Abstract:

Versione in italiano:

La regolazione del metabolismo è intrinseca alla capacità delle cellule di crescere e prosperare in condizioni ambientali mutevoli, e le mitocondri coordinano la maggior parte di queste caratteristiche bioenergetiche. Durante la crescita neoplastica, le cellule devono attuare un complesso rinnovamento metabolico per adattarsi alle condizioni stressanti generate dall'esposizione a una fornitura limitata di ossigeno e nutrienti. Comprendere questi cambiamenti bioenergetici potrebbe aiutare a rivelare nuove opportunità terapeutiche. Abbiamo scoperto che la chaperonina mitocondriale TRAP1 è un regolatore chiave del metabolismo nelle cellule tumorali, dove protegge dagli insulti ossidativi e diminuisce la fosforilazione ossidativa riducendo l'attività della succinato deidrogenasi. Il conseguente aumento di succinato stabilizza HIF1alpha, un regolatore principale delle adattamenti delle cellule tumorali allo stress metabolico, e stabilisce un fenotipo pro-neoplastico. L'espressione di TRAP1 è indotta in diversi tipi di tumori e correlata alla malignità. Questi dati, insieme alle nostre osservazioni che indicano che la sua inattivazione genetica o farmacologica ostacola la crescita tumorale, suggeriscono che TRAP1 sia profondamente coinvolto nel processo neoplastico. Pertanto, comprendere in dettaglio come l'attività di TRAP1 venga regolata nel cancro è fondamentale per sviluppare approcci mirati a interferire con le sue funzioni pro-neoplastiche. È noto che TRAP1 agisce come un dimero, ma recentemente sono stati proposti ulteriori livelli di regolazione di TRAP1, inclusa la formazione di tetrameri, i cui effetti funzionali sono ancora sconosciuti.
In questo progetto ci proponiamo di analizzare i meccanismi attraverso i quali TRAP1 esercita funzioni protettive nelle cellule tumorali esposte a disomostasi redox, una condizione che esse affrontano frequentemente durante la crescita neoplastica, ad esempio quando superano l'apporto sanguigno o durante la chemioterapia. Indagheremo la regolazione fine della tetramerizzazione di TRAP1 per capire se questa modifica sia associata alle sue funzioni pro-neoplastiche, in un quadro concepito in strati successivi di complessità che parte dal livello molecolare e arriva fino agli esperimenti di tumorigenesi. Sfrutteremo mutanti di TRAP1 e un inibitore selettivo di TRAP1 per ottenere una comprensione approfondita dei meccanismi e delle condizioni ambientali che guidano la tetramerizzazione. Adotteremo un insieme di approcci per chiarire come la struttura tetramerica di TRAP1 influenzi la sua funzione e l'interazione con proteine partner, la cui modulazione da parte di TRAP1 influisce sulla tumorigenicità cellulare. Successivamente, utilizzeremo modelli cellulari di sarcoma e melanoma aggressivo nei quali abbiamo precedentemente stabilito l'attività oncogenica di TRAP1 per capire se la tetramerizzazione di TRAP1 sia necessaria per proteggere le cellule dallo stress ossidativo provocato dall'ipossia o dai chemioterapici, contribuendo così alla progressione neoplastica. Prevediamo che collegare una comprensione dettagliata dei cambiamenti strutturali di TRAP1 sotto stress ossidativo con gli effetti funzionali che esercita sulle cellule tumorali possa aprire la strada a nuove e selettive strategie terapeutiche.

English version:

Regulation of metabolism is inherent to cell ability to grow and thrive under changing environmental conditions, and mitochondria coordinate most of these bioenergetic features. During neoplastic growth, cells need to enact a complex metabolic rewiring in order to adapt to stressful conditions generated by exposure to limited supply of oxygen and nutrients. Understanding these bioenergetic changes may help disclose new therapeutic opportunities. We found that the mitochondrial chaperone TRAP1 is a key metabolic regulator of tumor cells, where it protects from oxidative insults and decreases oxidative phosphorylation by down-regulating the activity of succinate dehydrogenase. The consequent surge in succinate establishes a pro-neoplastic phenotype by stabilizing HIF1alpha, a master regulator of tumor cell adaptations to metabolic stress. TRAP1 expression is induced in a variety of tumor types and correlates with malignancy. These lines of evidence, along with our observations indicating that its genetic or pharmacological inactivation hinders tumor growth, argue for TRAP1 being deeply involved in the neoplastic process. Hence, understanding in detail how TRAP1 activity is regulated in cancer is instrumental for drawing approaches aimed at interfering with its pro-neoplastic
functions. It is known that TRAP1 acts as a dimer, but further levels of TRAP1 regulation have recently been proposed, including the formation of tetramers whose functional effects remain unknown.
In this project we aim at dissecting the mechanisms by which TRAP1 exerts protective functions in tumor cells exposed to redox dyshomeostasis, a condition that they frequently face during neoplastic growth, e.g., when they outgrow blood supply or upon chemotherapy. We will investigate the fine regulation of TRAP1 tetramerization for understanding whether this modification is associated with its pro-neoplastic functions, in a framework conceived in stepwise layers of complexity that starts from the molecular level and ends up with tumorigenesis assays. We will take advantage of TRAP1 mutants and of a selective TRAP1 inhibitor to obtain an in-depth comprehension of the mechanisms and environmental conditions driving tetramerization. We will deploy a set of approaches to elucidate how the tetrameric structure of TRAP1 affects its function and binding with interacting proteins whose modulation by TRAP1 influences cell tumorigenicity. We will then use aggressive sarcoma and melanoma cell models in which we have previously established the oncogenic activity of TRAP1 to understand whether TRAP1 tetramerisation is required to protect cells from oxidative stress elicited by hypoxia or chemotherapeutics, thereby contributing to neoplastic progression. We envisage that linking a fine comprehension of the structural changes of TRAP1 under oxidative stress with the functional effects that it exerts on tumor cells could pave the way for novel and selective therapeutic strategies.

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