Characterizing the impact of the unfolded protein response in glioblastoma via proteomics approaches

Diffuse glioblastoma is one of the most common type of human brain tumors and among the deadliest of all human cancers. Recent studies reveal that the unfolded protein response (UPR) pathway plays an important role in tumor proliferation and therapeutic resistance. Due to this reason, the UPR network has become a potential target for the cancer treatment aiming to induce cancer cell death by activating the UPR apoptosis site. However, little is known about the mechanism how the UPR can affect the outcome of tumor progression as well as tumor resistance against therapeutic treatments. The aim of this study is to perform a comprehensive and system wide investigation of the UPR activation in glioblastoma utilizing state-of-the-art mass spectrometry based proteomics techniques. First, a sensitive and straightforward targeted mass spectrometry method was successfully developed allowing the identification and absolute quantification of low abundant UPR key proteins for the first time. Applying this method, the UPR protein expression level could be quantitatively monitored over the treatment time describing the activation level of UPR under activation. Seconds, together with the research group of Dr. Medenbach at the University of Regensburg, a multi-omics approach in glioblastoma cells describing the mechanism of action of the UPR over time and at multiple biological levels was performed. By combining the transcriptomics and proteomics data, we could detect a group of UPR responsive proteins. Further validation experiments showed alterations in mitochondrial one‐carbon metabolism triggered by UPR activation, too. Moreover, resistance against anti-folate agents interfering directly the mitochondrial one‐carbon metabolism in glioblastoma cells could be observed in UPR activated cells. This finding opens new therapeutic directions and targets in suppressing the development of resistance against cancer therapies. In the final chapter, together with the research group of Dr. Knobbe-Thomsen at the University of Düsseldorf, the impact of UPR induction in treatment with the chemotherapeutic agent bortezomib was investigated in six different glioblastoma cell lines. We could identify clusters of proteins responding specifically either to bortezomib treatment or to ER stress induction. More important, a cluster of proteins showing significant correlation to cell viability under treatment with bortezomib was detected. This indicates a relationship between expression levels of proteins in this cluster and the cellular response to treatment with bortezomib. These proteins and their involving processes could be used as potential targets in therapeutic treatments.

Das Glioblastom ist eine der häufigsten Hirntumorarten. Glioblastoma sind hochgradig maligne und weisen unter allen Krebsarten eine der höchsten Sterberaten auf. Viele Studien haben eine Verbindung zwischen der zugrundeliegenden Entwicklung von Glioblastom-Tumorzellen und der Aktivierung des unfolded protein response (UPR-) Signaltransduktionsprozesses nachgewiesen. Deshalb ist der UPR-Signaltransduktionsprozess zu einem potenziellen Ziel im Kampf gegen die ungehemmte Entwicklung von Tumoren generell und spezifisch von Glioblastoma geworden. Bislang gibt es in der Literatur jedoch nur wenig Informationen über den Mechanismus wie der UPR-Signaltransduktionsprozess die Chemoresistenzen der Tumorzellen beeinflussen kann. Ziel dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung und Quantifizierung des Proteoms nach Aktivierung des UPR-Signaltransduktionswegs mittels Massenspektrometer basierter Technologie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine zielgerichtete Proteomikmethode entwickelt, um die Hauptkomponenten des UPR-Signaltransduktionsprozesses quantitativ zu untersuchen. Mittels der entwickelten Methode konnten zum ersten Mal alle Hauptkomponenten des UPR-Signaltransduktionsprozesses innerhalb einer Messung absolut quantifiziert werden. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit in Kollaboration mit Dr. Medenbach von der Universität Regensburg die Aktivierung des UPR-Signaltransduktionsprozesses in LN-308, eine Glioblastomzelllinie, analysiert. Der entwickelte multi-omischen Ansatz, der Transkriptomik und Proteomik kombiniert, ermöglichte einen systematischen Einblick. Dabei konnte ein Trend beobachtet werden, dass Glioblastomzellen unter UPR Aktivierung Resistenzen gegen über Folsäure-analogen Chemotherapien entwickelten. Dieses Wissen kann zukünftig als wichtige Grundlage für neue Konzepte und Ansätze in der Bekämpfung von Chemoresistenzen in Tumoren dienen. Im letzten Kapitel der Arbeit wurden zusammen mit der Arbeitsgruppe von Dr. Knobbe-Thomsen von der Universität Düsseldorf sechs verschiedenen Glioblastom-Zelllinien unter UPR Aktivierung und unter Behandlung mit einer chemotherapeutischen Substanz, Bortezomib, auf der proteomischen Ebene charakterisiert. Mittels einer sensitiven proteomischen Technik konnten Proteine identifiziert werden, deren Expressionsniveaus eine signifikante Korrelation zu der Vitalität der Zellen zeigte. Diese Proteine bzw. dieses Proteincluster sowie damit verknüpfte biologische Prozesse können als potenzielle Angriffsziele in der Bekämpfung von Chemoresistenzen in Glioblastoma dienen. 

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