Caracterización del gen Nampt en el proceso de patogénesis tumoral, valoración diagnóstica, pronóstica y como diana terapeútica.

Abstract

El cáncer es una enfermedad genética compleja donde el metabolismo juega un papel fundamental. Las reacciones de reducción-oxidación son fundamentales para generar energía en forma de ATP desde los nutrientes que adquirimos en la dieta. La oxidación de dichos nutrientes genera cofactores reducidos, donde el NADH es uno de los más importantes al ser un cofactor esencial en la degradación no oxidativa de la glucosa. Esta degradación no oxidativa se conoce como glicólisis anaerobia. El proceso de patogénesis o iniciación tumoral que da lugar al cáncer es un proceso multifásico. Todas las características del fenotipo tumoral tienen en común la dependencia del reciclaje de NAD+ como principal intercambiador de electrones en las reacciones de reducción-oxidación de las que dependen. La nicotinamida fosforribosil transferasa (NAMPT) es el enzima limitante de la vía de rescate de generación del NAD+. Esta vía es el centro de actividad mayoritaria de síntesis de NAD+ celular. Por ello este enzima es el mayor contribuyente al mantenimiento, reciclaje y homeostasis de NAD+. NAMPT se encuentra expresado en todos los tejidos, con mayores niveles en médula ósea, hígado y células de fibras musculares, donde el aporte energético es mayor. NAMPT se encuentra sobreexpresado en muchos tipos de cáncer. Estos incluyen cáncer de mama, colon, próstata, tiroides, estómago y algunos tipos de cáncer hematopoyéticos. En algunos tipos de cáncer, como los sarcomas y los carcinomas gástricos, tiroideos y prostáticos, NAMPT correlaciona con una mayor capacidad invasiva del tumor. Además, la expresión de NAMPT también correlaciona con un mayor potencial metastásico y mayor resistencia a la quimioterapia. En este trabajo decidimos analizar en profundidad el papel de NAMPT en los procesos de proliferación cellular, “stemness” y evasión de la apoptosis así como estudiar el mecanismo molecular a través del cual NAMPT puede intervenir en estos procesos. Para ellos nos centramos en vías donde la desacetilación, ADP ribosilación y la regulación del metabolismo dependientes de NAD+ juegan un papel importante. Elegimos como modelo dos tumores de origen diferente, uno epithelial (cáncer colorectal) y otro de origen mesenquimal glioblastoma). Encontramos que tanto en glioma como en cáncer de colon, la obreexpresión de NAMPT es un factor de mal pronóstico en la supervivencia del paciente. Hemos encontrado que en todos los modelos analizados, tanto in vivo (tumores humanos y xenoinjertos) como in vitro, la sobreexpresión de NAMPT dió lugar a un incremento de las propiedades tumorigénicas tales como aumento de la velocidad de crecimiento, incremeneto de la capacidad de invasión, incremento a la resistencia a muerte celular y a un incremento de las propiedades de célula madre del cáncer. Hemos encontrado que, además, la sobreexpresión de NAMPT provoca un incremento del fenotipo de célula madre del cáncer, induciendo la transcripción del núcleo de genes que mantienen la pluripotencia e inducen desdiferenciación celular, promoviendo además la transición epitelio-mesénquima, paso crucial en el desarrollo de metástasis. Para ello, la expresión de NAMPT asocia con la activación de principales vías de señalización que median el fenotipo de célula mádre del cáncer: Notch, Hippo, Sonic Hedgehog y Wnt. La quimioresistencia a fármacos se debe, en parte, al aporte metabólico producido por NAMPT. son capaces de adquirir una mayor quimioresistencia a fármacos. De hecho, muchos de los procesos de detoxificación celular y reparación del ADN son dependientes de NAD+. Esto refuerza la hipótesis de que NAMPT es un potente oncogén implicado en diversos procesos celulares que ayudan al desarrollo y mantenimiento del fenotipo tumoral. El fenotipo tumoral mediado por NAMPT tiene una principal contribución a través del restablecimiento metabólico de la reserva y reciclaje de NAD+, en particular gracias al restablecimiento mediado por su producto enzimático, la nicotinamida mononucleótido (NMN). En todos los casos hemos encontrado una mejor respuesta a los tratamientos estándar para Glioma y Cáncer de Colon en combinación con la inhibición de NAMPT, con importantes resultados sobre la toxicidad inducida directamente a las células madre del cáncer. Todos estos datos indican que NAMPT puede aplicarse en la clínica como un diana terapéutica en estos tipos de cáncer, en tratamientos personalizados tanto en monoterapia como en combinación, habiendo demostrado un potencial efecto terapéutico sobre las células madre del cancer in vitro.

Cancer is a genetically complex disease where cellular metabolism plays a key role on its establishment. In order to generate ATP-derived energy from our dietary intake, oxidation-reduction reactions are ultimately essential. The oxidation of such nutrients generate reduced cellular cofactors where NADH is listed as one of the most important due to its essential role within non-oxidative glucose degradation. This non-oxidative degradation is known as anaerobic glycolysis. Tumor initiation process that eventually sets the basis to Cancer disease is a multistep process. Every single feature involving the biology of the tumor phenotype have in common NAD+ pool recycling dependence as a main electron exchanger within oxidation-reduction reactions that they rely on. Nicotinamide phosphoribosyl transferase (NAMPT) is the rate-limiting enzyme of the Salvage pathway in cellular NAD+ biosynthesis. This pathway is the main source for NAD+ synthesis. As a consequence, this enzyme plays a key role in NAD+ pool maintenance, recycling and homeostasis. NAMPT is expressed in all tissues, with higher levels in bone marrow, liver and muscle myocytes, where the metabolic requirements are higher. NAMPT is also over-expressed in many cancer types. These include breast, colon, prostate, thyroid, stomach and some hematological cancers. In some cancer types like sarcomas and gastric, thyroid and prostatic carcinomas, NAMPT correlates with enhanced tissue invasion capability. Besides, NAMPT expression also correlates with enhanced metastatic potential and greater chemo resistance capability. In this work we decide to further analyze NAMPT role in cellular proliferation rate processes and apoptosis evasion as well as studying the molecular mechanism underlying NAMPT, which may be ultimately linked to the aforementioned processes. To this end, we explore pathways where NAD+ dependent deacetylation, ADP-ribosylation and metabolic regulation may play an important role in Cancer. For this, we choose as a model two tumors with different origins, an epithelial one (colon cancer) and a mesenchymal one (glioblastoma). We find that in both cancer types, glioma and colon cancer, NAMPT overexpression is a poor prognosis factor regarding patient survival. We find in every single analyzed model, either in vivo (human tumors and xenografts) or in vitro (cell lines), that NAMPT over expression results in a increase of tumorigenic properties such: increased rate of growth, increased invasiveness, increased resistance to cell death, and an increase in cancer stem cell properties. Furthermore, we have found that NAMPT overexpression results in an increase of the cancer stem cell phenotype, leading to the transcription of the main core of genes driving pluripotency and inducing cell dedifferentiation. Besides, NAMPT over expression promotes epithelial-mesenchymal transition, crucial step in metastases development. For this, NAMPT associates with the activation of main signaling pathways controlling cancer stem cell like properties: Notch, Hippo, Sonic and Wnt. This phenotype is partially achieved as a consequence to the metabolic support given by NAMPT, ultimately acquiring a higher chemo resistance to treatments. In fact, many cellular detoxifying processes and DNA repair systems rely on NAD+ pool recycling. Altogether, these data reinforce the hypothesis that NAMPT may be a potent oncogene involved in different cellular processes helping to develop and maintain the tumor phenotype. Indeed, the tumor phenotype mediated by NAMPT has a major contribution through metabolic reestablishment of NAD+ pool recycling, in particular through its metabolic product Nicotinamide Mononucleotide (NMN). In all cases we have found a better treatment response to standard treatment for glioma and colon cancer, using the NAMPT inhibitor, with great results over toxicity induced directly to cancer stem cells, recovering chemo sensibilization. Altogether, these data indicate that NAMPT can be applied on the clinic as a therapeutic marker in these cancer types, using personalized treatments in either combination or monotherapy, being demonstrated a potential therapeutic effect over cancer stem cells.