The role of the core autophagy gene ATG3 in leukemia cell survival and metabolism
Authors:   , Baker Fatima 
Published: July 2023

Die akute myeloische Leukämie (AML) ist eine aggressive Erkrankung des Knochenmarks, welche die Hämatopoese beeinträchtigt und zu Knochenmarksversagen führt. Trotz des Fortschritts in der AML-Therapie bleibt die Prognose für die meisten Patienten schlecht, sodass neue Therapieansätze für die Behandlung dringend benötigt werden. Autophagie, ein kataboler Abbauprozess von zellulären Komponenten, ist nachweislich an der Entstehung von AML beteiligt. Als zentraler Regulator von Zellüberleben, Homöostase und Stoffwechsel, dient die Autophagie als Nährstoffquelle durch die Wiederverwertung von Makromolekülen während begrenzter Energieversorgung. AML-Zellen benötigen ein konstantes Nährstoff- und Energieniveau, um ihre Vermehrung aufrechtzuerhalten. Dies wird durch eine Umstellung von Stoffwechselwegen, insbesondere des mitochondrialen Stoffwechsels einschließlich der oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) und des Tricarbonsäurezyklus (TCA), erreicht. Mehrere Studien haben die Hemmung der Autophagie für die Behandlung von Krebs als vielversprechenden Ansatz vorgestellt. Doch eine Monotherapie mit Autophagie-Inhibitoren erzielte nur eine geringfügige Wirksamkeit. Eine mögliche Erklärung hierfür ist die Entstehung von Kompensationsmechanismen, die zum Ausgleich der Autophagie-Hemmung in Krebszellen entstehen. Bis heute sind diese Kompensationsmechanismen kaum untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es, ein geeignetes Autophagie-Gen zu identifizieren, mit dem sich die Rolle der Autophagie-Hemmung für das Überleben von AML-Zellen untersuchen lässt. Zusätzlich sollen die kompensatorischen Mechanismen, die durch die Autophagie-Hemmung in AML-Zellen entstehen können, untersucht werden, um neue metabolische Angriffspunkte zu identifizieren, die für Kombinationstherapien genutzt werden können. Zu Beginn der Arbeit wurde ein gezielter CRISPR/Cas9 Screen in zwei humanen AML-Zelllinien durchgeführt, um Autophagie-Gene zu identifizieren, deren Verlust eine Proliferationsstörung in AML-Zellen verursacht, welche überwunden werden kann. Validierungsexperimente zeigten, dass der Verlust von ATG3 das Zellwachstum signifikant verminderte. Außerdem zeigte die Messung des Autophagie-Fluxes, dass der Verlust von ATG3 die Autophagie stark beeinträchtigte. Dies wurde durch eine Western-Blot-Analyse, die eine beeinträchtigte LC3-Lipidierung zeigte, und durch eine Immunfluoreszenzanalyse der Autophagosomen-Bildung mittels konfokaler Mikroskopie, die eine geringere Anzahl von Autophagosomen in ATG3-defizienten Zellen ergab, bestätigt. Deshalb wurde der Knockdown von ATG3 in AML Zellen verwendet, um die Mechanismen, die zum Ausgleichen der Autophagie-Hemmung entstehen, zu untersuchen. Zuerst wurde die Zellproliferation in fünf verschiedenen AML Zelllinien über sieben Tage betrachtet. In allen Zellenlinien führte der Verlust von ATG3 mittels small hairpin RNA zu verminderter Zellproliferation. Diese Ergebnisse zeigen die wichtige Rolle von ATG3 in der Autophagie und dass Autophagie-Hemmung durch ATG3-Verlust das Wachstum von AML-Zellen beeinträchtigt. Da der Verlust von ATG3 die Proliferation von AML-Zellen beeinträchtigte, wurde eine Zellzyklusanalyse durchgeführt. Eine reduzierte S-Phase bestätigte die verminderte Proliferation in ATG3-depletierten AML-Zellen, doch der Zellzyklus war grundsätzlich nicht gestoppt. Darüber hinaus ergab die Analyse der Apoptose, dass diese unter dem Verlust von ATG3 erhöht war, aber etwa 50% der Zellen blieben vital. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass AML-Zellen trotz des Verlusts der ATG3-abhängigen Autophagie weiter proliferieren können. Um die Mechanismen zur Kompensation der Autophagie-Hemmung zu untersuchen, wurden die Auswirkungen des ATG3-Verlusts auf die mitochondriale Homöostase untersucht. Die Mitophagie sowie das mitochondriale Membranpotenzial und die Masse unterschieden sich zwischen Kontroll- und ATG3-depletierten AML-Zellen nicht, was darauf hindeutet, dass die mitochondriale Homöostase durch den Verlust von ATG3 nicht beeinträchtigt ist. Als nächstes wurde die mitochondriale Funktion durch Messung des ATP-Spiegels und der OXPHOS untersucht. Die ATP-Level und die OXPHOS waren nach dem Verlust von ATG3 in AML-Zellen erhöht, was auf eine gesteigerte mitochondriale Aktivität bei Autophagie-Defizienz hinweist.