A systems-metabolism approach to identify mitochondria-dependent vulnerabilities in colorectal cancer

识别结直肠癌中线粒体依赖性脆弱性的系统代谢方法

基本信息

  • 批准号:
    10703479
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 38.27万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-09-12 至 2027-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

PROJECT ABSTRACT/SUMMARY During tumorigenesis, mitochondrial function is altered by fusion/fission dynamics that control organelle structure and impact overall cell metabolism. Signaling from oncogenic RAS fragments mitochondrial tubules and causes metabolic changes that support tumor growth. However, the precise role of these oncogene- driven mitochondrial changes on cancer metabolism is unclear, especially when considering the diverse metabolic environments in which tumors develop. For example, colorectal cancer (CRC) initiates in the gut where the microbiota produces high quantities of short chain fatty acids (SCFAs) that are metabolized by normal colonocytes. During CRC tumorigenesis, mutations in the KRAS oncogene occur at the transition to adenomas, suggesting that mitochondrial adaptation in the gut may be critical for progression of primary tumors. And yet, the primary site of CRC metastasis is the liver, which provides a very different set of nutrients for metabolism and growth. Recognizing the complexity of metabolic networks both inside and outside a developing tumor, we propose a systems biology approach to examine the role of RAS-induced mitochondrial fission in CRC. Specifically, our objective is to identify metabolic adaptations that permit mitochondrially fragmented CRC cells to grow in the unique metabolic environment of the gut and metastatic CRC cells to grow in the liver. While the fragmentation of the mitochondrial network can impact tumor metabolism in multiple ways, we hypothesize that RAS-induced mitochondrial fragmentation leads to hyper- compartmentalization of specific metabolic reactions within the mitochondrial matrix that depend on low- abundance mitochondrial proteins. We predict that these adaptations create unique vulnerabilities in CRC cells as they switch from normal SCFA metabolism to promote biosynthesis and energy generation. The specific aims are to 1) curate a metabolic model of human CRC cells that incorporates the system-wide impact of mitochondrial fragmentation and the availability of microbe-derived SCFAs; 2) instantiate metabolic models of CRC with data characterizing in vivo metabolic states to assess impacts of gut microbiota metabolism and mitochondrial fragmentation; and 3) evaluate the impact of metabolic adaptations to mitochondrial organelle stress on CRC colonization and growth as liver metastases. Successful completion of this project will provide a better understanding of CRC metabolism that may one day point to dietary interventions or shifts in the gut microbiota that predictably influence organelle adaptation.
项目摘要/摘要 在肿瘤发生过程中,通过控制细胞器的融合/裂变动力学改变了线粒体功能 结构和影响整体细胞代谢。来自致癌性RAS片段的信号传导线粒体小管 并导致代谢变化支持肿瘤生长。但是,这些癌基因的确切作用 - 癌症代谢的驱动线粒体变化尚不清楚,尤其是在考虑多样化时 肿瘤发展的代谢环境。例如,结直肠癌(CRC)在肠道中启动 其中微生物群产生大量的短链脂肪酸(SCFA),这些脂肪酸(SCFA)由 正常结肠细胞。在CRC肿瘤发生期间,KRAS癌基因的突变发生在过渡到 腺瘤,表明肠道中的线粒体适应可能对原发性进展至关重要 肿瘤。然而,CRC转移的主要部位是肝脏,它提供了一组完全不同的营养素 用于新陈代谢和成长。认识到内外的代谢网络的复杂性 开发肿瘤,我们提出了一种系统生物学方法,以检查RAS诱导的线粒体的作用 CRC的裂变。具体而言,我们的目标是识别允许线粒体的代谢适应 碎片的CRC细胞在肠道和转移性CRC细胞的独特代谢环境中生长至 在肝脏中生长。线粒体网络的碎裂会影响肿瘤代谢 我们假设多种方式,RAS诱导的线粒体片段化导致了高度 线粒体基质中特定代谢反应的分区化,该反应取决于低 - 丰度线粒体蛋白。我们预测这些适应性在CRC中创造了独特的漏洞 细胞从正常的SCFA代谢转换以促进生物合成和能量产生。这 具体目的是1)策划纳入全系统影响的人CRC细胞的代谢模型 线粒体碎裂和微生物衍生的SCFA的可用性; 2)实例化代谢模型 CRC的数据表征了体内代谢状态以评估肠道微生物群代谢和 线粒体碎片; 3)评估代谢适应对线粒体细胞器的影响 CRC定植和生长作为肝转移的压力。该项目的成功完成将提供 对CRC代谢的更好理解,有一天可能要饮食干预或肠道转变 可以预见的会影响细胞器适应的微生物群。

项目成果

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