Exploring the regulation and function of TIGAR in cancer cells

Abstract

The TP53-Induced Glycolysis and Apoptosis Regulator (TIGAR) gene was described in 2006 by Dr. Karen Vousden's group in response to the induction of the tumour suppressor gene p53. Since then, numerous studies have focused on clarifying the role of this gene in the metabolism of tumour cells. TIGAR was initially described as an enzyme with bisphosphatase activity on fructose-2,6-bisphosphate, a key metabolite in the positive allosteric regulation of phosphofructokinase-1, which catalyses a key reaction in glycolysis. Through this bisphosphatase activity, TIGAR reduces the levels of fructose-2,6-bisphosphate and, consequently, decreases the glycolytic flux and redirects the metabolites to the pentose phosphate pathway, which is determinant for the antioxidant capacity of cells. Overexpression of TIGAR has been described in multiple tumours, as well as in different cell lines, indicating that this gene confers a growth advantage to these cells. The present doctoral thesis has focused on studying the metabolic function of TIGAR in tumours, as well as the mechanisms that regulate its transcription. The study was carried out on cell lines of cervical cancer and lung cancer in which we have been able to confirm that TIGAR exerts a bisphosphatase function on fructose-2,6-bisphosphate. TIGAR has proven to be key in the response of the cervical cancer cell line HeLa to the blockage of glycolysis, either by inhibiting the expression of the PFKFB3 gene by interfering RNA technology, or by blocking the PFK-2 protein by the drug 3PO. The blockage of glycolysis increases oxidative stress and the phosphorylation of the kinase Akt, which is required for the induction of TIGAR. Furthermore, through metabolomic studies we have been able to describe for the first time the involvement of TIGAR in the entrance of pyruvate to the tricarboxylic acid cycle, in the mitochondria. Finally, and in relation to the mechanisms that regulate the transcription of TIGAR, we have proved that the transcription factor Nrf2, key in the regulation of the antioxidant activity of tumour cells, controls the expression of TIGAR in HeLa cells. In lung cancer cells, where the over activation of Nrf2 is related to chemo resistance and radiotherapy, the relationship between Nrf2 and TIGAR seems to be indirect. With the results presented in this doctoral thesis we have contributed to a better understanding of the role of TIGAR in tumour metabolism and have laid the foundations for future studies aimed at blocking this protein in tumours.

El gen TP53-Induced Glycolysis and Apoptosi Regulator (TIGAR) va ser descrit l'any 2006 pel grup de la Dra. Karen Vousden en resposta a l’activació del supressor tumoral p53. Des de llavors, nombrosos estudis s'han centrat en aclarir el paper d'aquest gen en el metabolisme de les cèl·lules tumorals. Inicialment, la funció atribuïda a TIGAR va ser la de bisfosfatasa de la fructosa-2,6-bisfosfat, metabòlit clau en la regulació al·lostèrica positiva de l’enzim fosfofructoquinasa-1, que catalitza la una reacció clau en la glucòlisi. Mitjançant aquesta activitat bisfosfatasa, TIGAR redueix els nivells de fructosa-2,6-bisfosfat i, en conseqüència, frena en flux glicolític i redirigeix els metabòlits a la via de les pentoses fosfat. És per aquest motiu que TIGAR es va descriure com un gen amb capacitat antioxidant. La present tesi doctoral s'ha centrat en estudiar la funció metabòlica de TIGAR en línies tumorals, així com els mecanismes que regulen la seva transcripció. Amb aquests estudis hem pogut demostrar que TIGAR és clar en la resposta de les cèl·lules al bloqueig de la glucòlisi, ja sigui per la inhibició de l'expressió del gen PFKFB3 mitjançant la tecnologia de RNA d'interferència, com pel bloqueig de la proteïna PFK-2 mitjançant el fàrmac 3PO. El bloqueig de la glucòlisi provoca un augment de l'estrès oxidatiu i de la fosforil·lació de la quinasa Akt, necessària per a la inducció de TIGAR.que al seu torn condueix a una inducció de TIGAR. D’altra banda, estudis metabolòmics ens han permès descriure per primera vegada l’acció de TIGAR en nivells inferiors de la glicòlisi, afectant l’entrada del piruvat al cicle de Krebs. Finalment, hem pogut comprovar que el factor de transcripció Nrf2, clau en la regulació de l'activitat antioxidant de les cèl·lules, controla l'expressió de TIGAR en una línia cel·lular de càncer de cèrvix. En cèl·lules de càncer de pulmó, en canvi, la relació entre Nrf2 i TIGAR sembla ser indirecta. Amb els resultats presentats en aquesta tesi doctoral hem contribuït a entendre millor el paper de TIGAR en el metabolisme tumoral i hem establert les bases per a futurs estudis dirigits al bloqueig d'aquesta proteïna als tumors.