MACC1, ein Hauptregulator von Metastasen, ist an zahlreichen Kennzeichen von Krebs beteiligt, einschließlich dereguliertem Metabolismus. Dennoch ist seine Rolle im Krebsstoffwechsel unklar. In der vorliegenden Arbeit wurde eine systematische Analyse von MACC1-getriebenen metabolischen Netzwerken durchgeführt. MACC1 erhöhte die GLUT1 auf Zellmembrane, was zu einer erhöhten Glukoseanreicherung, einem erhöhten Glukosefluss und somit zu einer erhöhten Zellproliferation führte. Außerdem, reduzierte MACC1 den Glutaminfluss unabhängig von der Nährstoffverfügbarkeit. Bei Glucoseentzug erhöhte MACC1 die Pyruvataufnahme und zeigte aber die geringe Auswirkungen auf den Pyruvatfluss. In vivo, MACC1 zeigte erhöhte Aufnahme von 18F-FDG und 18F-Glutamat in Lebermetastasen. Zusammengefasst zeigen diese Ergebnisse, dass MACC1 mehrere Wirkungen auf den Krebs-Metabolismus zeigt, was es attraktiv macht, seine Wirkungen in Krebsmodellen weiter zu untersuchen. Metastasierung ist die Haupttodesursache bei Darmkrebs. Fünfzehn bis zwanzig Prozent der Darmkrebs Patienten im Stadium II entwickeln im Verlauf der Erkrankung Metastasen, jedoch bleiben die Kriterien der Wahrscheinlichkeit mit welcher Patienten von Chemotherapie profitieren werden ungenau. Hier wurde das Potenzial der Plasma-Metabolomik zur Vorhersage von Metachronmetastasen untersucht. Plasma metabolische Profile wurden wesentlich unterschiedlich zwischen nicht-metastasierten und metachron metastasierten Patienten gefunden. Wie Klassifikationsmodelle aus Entscheidungsbäumen und Support-Vektor-Maschinen gezeigt haben die Plasmametaboliten haben die Fähigkeit nicht-metastasierte von metachron metastasierten Darmkrebs Patienten zu unterscheiden, mit einer durschnittlichen Vorhersagegenauigkeit von 0,75 bzw. 0,82 für jede der Methoden, angemessen. Zusammen, zeigen diese Ergebnisse, dass Plasmametaboliten das Potenzial haben, Darmkrebs Patienten gemäß ihrem Metastasierungsrisiko nichtinvasiv zu stratifizieren. / MACC1, a master regulator of metastasis, is involved in most hallmarks of cancer, including deregulated metabolism. Yet, fragmentary data on its role in cancer metabolism exist. Here, a systematic analysis of MACC1-driven metabolic networks by elucidation of cell nutrient preferences, environment dependent alterations of nutrient utilization, metabolic pathway functionality and metabolic tracing using 13C-labeled metabolic substrates had been performed. MACC1 was found to enhance surface GLUT1 thus leading to increased glucose depletion, glucose flux and hence increased cell proliferation. Besides, MACC1 was found to reduce glutamine flux independent of nutrient availability. Upon glucose deprivation MACC1 was found to enhance pyruvate uptake exhibiting minor effects on pyruvate flux. In vivo, MACC1 increased uptakes of 18F-FDG and 18F-glutamate in liver metastatic lesions. Together, these findings demonstrate that MACC1 exhibits multiple effects on cancer metabolism, thus making it attractive to further study its effects in cancer models. Metastasis is the main cause of death from colorectal cancer (CRC). Fifteen to twenty percent of stage II CRC patients develop metastasis during the course of disease, however the criteria of likely benefitting patients from chemotherapy remain imprecise. Here, the potential of plasma metabolomics to predict metachronous metastasis was assessed. Plasma metabolic profiles were shown to be significantly different between non-metastasized and metachronously metastasized CRC patients. As demonstrated by supervised classifications using decision trees and support vector machines plasma metabolites have the power to distinguish non-metastasized from metachronously metastasized CRC patients giving average prediction accuracy of 0.75 and 0.82 for each of the methods, respectively. Together, these results demonstrate that plasma metabolites have the potential to non-invasively stratify CRC patients according to their metastasis risk.

In Krebszellen induzieren Onkogene und Chemotherapie zelluläre Seneszenz. Dabei handelt es sich um einen terminalen Wachstumsarrest, bei dem durch Trimethylierung der Aminosäure Lysin an Position 9 (K9) des Histons H3 (H3K9me3) die Aktivierung S-Phase-relevanter Gene epigenetisch blockiert ist. Obwohl Therapie-induzierte Seneszenz (TIS) das Gesamtüberleben von Mäusen mit einer Lymphomerkrankung verbessert, stellt eine Elimination seneszenter Zellen aufgrund weiterhin bestehender und neu erworbener tumorigener Eigenschaften ein wichtiges therapeutisches Ziel dar. Die Arbeit zeigt anhand des transgenen Eμ-myc Mausmodells, in dem TIS in Abhängigkeit von der H3K9-Histonmethyltransferase Suv39h1 durch Chemotherapie induziert wird, dass TIS-Zellen in vitro und in vivo einer metabolischen Reprogrammierung unterliegen, die therapeutisch genutzt werden kann. TIS-kompetente Lymphome erhöhen im Gegensatz zu TIS-kompromittierten, Suv39h1- defizienten Lymphomen den Glukoseumsatz und die Produktion von ATP. Diese Umstellung des Stoffwechsels erfolgt als Antwort auf eine erhöhte Proteotoxizität, die durch Bestandteile des Seneszenz-assoziierten sekretorischen Phänotyps (SASP) hervorgerufen wird. SASP-Faktoren lösen in TIS-Zellen erhöhten Stress im endoplasmischen Retikulum (ER) aus und forcieren die Fehlfaltung von Proteinen, die nach vermehrter Ubiquitinierung durch Autophagie unter Energieverbrauch abgebaut werden. Deshalb sind stark SASP-exprimierende TIS-Lymphome im Vergleich zu genetisch durch die Inhibition des Transkriptionsfaktors NfκB veränderten und dadurch SASP-supprimierten TIS-Lymphomen empfindlich gegenüber der Inhibition des Glukosestoffwechsels oder der Blockade von Autophagie. Beides führt zur Elimination von TIS Zellen durch Caspase-12- und Caspase-3-abhängige, ER-initiierte Apoptose. Folglich erwirkt die pharmokologische Inhibition dieser veränderten Stoffwechselbedürfnisse nach TIS Induktion eine Tumorregression und ein verbessertes Gesamtüberleben in vivo. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse eine katabole Stoffwechsellage seneszenter Zellen, die therapeutisch durch konzeptionell neue „synthetisch-letale“, metabolische Therapien eliminiert werden können. Damit wird erstmals in der Krebstherapie ein Tumor-selektives Seneszenzprogramm zusammen mit der Blockade von Stoffwechselwegen genutzt. / Cellular senescence is a terminal growth arrest of viable cells characterized by S-phase entry-blocking histone 3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3) in response to oncogene activation and anticancer chemotherapy. Although therapy-induced senescence (TIS) improves long-term outcome, senescent tumor cells acquire potentially harmful characteristics. Therefore, their quantitative elimination presents a therapeutic opportunity. In this thesis the Eμ-myc transgenic mouse lymphoma model, in which TIS depends on the H3K9 histone methyltransferase Suv39h1, is used to show mechanism and therapeutic exploitation of senescence-related metabolic reprogramming in vitro and in vivo. After senescence-inducing chemotherapy, TIS- competent lymphomas but not TIS-incompetent Suv39h1- lymphomas displayed increased glucose turnover and higher ATP production. The thesis demonstrates that this was due to massive proteotoxic stress, which is a consequence of the enhanced production of secretory proteins - referred to as the senescence-associated secretory phenotype (SASP) - of senescent cells. Consequently, SASP-producing TIS cells exhibited endoplasmic reticulum stress, an unfolded protein response (UPR), and increased ubiquitination, thereby targeting toxic proteins for autophagy in an acutely energy-consuming fashion. Accordingly, TIS lymphomas, unlike senescence models that lack a strong SASP response, for example due to the inhibition of the transcription factor NfκB, were more sensitive to blocking glycolysis or autophagy, which lead to their selective elimination through caspase-12- and caspase-3-mediated endoplasmic reticulum-related apoptosis. Consequently, pharmacological targeting of these metabolic liabilities upon TIS induction in vivo prompted tumor regression and improved treatment outcome further. These findings unveil the hypercatabolic nature of TIS that is therapeutically exploitable by synthetic lethal metabolic targeting. Thus, this treatment approach for the first time combines the inhibition of a tumor-specific senescence program with the interference of a metabolic pathway.