Metabolic systems analysis of breast epithelial cells following epithelial-to-mesenchymal transition

Abstract

Breast cancer is a heterogenous disease in which the mechanism for signalling, gene expression, metabolism and growth in breast tissue is deranged. Breast cancer is responsible for the death of over 600,000 people worldwide on a yearly basis. By investigating cellular processes in normal breast tissue, one may gain further insight into the pathophysiology of breast cancer. In this thesis, the main focal point was a developmental process called epithelial-to-mesenchymal transition (EMT), which has been shown to be fundamental for cancer dissemination. More specifically, the metabolic alterations following this process in breast epithelial cells were investigated. This thesis is in three parts. In the first part,13C isotope tracer analysis was used to characterize the metabolic differences that occur following EMT of the breast epithelial cell line D492. The results showed that following EMT, the breast cell line reduced its glycolytic activity and enhanced the reductive carboxylation of glutamine. Furthermore, the redox metabolism was affected, with glutathione synthesis being decreased significantly, which was found to affect the drug sensitivity of the cells. In the second part of the thesis, the capability of genome-scale metabolic models (GSMMs) to predict the metabolic alterations following EMT of the D492 cell line was investigated. Different types of omics data were used to constrain the GSMM, where the results showed that the models constrained with proteomic data were the most accurate in metabolic flux predictions when compared to results from a 13C isotope tracer analysis. The proteomic GSMMs were analysed in more detail to identify metabolic vulnerabilites of the cells, which were confirmed in vitro. Finally, proteomic data from breast cancer patients werre used to constrain the GSMM, which helped to identify subtype-specific prognostic markers of breast cancer patient survival. In the third and final part of the thesis, the role of the enzyme GFPT2 in EMT and breast tumourigenesis was investigated. A proteomic analysis of the D492 cell line (i) before EMT, (ii) after EMT and (iii) after overexpression of the HER2 oncogene revealed that protein levels of GFPT2 were highly correlated with the EMT status of the cell lines. Further molecular biology experiments and bioinformatic analyses revealed that GFPT2 was important for glycan metabolism and the oxidative stress response of the cells during EMT and tumourigenesis. In summary, the results presented in this thesis increase our knowledge about the metabolic reprogramming that occurs following EMT in breast cells, and how it relates in part to the altered drug sensitivity of the cells. It was also demonstrated how useful omics data-constraned GSMMs may be in studying the metabolism of both normal and tumourigenic breast tissue

Brjóstakrabbamein er margþættur sjúkdómur þar sem boðskiptaferli, genatjáning, efnaskiptaferli og vaxtarferli í brjóstavef eru gölluð. Sjúkdómurinn veldur dauða yfir 600,000 manns í heiminum á ári hverju. Með því að rannsaka líffræðileg ferli í eðlilegum brjóstavef fæst betri innsýn í meinafræði brjóstakrabbameins. Í þessari ritgerð var einblínt á þroskunarfræðilegt ferli sem nefnist bandvefsumbreyting sem talin er nauðsynlegt fyrir myndun meinvarpa. Sérstaklega var einblínt á efnaskiptabreytingar samhliða þessu ferli í brjóstaþekjufrumum. Ritgerðin skiptist í þrjá hluta. Í fyrsta hlutanum var 13C samsætugreiningu notuð til að skilgreina efnaskiptabreytingar sem gerast samhliða bandvefsumbreytingu D492 brjóstaþekjufrumulínunnar. Niðurstöður sýndu að frumulínan minnkaði sykurrofsvirkni og jók afoxandi karboxýleringu amínósýrunnar glútamíns. Aukinheldur breyttust efnaskipti oxun/afoxunarhvarfa, þar sem meðal annars myndun glútaþíóns minnkaði umtalsvert sem hafði bein áhrif á lyfjanæmni frumnanna. Í öðrum hluta ritgerðarinnar var notkunargildi efnaskiptalíkana til að spá fyrir um efnaskipti D492 frumulínunnar fyrir og eftir bandvefsumbreytingu skoðuð. Mismunandi mengjagögn voru notuð til að skorða líkönin. Líkön skorðuð með próteinmengjagögnum reyndust nákvæmust í spám á flæðigildum efnahvarfa, samanborið við niðurstöður úr 13C samsætugreiningum. Frekari greining á líkönum skorðuð með próteinmengjagögnum sýndi fram á nýtanlega veiklun í efnaskiptum frumnanna sem staðfest voru með frumulíffræðitilraunum. Að lokum voru próteinmengjagögn úr brjóstakrabbameinsæxlum úr sjúklingum notuð til að skorða efnaskiptalíkanið, sem sýndi fram á mögulega lífvísa fyrir lifun brjóstakrabbameinssjúklinga í mismunandi undirflokkum. Í þriðja og síðasta hluta ritgerðarinnar var hlutverk GFPT2 ensímsins í bandvefsumbreytingu og æxlismyndun í brjóstavef rannsakað. Greining á próteinmengi D492 frumulínunnar (i) fyrir bandvefsumbreytingu, (ii) eftir bandvefsumbreytingu og (iii) eftir oftjáningu æxlisgensins HER2 leiddi í ljós jákvætt samband milli próteinmagns GFPT2 ensímsins og bandvefsumbreytingarstöðu frumulínanna. Frekari sameindalíffræðilegar og lífupplýsingafræðilegar rannsóknir bentu á að GFPT2 var mikilvægt fyrir fjölsykruefnaskipti og svörun frumnanna við oxunarálagi við bandvefsumbreytingu og æxllismyndun. Niðurstöður verkefnisins hafa aukið skilning okkar á þeim efnaskiptabreytingum sem eiga sér stað við bandvefsumbreytingu brjóstaþekjufrumna og hvernig þær hafa áhrif á lyfjanæmni þeirra. Einnig er hér sýnt fram á hve gagnsöm efnaskiptalíkön skorðuð af mengjagögnum geta verið þegar kemur að því að rannsaka efnaskipti bæði eðlilegs brjóstaþekjuvefs og brjóstakrabbameins.