Kevin Heimberger

• Colon carcinomas (CRC) are statistically among the most fatal cancer types and hence one of the top reasons for premature mortality in the developed world. CRC cells are characterized by high proliferation rates caused by deregulation of gene transcription of proto-oncogenes and general chromosomal instability. On macroscopic level, CRC cells show a strongly altered nutrient and energy metabolism. This work presents research to understand general links between the metabolism and transcription alteration. Mainly focussing on glutamineColon carcinomas (CRC) are statistically among the most fatal cancer types and hence one of the top reasons for premature mortality in the developed world. CRC cells are characterized by high proliferation rates caused by deregulation of gene transcription of proto-oncogenes and general chromosomal instability. On macroscopic level, CRC cells show a strongly altered nutrient and energy metabolism. This work presents research to understand general links between the metabolism and transcription alteration. Mainly focussing on glutamine dependency, shown in colon carcinoma cells and expression pathways of the pro-proliferation protein c-MYC. Previous studies showed that a depletion of glutamine in the cultivation medium of colon carcinoma cell lines caused a proliferation arrest and a strong decrease of overall c-MYC levels. Re-addition of glutamine quickly replenished c-MYC levels through an unknown mechanism. Several proteins altering this regulation mechanism were identified and proposed as possible starting point for further in detail studies to unveil the precise biochemical pathway controlling c-MYC translation repression and reactivation in a rapid manner. On a transcriptional level the formation of RNA:DNA hybrids, so called R-loops, was observed under glutamine depleted conditions. The introduction and overexpression of RNaseH1, a R-loop degrading enzyme, in combination with an ectopically expressed c-MYC variant, independent of cellular regulation mechanisms by deleting the regulatory 3’-UTR of the c-MYC gene, lead to a high rate of apoptotic cells in culture. Expression of a functionally inactive variant of RNaseH1 abolished this effect. This indicates a regulatory function of R-loops formed during glutamine starvation in the presence of c-MYC protein in a cell. Degradation of R-loops and high c-MYC levels in this stress condition had no imminent effect on the cell cycle progression is CRC cells but disturbed the nucleotide metabolism. Nucleotide triphosphates were strongly reduced in comparison to starving cells without R-loop degradation and proliferating cells. This study proposes a model of a terminal cycle of transcription termination, unregulated initiation and elongation of transcription leading to a depletion of energy resources of cells. This could finally lead to high apoptosis of the cells. Sequencing experiments to determine a coinciding of termination sites and R-loop formation sides failed so far but show a starting point for further studies in this essential survival mechanism involving R-loop formation and c-MYC downregulation.…
• Darmkrebs gehört statistisch zu den Krebsarten mit den höchsten Sterblichkeitsraten und zählen somit zu den häufigsten Todesursachen der entwickelten Länder. Darmkrebszellen zeichnen sich durch chromosomale Instabilität und hohe Proliferationsraten aus, die durch eine Deregulierung der Expression verschiedener Proto-Onkogene zustande kommen. Generell besitzen diese Krebszellen einen stark veränderten Nährstoff- und Energiestoffwechsel im Vergleich zu gesunden somatischen Zellen. Diese Arbeit strebt ein besseres Verständnis der VerbindungDarmkrebs gehört statistisch zu den Krebsarten mit den höchsten Sterblichkeitsraten und zählen somit zu den häufigsten Todesursachen der entwickelten Länder. Darmkrebszellen zeichnen sich durch chromosomale Instabilität und hohe Proliferationsraten aus, die durch eine Deregulierung der Expression verschiedener Proto-Onkogene zustande kommen. Generell besitzen diese Krebszellen einen stark veränderten Nährstoff- und Energiestoffwechsel im Vergleich zu gesunden somatischen Zellen. Diese Arbeit strebt ein besseres Verständnis der Verbindung zwischen dem Metabolismus und der Gen-Expression an. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf dem Mechanismus der Expression des proliferationsfördernden Proteins c-MYC und der Abhängigkeit von Glutamin, die Darmkrebszellen charakterisiert. Frühere Studien haben gezeigt, dass der Entzug von Glutamin aus dem Kulturmedium von Darmkrebszelllinien eine Arretierung des Zellzyklus bewirkt sowie die Konzentration des Proteins c-MYC reduziert. Erneute Zugabe von Glutamin zum Medium stellt die MYC-Konzentration schnell wieder her. Die Hintergründe dieses Mechanismus sind bislang aber kaum verstanden. Einige Proteine wurden hier als potenzielle Kandidaten identifiziert, die einen Einfluss auf den biochemischen Prozess haben könnten, der die schnelle Wiederaufnahme der c-MYC Translation gewährleistet. Auf Translationsebene wurden RNA:DNA-Hybriden, sogenannte R-loops, gefunden, die sich unter anderem unter Glutamin-Mangelbedingungen im Genom bilden können. Ein gezielter Abbau dieser R-loops mithilfe des Enzyms RNaseH1, in Kombination mit der ektopischen Expression einer c-MYC-Variante, die unempfindlich gegenüber der zelleigenen Regulationsmechanismen ist, führte zu einer erhöhten Anzahl an apoptotischen Zellen in Kultur. Exprimiert man eine funktionell inaktive Variante der RNaseH1, statt der funktionellen, so kann dieser Apoptose-fördernde Prozess nicht beobachtet werden. Dies bestärkt die Hypothese, dass die R-loops, die sich während eines Glutamin-Mangels und hoher c-MYC-Konzentration bilden, eine regulatorische Funktion innehaben. Als Ursache für die Apoptose konnte ein Effekt der veränderten Expression auf das Fortschreiten des Zellzyklus ausgeschlossen werden. Jedoch zeigte sich eine Veränderung im Nukleotid-Metabolismus. Betroffene Zellen zeigten deutlich reduzierte Nuklotidtriphosphat-Konzentrationen im Vergleich zu Zellen unter Glutaminmangelbedingungen ohne R-loop-Abbau. In dieser Arbeit wurde ein Modell entwickelt, das einen sich selbst negativ verstärkenden Zyklus vorschlägt, der die Zellen zur Apoptose führt. Transkriptionstermination und eine unkontrollierte Initiation der Transkription im Wechsel führt zu einem Verbrauch der lebensnotwendigen Energieressourcen der Zellen. Sequenzierungsexperimente zur Lokalisierung der R-loops und Terminationsstellen sind bislang fehlgeschlagen, bieten jedoch Ansätze für künftige Forschung.…