Ein LOH (loss of heterozygosity, Heterozygotieverlust) im Bereich des kurzen Arms des Chromosoms 10 tritt sehr häufig in hochgradigen Gliomen auf. Vornehmlich konzentriert sich der allele Verlust auf die Region 10p14-p15. Die chromosomale Instabilität dieser Region deutet auf die Existenz eines oder mehrerer Tumorsuppressorgene hin. Bis jetzt konnte der Krüppel-like Transkriptionsfaktor 6 (KLF6) als mögliche Zielstruktur eines LOH in 10p15 identifiziert werden. Das Gen des regulatorischen Glykolyseenzyms PFKFB3 ist im Bereich 10p15.1 lokalisiert. Die Spleißvariante 4 (UBI2K4) des PFKFB3-Gens hat eine hemmende Wirkung auf das dreidimensionale Wachstum von U87 Glioblastomzellen. Folglich könnte der PFKFB3 Genlocus Zielstruktur eines LOH in Glioblastomen sein. In dieser Arbeit wurden 40 Glioblastome mit der Mikrosatellitenanalyse basierend auf PCR-Technik untersucht. Bei 55 % (22/40) der Glioblastome zeigte sich ein LOH des PFKFB3 Gens. Der LOH des KLF6 Locus, 2,5 cM telomerisch zur PFKFB3 lokalisiert, wurde in 60 % (21/35) der Glioblastome festgestellt und korrelierte nicht mit dem PFKFB3-LOH. Die Deletion eines Allels des PFKFB3-Gens führt zu einer signifikanten Abnahme der PFKFB3 mRNA- und Proteinkonzentration. Die Expression der das Glioblastomzellwachstum hemmenden Spleißvariante UBI2K4 war in der Gruppe der LOH PFKFB (+) Glioblastome deutlich erniedrigt im Vergleich zur PFKFB3-LOH (-) Gruppe und korrelierte mit der totalen PFKFB3 Expression. Die Prognose der Glioblastom-Patienten verschlechtert sich durch den PFKFB3-LOH und die daraus resultierende niedrigere UBI2K4 Expression. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass der für Glioblastome typische LOH der Region 10p14-p15 auf die PFKFB3 und speziell auf die Spleißvariante UBI2K4 als Tumorsuppressorprotein abzielt.

Overnutrition causes many metabolic diseases including type 2 diabetes. PFKFB3/iPFK2 is a master regulator of adipocyte and intestinal nutrient metabolism. Using PFKFB3/iPFK2+/– mice and adipocyte-specific PFKFB3 over-expression mice, the present study investigated the role of PFKFB3/iPFK2 in regulating diet-induced adiposity, inflammation in adipose tissue and intestine, and systemic insulin resistance. On a high-fat diet (HFD), PFKFB3+/– mice gained much less body weight than did wild-type littermates. However, HFD-induced systemic insulin resistance in PFKFB3+/– mice was more severe than in wild-type littermates. In contrast, adipocyte-specific PFKFB3 over-expression increased adiposity but suppressed overnutrition induced adipose tissue inflammatory response and improved insulin sensitivity. In addition to adipose tissue, PFKFB3/iPFK2 also played a role in intestine events. Compared to wild-type littermates, PFKFB3+/– mice displayed a significant increase in the expression of intestinal inflammatory markers on a HFD. In conclusion, PFKFB3 protects against overnutrition-induced adipose tissue and intestine inflammatory response and systemic insulin resistance in an adiposity-independent manner. Selective PFKFB3 activation may be viable for treating and/or preventing insulin resistance and type 2 diabetes.

Taxanes represent some of the most common chemotherapeutic agents for ovarian cancer treatment. However, they are only effective in approximately 40% of patients. As such, novel therapeutic strategies are required to potentiate their effect in ovarian cancer to improve patient outcome and prevent chemotherapy resistance. A hallmark of many cancers is the constitutive activation of the PI3K/AKT pathway, which drives cell survival and metabolism. In this thesis, I identified a potential vulnerability in ovarian cancer cell lines during paclitaxel-induced mitotic arrest, comprising of a striking decrease in AKT activity coupled with a significant reduction in glucose 6-phosphate and ATP levels. The reanalysis of a high content siRNA screen to discover metabolic enzymes important for ovarian cancer cell survival during paclitaxel-induced mitotic arrest, identified the metabolic enzyme PFKFB4. PFKFB4 depletion followed by paclitaxel treatment resulted in a significant decrease in mitotically arrested cells. This was accompanied by a significant increase in caspase-3/7 activity and the levels of reactive oxygen species only in mitotically arrested cells, and a significant enhancement in mitotic cell death and mitotic slippage. Depletion of the related family member, PFKFB3, demonstrated a similar phenotype. The exogenous expression of constitutively active AKT or siRNA-resistant PFKFB4 did not confer resistance to PFKFB4 depletion and paclitaxel treatment, indicating that the mechanism of mitotic cell reduction is complex. Nonetheless, the observation that some ovarian cancer cells lose AKT activity during mitotic arrest and could become vulnerable to metabolic targeting is a new concept in cancer therapy. In addition, I have identified previously unrecognised roles of PFKFB3 and PFKFB4 in mitotically arrested ovarian cancer cells. This work supports the notion that combining mitotic-targeted therapies with metabolic inhibitors may act to potentiate the effects of antimitotics in ovarian cancer cells.

Ein LOH (loss of heterozygosity, Heterozygotieverlust) im Bereich des kurzen Arms des Chromosoms 10 tritt sehr häufig in hochgradigen Gliomen auf. Vornehmlich konzentriert sich der allele Verlust auf die Region 10p14-p15. Die chromosomale Instabilität dieser Region deutet auf die Existenz eines oder mehrerer Tumorsuppressorgene hin. Bis jetzt konnte der Krüppel-like Transkriptionsfaktor 6 (KLF6) als mögliche Zielstruktur eines LOH in 10p15 identifiziert werden. Das Gen des regulatorischen Glykolyseenzyms PFKFB3 ist im Bereich 10p15.1 lokalisiert. Die Spleißvariante 4 (UBI2K4) des PFKFB3-Gens hat eine hemmende Wirkung auf das dreidimensionale Wachstum von U87 Glioblastomzellen. Folglich könnte der PFKFB3 Genlocus Zielstruktur eines LOH in Glioblastomen sein. In dieser Arbeit wurden 40 Glioblastome mit der Mikrosatellitenanalyse basierend auf PCR-Technik untersucht. Bei 55 % (22/40) der Glioblastome zeigte sich ein LOH des PFKFB3 Gens. Der LOH des KLF6 Locus, 2,5 cM telomerisch zur PFKFB3 lokalisiert, wurde in 60 % (21/35) der Glioblastome festgestellt und korrelierte nicht mit dem PFKFB3-LOH. Die Deletion eines Allels des PFKFB3-Gens führt zu einer signifikanten Abnahme der PFKFB3 mRNA- und Proteinkonzentration. Die Expression der das Glioblastomzellwachstum hemmenden Spleißvariante UBI2K4 war in der Gruppe der LOH PFKFB (+) Glioblastome deutlich erniedrigt im Vergleich zur PFKFB3-LOH (-) Gruppe und korrelierte mit der totalen PFKFB3 Expression. Die Prognose der Glioblastom-Patienten verschlechtert sich durch den PFKFB3-LOH und die daraus resultierende niedrigere UBI2K4 Expression. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass der für Glioblastome typische LOH der Region 10p14-p15 auf die PFKFB3 und speziell auf die Spleißvariante UBI2K4 als Tumorsuppressorprotein abzielt.

Studies had shown that leucine supplementation increases insulin sensitivity and it has been studied that n-3 PUFA may have an anti-inflammatory effect in adipocytes. However, the extent to which dietary sources such as leucine and/or n-3 PUFA act through PFKFB3/iPFK2 to suppress adipocyte inflammatory response has not been studied; PFKFB3/iPFK2 is a regulator that links adipocyte metabolism and inflammatory responses. In this study, the involvement of PFKFB3/iPFK2 in the effects of insulin sensitizing and anti-inflammatory effect of leucine and/or n-3 PUFA are explored using cultured 3T3-L1 adipocytes including wild-type cells, PFKFB3-control cells (iPFK2-Ctrl) and PFKFB3-knockdown cells (iPFK2-KD). In iPFK2-Ctrl cells, leucine supplementation appears to have insulin-sensitizing effects through improving p-Akt/Akt insulin signaling, but have no effect on adiponectin expression, and appear to have limited anti-inflammatory effects. n-3 PUFA supplementation appears to have limited effects on both insulin sensitizing and anti-inflammatory effects in iPFK2-Ctrl. In contrast, n-3 PUFA exhibit pro-inflammatory expression in iPFK2-KD. The results of this study support the hypothesis that PFKFB3/iPFK2 is critically involved in insulin-sensitizing effects of leucine. This role of PFKFB3/iPFK2, however, appears to be independent of anti-inflammatory responses. Given this, it is likely that PFKFB3/iPFK2 only account, in part, for the beneficial effects of leucine. n-3 PUFA stimulate PFKFB3/iPFK2 activity in wild-type adipocytes. However, PUFA do not exhibit anti-inflammatory and insulin-sensitizing effects in controls. In contrast, n3-PUFA exhibit proinflammatory effects in iPFK2-KD cells. Taken together, PFKFB3/iPFK2 is involved, at least in part, in the effects of insulin sensitization of leucine and appears to protect adipocytes from inflammatory responses, which could be exacerbated by n-3 PUFA when PFKFB3/iPFK2 is disrupted.

Glioblastome sind die aggressivsten und häufigsten Hirntumore beim Menschen und entziehen sich weiterhin einem kurativen Therapieansatz. Wie die meisten malignen Tumore zeigen Glioblastome den sogenannten Warburg Effekt, eine gesteigerte aerobe Glykolyse. Ein Schlüsselenzym der Glykolyse ist die 6-Phosphofrukto-1-kinase (PFK-1), deren stärkster allosterischer Aktivator Fruktose-2,6-bisphosphat (F2,6BP) ist. Die zelluläre Konzentration von F2,6BP wird von dem bifunktionalen Enzym 6-Phosphofrukto-2-kinase/Fruktose-2,6-bisphosphatase (PFK-2) reguliert. Im Menschen existieren vier PFK-2-Isoenzyme (PFKFB1-4), die gewebespezifisch exprimiert werden. Die PFKFB3 hat das höchste Kinase/Bisphosphatase- Aktivitätsverhältnis von 710:1 innerhalb der PFK-2-Familie und wird in Tumorzelllinien und verschiedenen malignen Tumoren überexprimiert. In humanem Hirngewebe wurden sechs alternative Spleißvarianten der PFKFB3-mRNA (UBI2K1–6) beschrieben, welche sich in der C-terminalen Region unterscheiden. Neuere Untersuchungen im Verlauf dieser Arbeit ergaben, dass es auch Spleißvarianten gibt, die in der N-terminalen Region variieren, sodass insgesamt 10 Spleißvarianten der PFKFB3 bekannt sind. Die spezifischen Funktionen im Zellstoffwechsel wurden bisher nur für die Spleißvariante UBI2K5 untersucht, die der anderen Spleißvarianten sind weitestgehend unbekannt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, die Bedeutung der PFKFB3 Spleißvariante UBI2K4 in Glioblastomen für den Stoffwechsel und das Wachstum dieser Tumore am Modell der humanen U87-Glioblastomzelllinie aufzuklären und die These, dass die UBI2K4 eine proliferationshemmende Funktion hat, zu überprüfen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde mittels stabiler Transfektion von HEK-293-Zelllen mit einem pTER-Vektor und gleichzeitiger transienter Transfektion bei U87- und HEK-293-Zellen mit synthetischer siRNA ein Knockdown der UBI2K4 mRNA und des Proteins erzielt. Es stellte sich heraus, dass der UBI2K4 Knockdown in beiden Zelllinien zu einer reduzierten Viabilität und Zellproliferation führte. Die Verdopplungszeiten waren prolongiert und auch das dreidimensionale Wachstum in Soft-Agar-Kulturen war reduziert. Bei HEK-293-Zellen wurde der UBI2K4 Knockdown durch einen signifikanten Anstieg der UBI2K5 mRNA Expression kompensiert. Die UBI2K6 Expression blieb unverändert. Bei U87-Zellen, deren native UBI2K4 mRNA Expression sehr gering ist, wurde eine UBI2K5 mRNA Reduktion bei gleichzeitiger Hemmung der UBI2K4 Expression festgestellt, während die UBI2K6 mRNA leicht zunahm. Weiterhin konnte im Western Blot gezeigt werden, dass in HEK-293-Zellen neben der Spleißvariante UBI2K4, auch als Variante 4 bezeichnet, auch die neu entdeckte Variante 5 exprimiert wird. In U87-Zellen konnte nur die Expression der Variante 4 nachgewiesen werden. In einem Antikörper-Mikroarray wurde gezeigt, dass die UBI2K4 die Expression insbesondere von Proteinen mit immunmodulatorischen Eigenschaften, apoptose-induzierenden Proteinen und Proteinen der Zellkommunikation und des Metabolittransports beeinflusst. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde das native Protein der UBI2K4 in HEK-293- und U87-Zellen überexprimiert. Die Zellen mit einer gesteigerten UBI2K4 Proteinkonzentration konnten schneller proliferieren und zeigten eine gesteigerte Zellviabilität. DIese Ergebnisse korrelieren mit den bereits beschriebenen Ergebnissen des UBI2K4 Knockdowns im ersten Teil dieser Arbeit. Die vermutete inverse Korrelation der UBI2K4 Konzentration und der Proliferationsrate konnte hier nicht bestätigt werden. Vielmehr scheint die UBI2K4 so wie die Spleißvariante UBI2K5 der PFKFB3 ebenfalls in höheren Konzentrationen proliferationsfördernd zu wirken. Dies scheint überaus wahrscheinlich, da die im Antikörper-Mikroarray beeinflussten Proteine auch darauf hindeuten.:1 EINFÜHRUNG UND AUFGABENSTELLUNG 8 1.1 GLIOBLASTOME 8 1.2 DIE GLYKOLYTISCHE AKTIVITÄT IN TUMORZELLEN – DER WARBURG-EFFEKT 12 1.2.1 REGULATION DER GLYKOLYSE IN TUMORZELLEN 16 1.2.2 DIE 6-PHOSPHOFRUKTO-2-KINASE/FRUKTOSE-2,6-BISPHOSPHATASE ISOENZYME 18 1.3 AUFGABENSTELLUNG 26 2 MATERIAL UND METHODEN 27 2.1 LABORAUSSTATTUNG 27 2.2 CHEMIKALIEN UND REAGENZIEN 27 2.3 VERBRAUCHSMATERIALIEN 29 2.4 STANDARDS 29 2.5 ENZYME 29 2.6 ANTIKÖRPER 29 2.7 REAGENZIENSYSTEME 30 2.8 BAKTERIENSTÄMME 30 2.9 ZELLLINIEN 31 2.10 PLASMIDE 31 2.11 OLIGONUKLEOTIDE 31 2.12 RIBONUKLEINSÄUREN 34 2.13 ZELLBIOLOGISCHE METHODEN 34 2.13.1 KULTIVIERUNG UND PASSAGIEREN VON ZELLEN 34 2.13.2 BESTIMMUNG DER ZELLZAHL 35 2.13.3 KONSERVIERUNG VON ZELLEN 35 2.13.4 TRANSFEKTION UND SELEKTION 35 2.13.5 PROLIFERATIONSTESTS 38 2.14 MOLEKULARBIOLOGISCHE ARBEITEN 40 2.14.1 ARBEITEN MIT BAKTERIENKULTUREN 40 2.14.2 PRÄPARATION VON NUKLEINSÄUREN 42 2.14.3 KONZENTRATIONSBESTIMMUNG VON NUKLEINSÄUREN 43 2.14.4 AGAROSEGEL-ELEKTROPHORESE 43 2.14.5 POLYMERASE-KETTENREAKTION (PCR) 44 2.14.6 REVERSE TRANSKRIPTION 45 2.14.7 QUANTITATIVE REAL-TIME PCR 45 2.14.8 DNA-SEQUENZIERUNG 47 2.14.9 GEN-SILENCING DURCH SIRNA 48 2.14.10 ÜBEREXPRESSION DER SPLEIßVARIANTE UBI2K4 51 2.14.11 MYCOPLASMENTEST 52 2.15 PROTEINCHEMISCHE METHODEN 53 2.15.1 ZELLLYSE UND BESTIMMUNG DER PROTEINKONZENTRATION 53 2.15.2 SDS-PAGE 53 2.15.3 WESTERNBLOT-ANALYSE 54 2.16 ANTIKÖRPER MIKROARRAY 55 2.17 STATISTISCHE ANALYSEN 55 2.18 SOFTWARE 56 3 ERGEBNISSE 57 3.1 AUSWAHL DER ZELLLINIE 57 3.2 KNOCKDOWN DER UBI2K4 DURCH STABILE UND TRANSIENTE TRANSFEKTION 59 3.2.1 KLONIERUNG DER PTER-EXPRESSIONSPLASMIDE FÜR DIE STABILE TRANSFEKTION 59 3.2.2 STABILE TRANSFEKTION MITTELS PTER-PLASMIDEN 62 3.3 NACHWEIS DES KNOCKDOWN DER UBI2K4 AUF DIE MRNA EXPRESSION 64 3.3.1 KNOCKDOWN DER UBI2K4 IN STABIL TRANSFIZIERTEN HEK-293-ZELLEN 64 3.3.2 KNOCKDOWN DER UBI2K4 IN STABIL TRANSFIZIERTEN HEK-293-ZELLEN MIT ZUSÄTZLICHER TRANSIENTER TRANSFEKTION MITTELS SIRNA 65 3.3.3 KNOCKDOWN DER UBI2K4 IN TRANSIENT TRANSFIZIERTEN U87-ZELLEN 67 3.4 EXPERIMENTE MIT ZELLEN BEI KNOCKDOWN DER UBI2K4 70 3.4.1 EINFLUSS DES KNOCKDOWN DER UBI2K4 AUF DAS WACHSTUM VON HEK-293-ZELLEN 70 3.4.2 EINFLUSS DES KNOCKDOWN DER UBI2K4 AUF DIE KOLONIEBILDUNG VON HEK-293-ZELLEN IN SOFT-AGAR-KULTUREN 71 3.5 KOLORIMETRISCHE TESTS BEI KNOCKDOWN DER UBI2K4 73 3.5.1 EINFLUSS DES UBI2K4 KNOCKDOWN AUF DIE VIABILITÄT UND DIE PROLIFERATION VON HEK-293-ZELLEN 73 3.5.2 EINFLUSS DES UBI2K4 KNOCKDOWN AUF DIE VIABILITÄT UND DIE PROLIFERATION VON U87-ZELLEN 74 3.6 ERGEBNISSE DES ANTIKÖRPER MIKROARRAY 75 3.7 ÜBEREXPRESSION DER UBI2K4 DURCH STABILE / TRANSIENTE TRANSFEKTION 78 3.7.1 KLONIERUNG DER PCDNA3.1-EXPRESSIONSPLASMIDE 78 3.8 NACHWEIS DER ÜBEREXPRESSION DER UBI2K4 AUF DIE MRNA EXPRESSION 79 3.9 KOLORIMETRISCHE TESTS BEI ÜBEREXPRESSION DER UBI2K4 81 3.9.1 EINFLUSS DER UBI2K4 ÜBEREXPRESSION AUF DIE VIABILITÄT UND DIE PROLIFERATION VON HEK-293-ZELLEN 81 3.9.2 EINFLUSS DER UBI2K4 ÜBEREXPRESSION AUF DIE VIABILITÄT UND DIE PROLIFERATION VON U87-ZELLEN 82 4 DISKUSSION 85 4.1 AUSWAHL DER ZELLLINIEN 85 4.2 GENERIERUNG STABILER ZELLLINIEN MIT UBI2K4-, UBI2K5- UND UBI2K6-KNOCKDOWN 87 4.2.1 KNOCKDOWN DER PFKFB3 SPLEIßVARIANTEN DURCH STABILE TRANSFEKTION IN HEK-293- UND U87-ZELLEN 89 4.3 KNOCKDOWN DER UBI2K4 IN HEK-293- UND U87-ZELLEN MITTELS TRANSIENTER TRANSFEKTION 90 4.4 ÜBEREXPRESSION DER UBI2K4 IN HEK-293 UND U87-ZELLEN 95 4.5 MIKROARRAY 97 4.5.1 PROTEINE MIT EINER SIGNIFIKANTEN KONZENTRATIONSERHÖHUNG 98 4.5.2 PROTEINE MIT EINER SIGNIFIKANTEN KONZENTRATIONSERNIEDRIGUNG 100 5 ZUSAMMENFASSUNG DER ARBEIT 104 6 LITERATURVERZEICHNIS 107 7 ANLAGEN 129 7.1 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 129 7.2 TABELLENVERZEICHNIS 131 8 ERKLÄRUNG ÜBER DIE EIGENSTÄNDIGE ABFASSUNG DER ARBEIT 132 9 LEBENSLAUF 133 10 DANKSAGUNG 134