Einfluss der extrazellulären Gewebeazidose auf die microRNA-Expression in Tumoren und Bedeutung dieser microRNAs für funktionelle Zelleigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Thews
• Fachliche Zuordnung: Anatomie und Physiologie ; Hämatologie, Onkologie ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388523742

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Hintergrund des aktuellen Projekts bilden experimentelle und klinische Befunde, dass das metabolische Mikromilieu eines Tumors das maligne Verhalten (Proliferation, Metastasierung etc.) beeinflusst. Für den Sauerstoffmangel sind diese Zusammenhänge sehr umfangreich untersucht, jedoch ergeben sich zunehmend Hinweise, dass auch der saure extrazelluläre pH-Wert (unabhängig von der Hypoxie) eine wichtige Rolle spielt. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind aber bisher nur unzureichend verstanden. In der Onkologie haben sich in den letzten Jahren auch zahlreiche Hinweise dafür ergeben, dass nicht-kodierende RNA regulierend das biologische Verhalten von Tumoren beeinflusst. Vor diesem Hintergrund beschäftigte sich das aktuelle Projekt mit der Frage, ob eine extrazelluläre Azidose über kleine nicht-kodierende RNAs (miRNAs) zu einer Änderung der Genexpression und funktioneller Eigenschaften (Proliferation, Zelltod, Migration, Adhäsion etc.) in vitro und in vivo beeinflusst, was dann zu einem maligneren Phänotyp des Tumors führen könnte. Die Untersuchungen wurden an verschiedenen Tumorzelllinien sowohl in der Zellkultur als auch in experimentellen Tumoren der Ratte durchgeführt. In vitro wurde hierbei ein extrazellulärer pH-Wert von 6.6 mit Kontrollbedingungen von 7.4 verglichen. In den experimentellen Tumoren wurde eine verstärkte Tumorazidose durch Entkopplung der Atmungskette mit einer gleichzeitigen inspiratorischen Hypoxie erzeugt, wodurch der Gewebe-pH von 7.02 auf 6.48 sank. In den Tumorzellen wurde die Expression von miRNAs, mRNAs und Proteinen bestimmt. Eine funktionelle Analyse erfolgte anhand der Zell-Migration, der Zelladhäsion, der Tumorwachstumsgeschwindigkeit, der Proliferation, der Zellzyklusverteilung sowie durch Bestimmung von Apoptose und Nekrose. Um den Einfluss der miRNAs-Expression zu untersuchen, wurden die Zellen mit Mimics bzw. Inhibitoren der Azidose-regulierten miRNAs transfiziert. Der erniedrigte extrazelluläre pH-Wert führte Zelllinien-unabhängig zu ein Hochregulation der miR-7 sowie einer Erniedrigung der miR-183, miR-203 und miR-215. Gleichzeitig kam es zu einer veränderten Expression zahlreicher Gene, die mit einer Zunahme des malignen Potenzials von Tumoren einhergeht. Für zahlreiche dieser Gene (z.B. Brip1, Gls2, Ikbke, Tlr5, Txnip) führte die Azidose in beiden Zelllinien zu gleichgerichteten Veränderungen, wobei die Expressionsänderung Azidose-spezifisch waren und nicht durch einen O2-Mangel hervorgerufen werden konnten. Für einige Azidose-regulierte Gene, z.B. Brip1 oder Rif1, konnte gezeigt werden, dass eine veränderte Expression von Azidose-regulierten miRNAs zu einer Beeinflussung der Genexpression führte. So wurde beispielsweise die bei Azidose verminderte Expression von Brip1 durch Überexpression der miR-215 ausgeglichen. Auch die Azidose-induzierte verminderte Rif1-Expression normalisierte sich bei Überexpression der pH-abhängigen miR-215. Bei den funktionellen Analysen führte die Überexpression der miR-183 zu einem beschleunigten Tumorwachstum in vivo, oder die miR-203 zu einer Verminderung des G0/G1-Arrests des Zellzyklus. Die miR-183 hatte einen deutlichen Einfluss auf die Zellmigration und die miR-7 auf die Zelladhäsion. Für einzelne Gene konnte eine schlüssige Signalkette von der Azidose über die Änderung der miRNA- und Gen-Expression bis zur Beeinflussung der Zellfunktion gezeigt werden. Für Rif1 beispielsweise führte eine Azidose-induzierte Abnahme der miR-215 zu einer entsprechenden Expressionsänderung und diese wiederum einer Veränderung des Zellzyklus. Auch wenn die vorliegenden Ergebnisse noch keinen Kausalzusammenhang beweisen, legen sie doch den Schluss nahe, dass Azidose-regulierte miRNAs die Genexpression in Tumoren beeinflusst, was wiederum das maligne Verhalten der Zellen verändern kann. Aus den vorliegenden Resultaten scheint sich daher anzudeuten, dass Azidose-regulierte miRNAs für einzelne Gene eine regulierende Funktion in der Signalübertragung zwischen pH-Wert und biologischem Verhalten von Tumorzellen übernehmen. Es zeigte sich aber auch, dass diese Effekte vermutlich keine vorrangige Bedeutung besitzen, und dass andere Signalkaskaden hierbei eine deutlich stärkere Rolle spielen. Trotzdem ergeben sich aus den vorliegenden Resultaten einige interessante Ansatzpunkte zu weiterführenden Untersuchungen zur Beeinflussung der Tumorbiologie durch miRNAs (z.B. durch die miR-7 oder miR-183).

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Tumor acidosis and hypoxia differently modulate the inflammatory program: Measurements in vitro and in vivo. Neoplasia 19: 1033-1042 (2017)
  Riemann A, Reime S, Thews O
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.neo.2017.09.005)
• Expression of MicroRNAs in Fibroblasts and Macrophages Is Regulated by Hypoxia-Induced Extracellular Acidosis. Adv. Exp. Med. Biol. 1072: 207-211 (2018)
  Riemann A, Reime S, Wollny P, Sangerhausen C, Gekle M, Thews O
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-91287-5_33)
• Acidic extracellular environment affects miRNA expression in tumors in vitro and in vivo. Int. J. Cancer 144, 1609–1618 (2019)
  Riemann A, Reime S, Thews O
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ijc.31790)
• Extracellular acidosis modulates the expression of epithelial-mesenchymal transition (EMT) markers and adhesion of epithelial and tumor cells. Neoplasia 21: 450-458 (2019)
  Riemann A, Rauschner M, Gießelmann M, Reime S, Haupt V, Thews O
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.neo.2019.03.004)
• Tumor pH and metastasis: A malignant process beyond hypoxia. Cancer Metastasis Rev. 38, 113–129 (2019)
  Thews O, Riemann A
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10555-018-09777-y)
• Extracellular Acidosis Regulates the Expression of Inflammatory Mediators in Rat Epithelial Cells. Adv. Exp. Med. Biol. 1232: 277-282 (2020)
  Riemann A, Reime S, Gießelmann M, Thews O
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-030-34461-0_35)
• Impact of the acidic environment on gene expression and functional parameters of tumors in vitro and in vivo. J. Exp. Clin. Cancer Res. 40: 10 (2021)
  Rauschner M, Lange L, Hüsing T, Reime S, Nolze A, Maschek M, Thews O, Riemann, A
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1186/s13046-020-01815-4)