Universität zu Köln

Alternative Wege einer endogenen Biosynthese der N-Glycolylneuraminsäure in menschlichen Mammakarzinomzellen

Elstermann, Mirko von (2006) Alternative Wege einer endogenen Biosynthese der N-Glycolylneuraminsäure in menschlichen Mammakarzinomzellen. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    N-Glycolylneuraminsäure gehört zur Klasse der Sialinsäuren, einer Gruppe acidischer Zucker mit einem Grundgerüst aus 9 Kohlenstoffatomen. Sialinsäuren sind von zentraler Bedeutung für das zelluläre System, da sie die terminale Position auf Glykanketten einnehmen. In dieser Position sind sie das erste Molekül, mit dem andere Zelloberflächen- moleküle in Berührung kommen. Neu5Gc und Neu5Ac (N Acetylneuraminsäure) sind in tierischen Organismen die am häufigsten vorkommenden Sialinsäuren; im menschlichen Organismus fehlt Neu5Gc, weil das Enzym, das den letzten Schritt der Neu5Gc-Synthese katalysiert, nicht funktional ist. Deswegen enthalten normale menschliche Zellen keine Neu5Gc, und der Organismus entwickelt Antikörper gegen Glykane, die Neu5Gc enthalten. In be-stimmten Krebsformen läßt sich Neu5Gc wieder auf der Oberfläche detektieren. Die leitende Frage für die vorliegende Arbeit war es, ob es eine endogene Neu5Gc-Synthese gibt. Hierzu wurden Mammakarzinomzellen in tierserumfreien Medium gezogen, um die exogene Zufuhr von Neu5Gc zu stoppen und so einen möglichen endogenen Beitrag am Neu5Gc-Gehalt zu detektieren. Nachdem sichergestellt war, daß auch nach langandauernder serumfreier Kultur ein Teil der Zellen Neu5Gc enthält, bestand der nächste Schritt in einer Suche nach dem endogenen Biosyntheseweg. Es ist hinreichend bekannt, daß gamma-Aminobuttersäure (GABA) in Krebszellen in größerem Umfang vorkommt als in normalen Zellen. Wir versuchten zu verifizieren, ob Neu5Gc durch den Katabolismus des GABA zu Glycolyl-CoA hergestellt wird; nach diesem Abbau könnte die Glycolyl-Gruppe auf Glucosamin übertragen und der Sialinsäurebiosynthese zugeführt werden. Durch Enzym-assays und Radiomarkierung von Metaboliten konnte diese Hypothese bestätigt werden. Anschließend sollten die Befunde durch eine Genexpressionsanalyse validiert werden, da das Vorkommen einiger Formen von Sialinsäuren stark durch eine Hoch- oder Herunterregulierung von Genen beeinflußt wird. Ergebnis der Analyse war, daß zwei der Enzyme, die GABA in den Fettsäuremetabolismus einspeisen, hochreguliert sind; Gene des Zuckerstoffwechsels wiesen allerdings keine Expressionsunterschiede auf. Resümee der vorliegenden Arbeit ist, daß das Vorkommen von Neu5Gc in Krebszellen von mehreren Parametern abhängt, wie etwa dem Vorkommen von GABA und anderen Metaboliten, der Aktivität der Glykosyltransferasen und der Menge an Glykoproteinen, die auf der Zelloberfläche exprimiert werden. Es zeichnet sich ab, daß die endogene Neu5Gc-Synthese Parallelen zur de novo-Synthese einer deaminierten Sialinsäure (KDN) in Krebszellen aufweist. Für KDN wurde gezeigt, daß ihr Gehalt in der Zelle direkt von der Verfügbarkeit von Metaboliten wie Mannose abhängt. Neu5Gc könnte sich ebenso als ein Seitenaspekt des Sialinsäuremetabolismus in humanen Krebszellen erweisen - ohne jene biologischen Funktionen zu besitzen, die sie in tierischen Zellen hat.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    N-Glycolylneuraminic acid (Neu5Gc) belongs to the class of sialic acids, a group of acidic sugars with a nine-carbon atom base structure. Sialic acids are of central importance for cellular functioning because they occupy the terminal position on glycan chains. At this position they are the first molecule encountered by other molecules approaching the cell. Neu5Gc and Neu5Ac (N-Acetylneuraminic acid) are the most abundant sialic acids in animals, but human cells do not possess Neu5Gc because the enzyme responsible for the final step of Neu5Gc synthesis is not functional. Because of this, normal human cells do not contain Neu5Gc and the human body develops antibodies against glycan epitopes containing the carbohydrate. However, in specific types of cancers Neu5Gc is reappearing on the cell surface. The current work addressed the question whether an endogenous cellular biosynthesis of Neu5Gc causes this phenomenon. To elucidate this, cells were grown in medium free of animal components; this was intended to cut off exogenous delivery of Neu5Gc to the cells and to show whether an endogenous source of the carbohydrate exists. Indeed, a subpopulation of breast cancer cells contained Neu5Gc even after long time of growth under serum-free conditions. Next we asked how the cell synthesizes Neu5Gc. It is known that gamma-aminobutyric acid (GABA) is more abundant in cancer cells than in normal cells. Thus, we tried to validate the claim that Neu5Gc is formed by the catabolism of GABA to glycolyl-CoA, after which the glycolyl moiety is transferred to glucosamine and fed into the sialic acid synthesis pathway. We confirmed this hypothesis by enzymatic assays and radiolabelling. Last we tried to corroborate our findings by a gene expression analysis of cancer vs. normal cells as the occurrence of some types of sialic acids has been shown to be affected strongly by up- or down-regulation of genes. Result of our analysis was that the expression of two enzymes feeding GABA into the fatty acid oxidation are up-regulated in cancer cells, but no gene of the sugar or sialic acid metabolism showed expression differences. In sum, Neu5Gc occurrence in human cancer cells depends on several parameters such as GABA abundance and other metabolites present in the cell, activity of glycosyltransferases and amount of glycoproteins expressed on the cell. Neu5Gc turns out to be a metabolic phenomenon which has parallels to another de novo synthesized carbohydrate in human cancer cells, i.e. the deaminated sialic acid KDN (2-Keto-3-deoxy-D-glycero-D-galacto-nononic acid). It has been shown that KDN occurrence in cancer cells is caused by high levels of metabolites such as mannose. Neu5Gc seems to be a similar aspect of cancer cell metabolism, while the molecule does not seem to perform those biological functions which it has in animal cells.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Elstermann, Mirko vonm.vonelstermann@nature.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-20747
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Sialinsäure, Brustkrebs, Biosynthese, Genexpression, TumormarkerGerman
    Sialic acid, breast cancer, biosynthesis, gene expression, tumor markerEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Biochemie II
    Language: German
    Date: 2006
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 25 October 2006
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 10 Jul 2007 08:47:46
    Referee
    NameAcademic Title
    Hanisch, Franz-GeorgProf. Dr.rer.nat.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2074

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