Opin vísindi

Systems biology of human metabolism - Defining the epithelial to mesenchymal transition and the activity of human gluconokinase

Systems biology of human metabolism - Defining the epithelial to mesenchymal transition and the activity of human gluconokinase


Titill: Systems biology of human metabolism - Defining the epithelial to mesenchymal transition and the activity of human gluconokinase
Aðrir titlar: Kerfislíffræði efnaskipta: Að leggja skilning á bandvefslíka umbreytingu og Glúkonókínasa með notkun skorðaðra líkana og skammtastilltri jafnhita-varmamælingu
Höfundur: Rohatgi, Neha   orcid.org/0000-0003-1103-0259
Útgáfa: 2016-12
Tungumál: Enska
Háskóli/Stofnun: Háskóli Íslands
University of Iceland
Svið: Heilbrigðisvísindasvið (HÍ)
School of Health Sciences (UI)
Deild: Læknadeild (HÍ)
Faculty of Medicine (UI)
ISBN: 9789935931993
Efnisorð: Metabolism; Constraint based metabolic modeling; Epithelial to mesenchymal transition (EMT); Gluconate; Isothermal titration calorimetry (ITC); Efnaskipti; Bandvefur; Efnafræði; Ensím; Doktorsritgerðir
URI: https://hdl.handle.net/20.500.11815/157

Skoða fulla færslu

Útdráttur:

 
Studying human metabolism is crucial for the understanding of diseases and improvement of therapy as metabolic alterations are central to a number of human diseases. A variety of experimental disciplines, such as biochemistry, biophysics and systems biology are involved in the elucidation of metabolic pathways. The work presented in this thesis is divided into three main studies, which expand the knowledge of human metabolism using systems biology and biochemical techniques. In the first study presented in this thesis, constraint-based modeling was used to investigate metabolic changes during epithelial to mesenchymal transition (EMT), which is a developmental process where epithelial cells dedifferentiate into mesenchymal-like cells. Dysregulation of EMT has been associated with cancer metastasis. Context-specific genome-scale metabolic models were derived from a generic human metabolic model using transcriptomic and extracellular metabolomics data from isogenic breast epithelial cell lines (D492 and D492M), which allowed in silico predictions of the metabolic changes during EMT. The models revealed differences in the central carbon metabolism along with different utilization of amino acids in the two cell lines. In silico gene essentiality analysis predicted that components of the SLC7A5 subunit of the large neutral amino acid transporter LAT1 was exclusively essential for mesenchymal cell survival. This study presented a platform for further studies on EMT. Further, the predicted metabolic targets can aid the development of novel cancer therapeutics. In the second study, the effects of a novel human metabolic enzyme, gluconokinase, was investigated. Despite the presence of gluconate in human bio-fluids and its widespread use in food and pharmaceutical industry, the details of gluconate metabolism in humans is relatively unexplored. Reactions specific for consumption of gluconate were added to a red blood cell metabolic model, in order to evaluate the impact of gluconate on human metabolism. It was found that adding gluconokinase to the model affects NADPH production in red blood cells, which in turn is closely associated with oxidative stress regulation and fatty acid metabolism in the cells. The computational simulations demonstrated that gluconokinase activity has significant effects on the overall metabolism of the cell and is worth investigating further. In the final study, kinetic parameters of human gluconokinase were determined using isothermal titration calorimetry (ITC) along with the mechanism of the reaction. The results establish that the reaction follows a ternary complex mechanism with ATP being the first binding substrate and gluconate displaying substrate inhibition. This study demonstrated that ITC could be used as a tool to determine mechanisms of enzyme catalyzed reactions along with kinetic parameters. The studies presented in this thesis emphasize that traditional biochemical assays and advanced systems biology methods are complementary tools, which allow a more complete understanding of human metabolism.
 
Rannsóknir á efnaskiptum eru nauðsynlegar til að skilja undirliggjandi forsendur sjúkdóma og til að efla lyfjameðferðir þar sem breytingar í efnaskiptaferlum eru miðlægar í mörgum sjúkdómum. Margar aðferðafræðilegar nálganir á borð við lífefnafræði, lífeðlisfræði og kerfislíffræði eru notaðar til greininga efnaskiptaferlum. Þessari ritgerð er skipt í þrjá hluta sem fjalla á ólíkan hátt um efnaskipti í mannafrumum með kerfislíffræðilegum- og lífefnafræðilegum aðferðum. Fyrsta rannsóknin fjallar um notkun skorðaðra efnaskiptalíkana til rannsókna á breyttum efnaskiptaferlum við bandvefsumbreytingu (epithelial to mesenchymal transition - EMT). EMT er vel þekkt ferli í fósturþroskun þar sem þekjuvefs frumur umbreytast í bandvefslíkar frumur. Brenglun á EMT ferlinu hefur verið tengt myndun meinvarpa í brjóstakrabbameinum. Sérhæfð efnaskiptalíkön byggð á gögnum um genatjáningu og mælingar á upptöku og seytingu næringarefna frá brjóstaþekjufrumulínunni D492 og bandvefslíkri dóttufrumulínu hennar D492M. Með notkun þessara efnaskiptalíkana er mögulegt að spá fyrir um breytingar í innanfrumu efnaskiptaferlum sem verða við bandvefsumbreytingu. Líkönin benda til þess að munur sé í miðlægum kolefnis efnaskiptum ásamt breytilegri nýtingu amínósýra milli frumulínanna tveggja. Greiningu á lífsnauðsynlegum genum fyrir hvora frumulínu „in Silico“ bendir til þess að SLC7A5 undireiningin í LAT1 amínósýruferjunni sé nauðsynlegur fyrir lifun bandvefslíkra frumna en ekki nauðsynlegur fyrir þekjuvefsfrumur. Aðferðafræðin sem notast var við í þessari rannsókn getur nýst við frekari rannsóknir á bandvefsumbreytingu. Gögnin sem kynnt eru í þessari rannsókn má nýta til að spáð fyrir um ný möguleg lyfjamörk til krabbameins meðferða. Í annari rannsókninni er fjallað um nýlega skilgreint efnaskiptaensím í mönnum, glúkonókínasa. Þrátt fyrir tilvist glúkonats í líkamsvessum og útbreidd a notkun þess í matar- og lyfjaiðnaði, hafa efnaskipti glúkonats í mönnum verið lítt rannsökuð. Efnahvörf sem miða að niðurbroti glúkonats var bætt við efnaskiptalíkan rauðra blóðkorna til þess að meta vægi glúkonats í efnaskiptum manna. Með því að bæta við efnaskiptaferlum fyrir niðurbrot glúkonats komu fram breytingar á NADPH framleiðslu, sem er tengt við stýringu oxunarálags og fitusýruefnaskiptum þeirra. Tölvulíkönin sýna fram á að glúkonókínasa virkni hefur marktæk áhrif á efnaskiptaferla og er vert frekari rannsókna. Seinasta rannsóknin snýst um að mæla parametra hreyfiorkunnar fyrir glúkónokínasa með skammtastilltri jafnhita-varmamælingu (ITC) ásamt greiningu hvarfgangs. Niðurstöðurnar sýna að hvarfgangurinn myndar þríundarklósamband við ATP sem fyrsta hvarfefni og að glúkonat sýnir hvarfefnahindrun. Þessi rannsókn sýnir að skammtastillt jafnhitavarmamæling getur verið gagnlegt til að ákvarða hvarfgang ensím-hvataðra hvarfa ásamt því að skilgerina parametra hreyfiorkunnar. Rannsókninar sem notaðar eru í þessari ritgerð renna stoðum undir að hefðbundin lífefnafræði og kerfislíffræði eru samfallandi aðferðir sem leyfa dýpri og öflugri skilning á efnaskiptaferlum.
 

Leyfi:

Thesis for a doctoral degree at the University of Iceland. All right reserved. No part of this publication may be reproduced in any form without the prior permission of the copyright holder.

Skrár

Þetta verk birtist í eftirfarandi safni/söfnum:


Fletta

Um vefinn

Reikningurinn minn