more uORFs is conserved in CPT1C mRNAs of different species but not within the CPT1 family of proteins. We showed that CPT1C expression is repressed by the presence of the uORF in the feeding state. This translational repression is released in response to reduced energy availability and AMPK activity. Our results furthermore show that the translation of the main ORF is also derepressed in response to Palmitate-BSA treatment. These results further support the hypothesis suggesting that CPT1C plays an important role in the nervous system control of energy homeostasis and peripheral energy expenditure although the involved signaling cascades still need to be established. We observed that CPT1C expression was also induced in response to HIV infection. HIV has been shown to remodel the host cell mechanism to facilitate virus production, which leads to increased β-oxidation rates. Induction of CPT1C expression in response to virus infection might be used to remodel cell metabolism in order to facilitate the production of new viruses. Furthermore, we were able to show that the induction of CPT1C in response to hypoxia was mediated by the Hypoxia-inducible factor (HIF) and that CPT1C expression correlates with the HIF target PGK in pediatric brain tumors. We showed that constitutive expression of CPT1C results in increased levels of cell proliferation and motility in established breast and brain cancer cell lines. Down regulation of CPT1C using shRNAs reduced cell proliferation and motility. In contrast to the metastatic phenotype that was observed under normoxic and hypoxic conditions, the reduction in cell proliferation was only in response to hypoxia. Cancer cell proliferation and metastasis in the hypoxic zone of solid tumors are mainly controlled by the HIF transcription factor complex. Induction of CPT1C expression in response to tumor hypoxia might present a survival mechanism for hypoxic tumor cells. Our results add further evidence to the hypothesis that CPT1C contributes to metabolic adaptation of tumor cells in response to hypoxia. Activation of CPT1C in response to tumor hypoxia might lead to the activation of downstream pathways that serve to protect the cancer cells from metabolic stress. Further studies are necessary to establish the molecular function of CPT1C and the underlying signaling cascades. Understanding the role of CPT1C in cancer cell metabolism might lead to the development of new approaches for the treatment hypoxic tumors.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Hengartner Michael O, Zaugg Kathrin
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:610 Medicine & health
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2011
Deposited On:25 Feb 2012 20:32
Last Modified:24 Sep 2019 18:28
Number of Pages:101
OA Status:Green
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