Charakteristisch für viele maligne Tumorzellen ist eine erhöhte Aufnahme von Glucose und die Bildung großer Mengen Milchsäure auch in Anwesenheit von Sauerstoff (Warburg Effekt) und eine verminderte Nutzung des Zitratzyklus. Als Grund werden Defekte in der mitochondrialen Atmungskette diskutiert. Aber auch eine durch Onkogene gesteigerte Glykolyserate, könnte ursächlich sein. Ein weiterer für Tumorzellen wichtiger Stoffwechselweg, in dem Glucose abgebaut wird, ist der Pentosephosphatweg, dessen Blockade das Wachstum der Krebszellen hemmen könnte. Zudem stellt die Manipulation derjenigen Signalwege, die in den Tumorstoffwechsel involviert und in Tumorzellen überaktiviert (Ras/PI3K/Akt/mTOR- und Raf/MEK/ERK-Signalweg) oder unterdrückt (oxidative Phosphorylierung) sind, mögliche Ansatzpunkte dar. In dieser Arbeit wurde daher in vitro die Wirkung von 15 Substanzen an drei verschiedenen Tumorzelllinien und vier verschiedenen benignen Zellen untersucht, welche in die oben genannten charakteristischen Stoffwechselwege von Tumorzellen eingreifen und gegenwärtig intensiv als mögliche Tumortherapeutika diskutiert werden. Ziel war es, geeignete Kandidaten für eine zielgerichtete Therapie zu identifizieren. Der Schwerpunkt dieser Arbeit war die Beeinflussung des Glucosestoffwechsels in Tumorzellen. Da Glucose sowohl aerob als auch anaerob verstoffwechselt werden kann, wurden in einem ersten Ansatz zum einen Substanzen gestestet, die die Glykolyse auf verschiedenen Ebenen hemmen, zum anderen wurden Substanzen untersucht, die den mitochondrialen Stoffwechsel beeinflussen. Die Wirkung aller 15 Substanzen wurde zunächst jeweils als Einzelbehandlung getestet. Hierbei führten nur sehr hohe Konzentrationen in Tumorzellen zu einem drastisch verminderten ATP-Gehalt, die für benigne Zellen aber ebenfalls toxisch waren. Daher wurde in einem zweiten Schritt untersucht, ob durch die gleichzeitige Manipulation des Glucosestoffwechsels und des mitochondrialen Stoffwechsels mit jeweils subtoxischen Konzentrationen eine tumorselektive Wirkung erreicht werden kann. Bei der Kombination der Substanzen Oxythiamin/NaDCA bzw. 2-DG/Rotenon ergaben sich zwar synergistische Effekte auf die Verminderung des ATP-Gehaltes in den getesteten Tumorzellen, eine generelle tumorselektive Wirkung konnte jedoch durch die kombinierte Behandlung nicht erreicht werden. In jüngster Zeit mehren sich die Hinweise, dass die Glutaminolyse einen sehr wichtigen Stoffwechselweg für Energiegewinnung und Syntheseprozesse von Tumorzellen darstellt. Deshalb wurde in einem dritten Schritt untersucht, ob durch die Hemmung der Glutaminolyse mit der Substanz 6-Diazo-5-oxo-L-norleuzin (DON) eine tumorspezifische Wirkung erreicht werden kann. In der Tat konnte durch DON eine andeutungsweise tumorselektive Wirkung auf den ATP-Gehalt der Zellen erzielt werden, jedoch war das therapeutische Fenster sehr eng. Durch die Hemmung der oxidativen Phosphorylierung wurde in allen drei untersuchten Tumorzelllinien eine gesteigerte Milchsäureproduktion nachgewiesen. Dies ist ein eindeutiger Hinweis dafür, dass in diesen Tumorzellen die Mitochondrien keine Defekte aufweisen. Die hier untersuchten benignen und malignen Zellen wurden hinsichtlich des Glucosestoffwechsels mit verschiedenen Methoden näher charakterisiert, um zu beurteilen, ob sich die Zellen in ihrem Stoffwechselphänotyp unterscheiden. Bei der Quantifizierung der Glucoseaufnahme wurde deutlich, dass auch manche benigne Zellen deutliche Mengen an Glucose aufnehmen, welche allerdings nur der Tumorzelllinie mit der niedrigsten Aufnahme glich. Mittels immunhistochemischer Färbungen wurden charakteristische Proteine des Zuckerstoffwechsels dargestellt. Zudem wurde die Expression von zentralen Genen des Stoffwechsels auf mRNA- bzw. Proteinebene untersucht. Hierbei wurde deutlich, dass sowohl Tumorzellen als auch manche benigne Zellen für die Glykolyse typische Proteine bzw. mRNA stark exprimieren. Fazit der Charakterisierung ist, dass es zwischen den hier verwendeten malignen und benignen Zellen keine eindeutige Differenzierung aufgrund des Stoffwechselprofils gibt, sondern sich die getesteten Zellen nur graduell unterscheiden. Dieses Ergebnis erklärt möglicherweise die geringe Tumorspezifität der getesteten Substanzen. Im Vergleich mit den vielversprechenden Ergebnissen aus der Literatur zeigten die hier gewonnenen in vitro-Daten eindeutig, dass die Wirkung von potenziell tumorhemmenden Substanzen je nach Tumorzelltyp extrem verschieden war. Dies beruht darauf, dass der vorherrschende Stoffwechseltyp (oxidativ bzw. glykolytisch) für jede Tumorentität verschieden ist. Daher muss vermutlich für jede Tumorentität bzw. sogar für jeden Patienten individuell die Wirkung und der Nutzen einer Hemmung des Tumorstoffwechsels untersucht werden, bevor künftig an eine zielgerichtete Therapie gedacht werden kann. / A characteristic feature of aggressive tumour cells is a high uptake of glucose and enhanced lactic acid production even in the presence of oxygen (aerobic glycolysis, “Warburg effect”) with a reduced use of the tricarboxylic acid cycle. Defects in mitochondrial function and oncogene activation are supposed to contribute to increased glycolysis, that is not subjected to the Pasteur effect (reduced rate of glycolysis in the presence of oxygen). The pentose phosphate pathway (PPP) is an important metabolic pathway in cancer cells, supplying building blocks for nucleotide synthesis and NADPH for proper redox control. Hence, inhibition of the PPP might block tumour cell growth. Perturbation of signalling pathways that are involved in tumour cell metabolism and are hyperactivated (Ras/PI3K/Akt/mTOR- and Raf/MEK/ERK-pathway) or suppressed (oxidative phosphorylation, p53) in cancer cells are possible targets for anticancer drugs. Thus, in this work the effect of 15 substances highly discussed as potential anticancer agents which influence the aforementioned metabolic and signalling pathways was evaluated in vitro on three different tumour cells lines [two breast cancer cells lines with different metastatic phenotype (MDA-MB 231 and 468) and one gastric cancer cell line (23132/87)] and four normal cell types [endometrial fibroblasts, endothelial cells (HUVEC), peripheral blood leukocytes and skin keratinocytes]. Aim of the study was to identify suitable candidates for targeted therapies. ATP-level was measured as readout to determine the efficacy of the substances, because the ATP content of cells correlates well with cell viability. The main focus of this work was to selectively modulate the glucose metabolism of cancer cells. Because glucose can be metabolized aerobically and anaerobically, we first tested substances that inhibit glycolysis at different steps and substances that interfere with mitochondrial metabolism. All of the 15 substances were tested as single treatment. Here, only very high concentrations of the respective substance significantly decreased ATP-levels in cancer cells - but to a much greater extend in normal cells. Therefore, in the next step we determined if impairing glucose and mitochondrial metabolism simultaneously with less toxic drug concentrations would be more specific in targeting cancer cells. Although synergistic effects were observed by co-treatment with oyxthiamine/NaDCA and 2-DG/rotenone respectively on reducing ATP-levels, this effect was not selective for tumour cells too. Recently, evidence is coming up that glutaminolysis (degradation of glutamine) is an important metabolic pathway for cancer cells providing energy substrates and building blocks. Thus, we examined if a tumour-specific effect could be achieved by inhibition of glutaminolysis with 6-Diazo-5-oxo-L-norleuzin (DON). Actually, other than the substances interfering with glucose metabolism, DON showed a tumour-specific effect to some extent, although the therapeutical range was very small. Inhibition of oxidative mitochondrial metabolism with the substances rotenone, oligomycin, 2,4-dinitrophenol and rhodamine 123 increased lactic acid production in all three cancer cell lines. Thus, it was possible to impede oxidative phosphorylation and to force the cells to increase glycolysis, indicating that mitochondria had no defects. To determine if tumour cells and normal cells differ in regard of their metabolic phenotype, the cells were analyzed for parameters concerning glucose metabolism with different methods. Quantifying glucose uptake of the cells revealed that some normal cells (fibroblasts, T-cells) take up significant amounts of glucose that are similar to those of cancer cells (MDA-MB 231) which showed the lowest glucose uptake among the three tumour cell lines tested. Characteristic proteins of glucose metabolism were analyzed using immunohistochemistry. Furthermore expression patterns of crucial genes involved in glucose metabolism were analyzed on mRNA and protein level. Thereby, it became obvious that both tumour cells as well as normal cells have very similar expression patterns regarding these typical genes. In conclusion, the characterization of tumour and normal cells did not show any substantial but rather gradual differences concerning the metabolic phenotype. These results might explain the marginal tumour specific effect of the drugs tested herein Compared to the promising results from the literature our in vitro data clearly show that the effect of potential anticancer drugs is extremely different for several tumour cell types. This might be due to the predominant metabolic phenotype (oxidative or glycolytic) of different tumour entities. Thus, we suppose that inhibition of tumour cell metabolism has to be evaluated for every single cancer cell type or even every cancer patient on regard of effect and benefit for implementation of selective cancer pharmacotherapy.

Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2009

Das Mammakarzinom ist die häufigste Neoplasie bei Frauen und jede 11. Frau in Deutschland erkrankt im Lauf ihres Lebens an Brustkrebs. Die Überlebensaussichten haben sich in den letzten Jahrzehnten deutlich verbessert, was auf sensiblere Untersuchungsmethoden und die Therapieoptimierung zurückzuführen ist. Eine große Rolle spielt auch der Einsatz verschiedener Prognosefaktoren. Insbesondere Alter, Lymphknotenstatus, Tumorgröße, Histologie, Hormonrezeptor- und Her2-neu-Status kommen heute routinemäßig zum Einsatz. Trotz allen Fortschritts ist Brustkrebs weiterhin die führende Todesursache unter den Krebserkrankungen bei Frauen. Große Hoffnung wird in neue Therapiemethoden gesetzt, die in den Glukosestoffwechsel eingreifen. In letzter Zeit erlangten Glykolysemarker, die als Indikatoren für den veränderten Kohlenhydratstoffwechsel in Tumorzellen dienen, wachsendes Interesse. Obwohl Brustkrebs eine bereits häufig untersuchte Tumorentität ist, ist der Einfluss des Glukosestoffwechsels auf die Fähigkeit zur Metastasierung und die Überlebenszeit unbekannt. Für diese Studie wurde eine Gruppe von 160 Patientinnen ausgewählt, die vor mehr als 13 Jahren wegen einer Brustkrebsneuerkrankung behandelt wurden. Das bei der Operation entnommene Gewebe des primären Mammakarzinoms wurde immunhistochemisch auf die Expression von Tumor-M2-PK und pAkt, zweier ausgewählter Schlüsselenzyme der Tumorglykolyse, untersucht. Mit Hilfe monoklonaler Antikörper, die spezifisch an die dimere Isoform der M2-PK und das pAkt binden, wurden von jeder Probe der Expressionsgrad dieser beiden Marker sowie der immunreaktive Score bestimmt. Die Ergebnisse der Färbungen wurden mit klinisch-pathologischen- und Überlebensdaten der Patientinnen abgeglichen, um Informationen über die prognostische Relevanz dieser Marker zu erhalten. Eine Überexpression konnte in 58% der Fälle für M2-PK- und in 70% für pAkt nachgewiesen werden. Die übermäßig starke Expression der dimeren M2-Pyruvatkinase konnte als unabhängiger Prognosefaktor für das Langzeitüberleben beim Mammakarzinom identifiziert werden und die Mortalitätsrate bei Patientinnen mit positivem M2-PK/cut-off war deutlich geringer. Bei Frauen unter 52 Jahren und im Zusammenhang mit negativem Östrogenrezeptorstatus wurde häufiger die konstitutive Akt-Aktivierung beobachtet. Die routinemäßige Bestimmung der M2-PK könnte in Zukunft bei der Entwicklung individueller Behandlungskonzepte zum Einsatz kommen und die pAkt könnte als prädiktiver Faktor für die adjuvanten Therapie des Mammakarzinoms dienen. / Breast cancer is the most frequently diagnosed malignancy among women and the leading cause of cancer death in Germany and worldwide. The probability of developing invasive breast cancer during a woman’s lifetime is approximately 1 in 11 in Germany. The chance of survival increased significantly over the past 30 years due to more sensitive diagnostic methods and optimised therapeutic strategies. Currently applied prognostic factors for clinical use are age, nodal status, tumour size, histological grade, steroid receptor and Her2-neu status. Recently, glycolytic markers gained growing interest, since they have been identified as indicators for the changed carbohydrate metabolism of tumour cells. Innovative therapeutic methods which affect the glucose metabolism evoke big hope. Even though breast cancer is a very well studied tumour entity, the influence of the glucose metabolism on the ability to metastasise and on the survival time is unknown. For this study a group of 160 patients was selected which had been treated because of primary breast cancer more than 13 years ago. The patients primary breast cancer tissues were analysed immunohistochemically for two selected key markers of tumour glycolysis. The staining results were compared with clinicopathological and survival data to gather information about the prognostic relevance of these markers. Overexpression of pAkt was detected in 58% and of M2-PK in 70% of breast cancer samples. M2-PK-expression was significantly higher in patients surviving breast cancer more than 13 years. That means strong M2-PK occurrence was identified as a favourable prognostic factor and its role in breast cancer progression has to be further explored. Permanently activated pAkt was detected in patients with negative oestrogen receptor status and an age of less than 52 years. The routinely determination of M2-PK might be applied for the development of individual therapeutic concepts in the future and pAkt could serve as predictive factor for the adjuvant therapy of breast cancer.

Das Glioblastoma multiforme (GBM) ist der am häufigsten vorkommende maligne Hirntumor mit äußerst ungünstiger Prognose für die betroffenen Patienten. Typisch für die Tumore ist eine hohe Aktivität der Glykolyse zur Generierung von ATP und zur Bereitstellung von Makromolekülen für die Zellproliferation, während die oxidative Phosphorylierung auch in Gegenwart von Sauerstoff praktisch keine Bedeutung für die Generation von ATP hat, was auch als Warburg Effekt bekannt ist. Das natürlich vorkommende Carnosin (β-Alanyl-LHistidin) wirkt sich antiproliferativ auf Tumorzellen aus, was mit einer Inhibition der glykolytischen ATP Produktion einhergeht. Der Mechanismus der Inhibition ist weitgehend unverstanden und ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Im Rahmen der durchgeführten Arbeit wurde der Einfluss von Carnosin auf die mRNA Expressionen von für die Glykolyse relevanten Genen untersucht, wobei eine starke Induktion der Pyruvatdehydrogenase Kinase (PDK) 4 in drei GBM Zelllinien beobachtet wurde. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass L-Histidin den gleichen Effekt wie Carnosin zeigt, nicht jedoch β-Alanin, L-Alanin oder L-Alanyl-L-Histidin. Da Tumorzellen die intrazelluläre Gewebscarnosinase aber kaum die extrazelluläre Serumcarnosinase exprimieren, liegt die Vermutung nahe, dass die antineoplastische Wirkung des Carnosins auf die enzymatische Spaltung von Carnosin und die daraus resultierende Freisetzung von L-Histidin zurückzuführen ist. In weiteren Untersuchungen wurden Hinweise erbracht, dass Carnosin durch eine Beeinflussung von Histon-Deacetylasen, die endogene PDK4 mRNA Expression steigern könnte. Zusätzlich wurden die Proteinexpressionen der PDK1 und 4 unter dem Einfluss von Carnosin untersucht.

Das Glioblastoma multiforme (GBM) ist der am häufigsten vorkommende maligne Hirntumor mit äußerst ungünstiger Prognose für die betroffenen Patienten. Typisch für die Tumore ist eine hohe Aktivität der Glykolyse zur Generierung von ATP und zur Bereitstellung von Makromolekülen für die Zellproliferation, während die oxidative Phosphorylierung auch in Gegenwart von Sauerstoff praktisch keine Bedeutung für die Generation von ATP hat, was auch als Warburg Effekt bekannt ist. Das natürlich vorkommende Carnosin (β-Alanyl-LHistidin) wirkt sich antiproliferativ auf Tumorzellen aus, was mit einer Inhibition der glykolytischen ATP Produktion einhergeht. Der Mechanismus der Inhibition ist weitgehend unverstanden und ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Im Rahmen der durchgeführten Arbeit wurde der Einfluss von Carnosin auf die mRNA Expressionen von für die Glykolyse relevanten Genen untersucht, wobei eine starke Induktion der Pyruvatdehydrogenase Kinase (PDK) 4 in drei GBM Zelllinien beobachtet wurde. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass L-Histidin den gleichen Effekt wie Carnosin zeigt, nicht jedoch β-Alanin, L-Alanin oder L-Alanyl-L-Histidin. Da Tumorzellen die intrazelluläre Gewebscarnosinase aber kaum die extrazelluläre Serumcarnosinase exprimieren, liegt die Vermutung nahe, dass die antineoplastische Wirkung des Carnosins auf die enzymatische Spaltung von Carnosin und die daraus resultierende Freisetzung von L-Histidin zurückzuführen ist. In weiteren Untersuchungen wurden Hinweise erbracht, dass Carnosin durch eine Beeinflussung von Histon-Deacetylasen, die endogene PDK4 mRNA Expression steigern könnte. Zusätzlich wurden die Proteinexpressionen der PDK1 und 4 unter dem Einfluss von Carnosin untersucht.

Um Beweise für eine mögliche Mikrokompartimentierung der Glykolyse im pflanzlichen System zu erhalten, sollten in der vorliegenden Arbeit Protein-Protein-Interaktionen der cytosolischen Mais-Aldolase mit anderen Proteinen experimentell nachgewiesen werden. Die in Tieren bekannte Interaktion des glykolytischen Enzyms Aldolase mit Aktin, einem Bestandteil des Cytoskeletts, wurde für Pflanzen in vitro durch Copolymerisationsversuche bestätigt. Die Bindung pflanzlicher Aldolase an Aktinfilamente wurde anders als im tierischen System durch das Substrat Fructose-1,6-bisphosphat auch in hohen Konzentrationen (10 mM) nicht vollständig verhindert, sondern führte lediglich zu einer um 50% verringerten Bindung. Eine ebenfalls hemmende Wirkung auf die Bindung der Aldolase an Aktin wiesen Fructose-6-phosphat und Fructose-2,6-bisphosphat in Konzentrationen von 10 mM auf. Ein eindeutiger Einfluss des Redox-Milieus auf die Aldolase-Aktin-Bindung konnte nicht nachgewiesen werden. Mit Hilfe des im Rahmen dieser Arbeit etablierten Hefe-2-Hybrid-Systems wurden weitere Interaktionspartner der Aldolase identifiziert. Insgesamt wurden neun mögliche Protein-Protein-Interaktionen nachgewiesen, bei denen es sich jedoch zum Teil um falsch-positive Interaktionen handeln kann. Neben einigen noch unbekannten Proteinen konnten Interaktionen mit einem Translations-Initiationsfaktor und dem spannungsabhängigen Anionenkanalprotein VDAC nachgewiesen werden. In Bindeversuchen auf Grundlage der Affinitätschromatographie mit den rekombinanten Proteinen VDAC und Aldolase wurde ein weiterer Hinweis auf eine Interaktion zwischen VDAC und Aldolase erhalten. Aufgrund unspezifischer Bindungen der Aldolase an die Affinitätsmatrix konnte mit dieser Methode jedoch keine eindeutige Verifizierung der Interaktion erzielt werden. Eine eindeutige Bestätigung der Interaktionen zwischen Aldolase und Aktin sowie zwischen Aldolase und VDAC erfolgte durch Far-Western-Blots .

The energy metabolism of most tumor cells relies on aerobic glycolysis (Warburg effect) characterized by an increased glycolytic flux that is accompanied by the increased formation of the cytotoxic metabolite methylglyoxal (MGO). Consequently, the rate of detoxification of this reactive glycolytic byproduct needs to be increased in order to prevent deleterious effects to the cells. This is brought about by an increased expression of glyoxalase 1 (GLO1) that is the rate-limiting enzyme of the MGO-detoxifying glyoxalase system. Here, we overexpressed GLO1 in HEK 293 cells and silenced it in MCF-7 cells using shRNA. Tumor-related properties of wild type and transformed cells were compared and key glycolytic enzyme activities assessed. Furthermore, the cells were subjected to hypoxic conditions to analyze the impact on cell proliferation and enzyme activities. Our results demonstrate that knockdown of GLO1 in the cancer cells significantly reduced tumor-associated properties such as migration and proliferation, whereas no functional alterations where found by overexpression of GLO1 in HEK 293 cells. In contrast, hypoxia caused inhibition of cell growth of all cells except of those overexpressing GLO1. Altogether, we conclude that GLO1 on one hand is crucial to maintaining tumor characteristics of malignant cells, and, on the other hand, supports malignant transformation of cells in a hypoxic environment when overexpressed.

Mycoplasma pneumoniae ist ein parasitär lebendes Bakterium, das eine atypische Pneumonie beim Menschen verursacht. Aufgrund seiner geringen Genomgröße besitzt dieser Organismus einen eingeschränkten Metabolismus sowie eine limitierte Zahl an Pathogenitätsfaktoren. Dennoch ist dieser Mikroorganismus perfekt an seinen Wirt angepasst und es war zu vermuten, dass neben dem komplexen Adhäsionsapparat von M. pneumoniae auch glykolytische Enzyme eine Rolle bei der Interaktion mit humanen Zellen spielen. Diese Enzyme sind maßgeblich bei intrazellulär ablaufenden Stoffwechselprozessen beteiligt. Es wurde jedoch bereits bei anderen Bakterien gezeigt, dass glykolytische Enzyme ebenfalls auf der Bakterienoberfläche zu finden sind und dort mit Komponenten der extrazellulären Matrix des Wirtes interagieren können. Dieser Vorgang trägt offensichtlich zur erfolgreichen Kolonisation des Wirtes bei. Ziel dieser Arbeit war es, alle glykolytischen Enzyme von M. pneumoniae hinsichtlich ihrer Lokalisierung zu beschreiben und Teilaspekte ihrer Funktion in der Interaktion mit Wirtskomponenten zu analysieren. Die glykolytischen Enzyme wurden rekombinant produziert und für die Herstellung von monospezifischen polyklonalen Antikörpern verwendet. Die Lokalisation der Enzyme wurde durch Nachweis in der Membran- und Zytosolfraktion des M. pneumoniae Gesamtantigens untersucht. Mittels Immunfluoreszenz, Colony Blot und Protease-Verdau intakter Bakterienzellen wurde bestätigt, dass acht (Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase, Lactatdehydrogenase, Transketolase, Pyruvatdehydrogenase, Phosphoglyceratmutase und Pyruvatdehydrogenase Untereinheiten A-C) der 19 glykolytischen Enzyme mit der Bakterienoberfläche assoziiert vorkommen. Die Untersuchung von Mutanten ergab, dass die Lokalisation der Enzyme nicht an das Vorkommen der für die Anheftung der Bakterien an Zielstrukturen wesentlichen Adhäsine wie die Proteine P1, P40 und P90 sowie das Oberflächenprotein P01, gekoppelt ist. Jedoch sind sowohl intakte Zellen von M. pneumoniae als auch die oberflächenlokalisierten glykolytischen Enzyme in der Lage, an verschiedene humane Zellen zu binden. Eine Analyse der nachweisbaren Proteine auf der Oberfläche der Zellen führte zur Auswahl von sechs humanen Proteinen für weiterführende Studien: Plasminogen, Vitronektin, Fibronektin, Fibrinogen, Laminin und Laktoferrin. Mittels ELISA wurde eine konzentrationsabhängige Bindung der oberflächenassoziierten Enzyme von M. pneumoniae mit Wirtsproteinen festgestellt, die hinsichtlich der Intensität jedoch Unterschiede aufwies. So konnten ausgeprägte Interaktionen aller Enzyme mit humanem Plasminogen und Vitronektin nachgewiesen werden. Die Bindung von Fibronektin und Laktoferrin ist dagegen nur für einen Teil der glykolytischen Enzyme zu bestätigen. Die Untersuchung verschiedener Einflussfaktoren ergab, dass alle Bindungen zwischen glykolytischen Enzymen und humanen Proteinen spezifisch durch die entsprechenden Antiseren gehemmt werden und dass der Großteil der Interaktionen ionischen Wechselwirkungen unterliegt. Die Bindung zu Plasminogen basiert überwiegend auf Lysin-Resten. Untersuchungen, ob sich die glykolytischen Enzyme gegenseitig in der Bindung zu Wirtsfaktoren beeinflussen, ergab ein komplexes Muster, das hinsichtlich Plasminogen, Fibronektin und Laminin für eine Überlagerung der für die Interaktion maßgeblichen Proteinbereiche spricht. Die Untersuchung einer möglichen Aktivierung von inaktivem Plasminogen zu proteolytisch aktivem Plasmin ergab, dass in Gegenwart aller oberflächenlokalisierten glykolytischen Enzyme von M. pneumoniae Plasmin gebildet wird. Es wurden jedoch Unterschiede im Aktivierungspotenzial nachgewiesen. Die Pyruvatdehydrogenase Untereinheit B zeigte die höchste, die Pyruvatdehydrogenase Untereinheit C die geringste Plasminproduktion. Die Verwendung des gewebespezifischen Plasminogenaktivators führte zu einer höheren Aktivierung als der Urokinase-Typ Plasminogenaktivator. Die Variabilität der Plasminproduktion kann mit der unterschiedlichen Bindungsaffinität der glykolytischen Enzyme zu Plasminogen begründet werden. So besitzt die Pyruvatdehydrogenase Untereinheit B im Vergleich mit der Pyruvatdehydrogenase Untereinheit C ein höheres Bindepotenzial, das sich in der gemessenen Aktivierung widerspiegelt. Die Bildung von Plasmin kann zum Abbau verschiedener extrazellulärer Matrix-Proteine führen. Diese Prozesse sind physiologisch, z. B. in der Fibrinolyse, von Bedeutung. Während in Gegenwart der glykolytischen Enzyme die humanen Proteine Laktoferrin, Laminin und Fibronektin nicht abgebaut wurde, konnte Fibrinogen in Gegenwart der Pyruvatdehydrogenase Untereinheit B bzw. der Phosphoglyceratmutase und Vitronektin durch alle glykolytischen Enzyme (bis auf die Pyruvatdehydrogenase Untereinheit C) degradiert werden. Mit der erstmals durchgeführten Analyse aller glykolytischen Enzyme eines Mikroorganismus hinsichtlich ihrer Lokalisation und der Bindung zu Komponenten der humanen extrazellulären Matrix wurde ein komplexes Netzwerk an Wirt-Erreger-Interaktionen nachgewiesen.

Toxoplasma gondii ist ein weit verbreiteter einzelliger Parasit, der fast alle warmblütigen Organismen infizieren kann. Asexuelle Fortpflanzung des Parasiten in seiner Wirtszelle wird durch aufeinanderfolgende lytische Zyklen erreicht, was die Bereitstellung einer signifikanten Menge an Energie und Biomasse erforderlich macht. Diese Arbeit zeigt, dass Glukose und Glutamin die beiden wichtigsten physiologischen Nährstoffe für die Synthese von Makromolekülen (ATP, Nukleinsäure, Proteine und Lipide) in T. gondii sind. Die Verfügbarkeit einer der beiden Kohlenstoffquellen reicht aus, um das Überleben des Parasiten sicherzustellen. Der Parasit kann durch Erhöhen des Flusses von Glutamin-abstammendem Kohlenstoff durch den TCA-Zyklus und durch gleichzeitige Aktivierung der Gluconeogenese, eine stetige Biogenese von ATP und Biomasse zur Wirtszellinvasion und Replikation gewährleisten, bzw. der genetischen Deletion des Glukosetransporters entgegenwirken. Der Wachstumsdefekt in der Glykolyse-Mutante wird durch eine kompromittierte Synthese von Lipiden verursacht, die durch Glutamin nicht ausgeglichen werden kann. Die Zugabe von exogenem Acetat kann diesen Wachstumsdefekt allerdings kompensieren. In dieser Arbeit konnten darüber hinaus zwei unterschiedliche Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK) Enzyme im Parasiten identifiziert werden, von denen eines im Mitochondrium lokalisiert ist (TgPEPCKmt), während das andere Protein nicht in Tachyzoiten (TgPEPCKnet) exprimiert wird. Parasiten mit intakter Glykolyse können die Deletion von TgPEPCKnet, als auch die genetische Deletion von TgPEPCKmt tolerieren, was ihre Redundanz für das Überleben der Tachyzoiten zeigt. TgPEPCKnet kann auch in der Glykolyse-defizienten Mutante deletiert werden, während TgPEPCKmt für das Überleben des Parasiten in dieser Mutante essentiell ist. Dies zeigte sich durch ein konditionelles Knockdown von TgPEPCKmt, das zu einer Inhibierung des Wachstums des Parasiten führte. / Toxoplasma gondii is a widespread protozoan parasite, infecting nearly all warm-blooded organisms. Asexual reproduction of the parasite within its host cells is achieved by consecutive lytic cycles, which necessitates biogenesis of significant energy and biomass. This work shows that glucose and glutamine are the two major physiologically important nutrients used for the synthesis of macromolecules (ATP, nucleic acid, proteins and lipids) in T. gondii, and either of them is sufficient to ensure the parasite survival. The parasite can counteract genetic ablation of its glucose transporter by increasing the flux of glutamine-derived carbon through the TCA cycle and by concurrently activating gluconeogenesis, which guarantee a continued biogenesis of ATP and biomass for host-cell invasion and parasite replication, respectively. Growth defect in the glycolysis-impaired mutant is caused by a compromised synthesis of lipids, which cannot be counterbalanced by glutamine, but can be restored by acetate. Consistently, supplementation of parasite cultures with exogenous acetate can amend the lytic cycle of the glucose transport mutant. Furthermore, this work revealed two discrete phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) enzymes in the parasite, one of which resides in the mitochondrion (TgPEPCKmt), whereas the other protein is not expressed in tachyzoites (TgPEPCKnet). Parasites with an intact glycolysis can tolerate genetic deletions of TgPEPCKmt as well as of TgPEPCKnet, indicating their nonessential roles for the tachyzoite survival. TgPEPCKnet can also be ablated in glycolysis-deficient mutant, whereas TgPEPCKmt is refractory to deletion. In accord, the lytic cycle of a conditional mutant of TgPEPCKmt in the glycolysis-impaired strain was aborted upon induced repression of the mitochondrial isoform, demonstrating its essential role for the glucose-independent survival of tachyzoites.

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