Die vorliegende Arbeit untersucht die Rolle des Metabolismus in der Entstehung und Progression des Hepatozellulären Karzinoms (HZK). Der Schwerpunkt der Studie liegt auf Veränderungen zentraler Stoffwechselwege, unter anderem der Glykolyse, der Gluconeogenese, des Citratzyklus und anderer Prozesse des Zellstoffwechsels. Umfassende Multiomikanalysen, wie etwa Proteomik, Metabolomik und gezielte Genomsequenzierung wurden angewandt, um in vivo die Mechanismen der HZK Entstehung zu verstehen. Es wurden zwei Systeme untersucht: das ASV-B Mausmodell und klinische Patientenproben. Die Kohorte bestehend aus Biopsien und Resektaten von 95 Patienten umfasste 47 Fälle von HZK und 48 Fälle ohne HZK. Das Proteom des Mausmodells und der Patientenkohorte zeigen eine deutliche Herabregulierung wesentlicher Energie bereitstellender Kreisläufe im HZK: Glykogenstoffwechsel, de novo Synthese von Glukose, Glutaminaufnahme in den Citratzyklus, des weiteren sind 60% der Enzyme des Citratzyklus, und des Transports von Pyruvat in Mitochondrien im HZK herabreguliert. In dieser Arbeit wurde ein Isoformenwechsel auf mehreren Ebenen des zentralen Kohlenstoffmetabolismus gezeigt. Sowohl das Mausmodell, als auch die Gewebeproben von HZK-Patienten weisen Isoformenwechsel der Phosphoglyzeratmutasen und der Pyruvatkinasen auf. Die Hauptmerkmale finden sich sowohl in Modellmäusen, als auch in Patienten, und stellen so einen universalen metabolomischen Fingerabdruck des HZK dar. Darüber hinaus demonstriert diese Studie, dass die Proteomanalyse von bioptischen Material ein aussagekräftiges und ausreichendes molekular-diagnostisches Instrument für die Krebsforschung ist: die Proteomanalyse von Lebermaterial erlaubt die Unterscheidung von Tumorgewebe und tumorfreien Proben und die Dokumentation des Krankheitsverlaufs. / The present work evaluates the role of metabolism in development and progression of hepatocellular carcinoma (HCC). This study focuses on changes of central metabolic pathways, including glycolysis, gluconeogenesis, tricarboxylic acid (TCA) cycle and other processes involved in cellular metabolism and known to be dysregulated during cancer formation. Comprehensive multiomics analyses, such as proteomics, metabolomics and targeted genome sequencing, were applied in order to better understand HCC developmental mechanisms in vivo. Two main systems were studied: the ASV-B mouse model and clinical samples from human patients. The human cohort was composed of biopsy and surgery material from 95 patients: 47 HCC and 48 non-HCC. Proteomic data from both mice and humans show a clear downregulation of the main energy-producing pathways in HCC. Glycogen metabolism, de novo glucose synthesis, glutamine uptake to the TCA cycle, approximately 60% of enzymes of TCA cycle, and transport of pyruvate to mitochondria are downregulated in HCC. An isoform switch at various levels of central carbon metabolism was demonstrated in this work. Both mice and humans with HCC reveal isoform switches at the level of phosphoglycerate mutases and pyruvate kinases. The key features are found in both mouse and human, showing a universal metabolic HCC fingerprint. This study also demonstrates that proteomic analysis of the bioptate material is a strong and sufficient molecular diagnostic tool for research in cancer: the proteomic analysis of liver material allows the distinction of tumor samples from non-tumor samples and also to track the level of disease progression. Targeted genome sequencing revealed that no clear distinction between cancer and precancerous conditions could be made exclusively from the mutation analysis. Human metabolomic data remains inconclusive, possibly due to the different sources of tissue samples.

Tuberkulose ist auch heute noch eine der bedrohlichsten Infektionskrankheiten weltweit, verantwortlich für über 1.5 Millionen Todesfälle jährlich. Diese „Erfolgsgeschichte“ ihres Erregers Mycobacterium tuberculosis ist dabei wesentlich durch einen extrem flexiblen Stoffwechsel bestimmt, der dem Bakterium das Wachstum unter den restriktiven Bedingungen der menschlichen Wirtszelle erlaubt. Diese Arbeit erkundet die Flexibilität des zentralen Kohlenstoffmetabolismus in Mykobakterien mit Hilfe mathematischer Modellierungsansätze, ergänzt durch die Integration von qualitativ hochwertigen experimentellen Daten. Ausgehend von einem Überblick über die metabolische Landschaft des zentralen Kohlenstoffmetabolismus, erhöht sich Schritt für Schritt die Detailtiefe bis hin zur genauen Analyse spezieller infektionsrelevanter metabolischer Wege. Die Verknüpfung des zentralen Kohlenstoffmetabolismus zu umgebenden Stoffwechsel- und Biosynthesewegen wird systematisch offen gelegt, als Voraussetzung für eine thermodynamische Charakterisierung des Systems, welche die Glykolyse als limitierenden Stoffwechselweg unter verschiedenen Wachstumsbedingungen charakterisiert. Basierend auf Protein- und Metabolitdaten im Fleißgleichgewicht, erlaubt eine neu vorgestellte Methode die Vorhersage regulatorischer Punkte für den metabolischen Übergang zwischen verschiedenen Kohlenstoffquellen. Abschließend wird mit Hilfe thermodynamisch-kinetischer Modellierung das Zusammenspiel zweier Stoffwechselwege mechanistisch erklärt, welche den robusten Abbau einer intrazellulären Kohlenstoffquelle ermöglichen. Durch die Entwicklung neuer Modellierungstechniken in Kombination mit hochauflösenden experimentellen Daten, trägt diese Arbeit zum besseren Verständnis der kontextabhängigen Flexibilität des mycobakteriellen Stoffwechsels bei, einem vielversprechenden Angriffspunkt für die Entwicklung neuer Medikamente gegen Tuberkulose. / Tuberculosis remains one of the major global health threats responsible for over 1.5 million deaths each year. This ’success story’ of the causative agent Mycobacterium tuberculosis is thereby closely linked to a flexible metabolism, allowing growth despite the restrictive conditions within the human host. In this thesis, the flexibility of the mycobacterial central carbon metabolism is explored by modeling approaches integrating high-quality experimental data. The analyses zoom in from a network based view to the detailed functionalities of individual, virulence relevant pathways. The interconnection of the central carbon metabolism to the remaining metabolic network is charted as a prerequisite to characterize its thermodynamic landscape, debunking glycolysis as bottleneck in different nutritional conditions. Based on steady state metabolomics and proteomics data, regulatory sites for the metabolic transition between different carbon sources are predicted by a novel method. Finally, the flexible interplay between two seemingly redundant pathways for the catabolism of an in vivo-like carbon source is explained mechanistically by means of thermodynamic-kinetic modeling. By employing novel modeling methods in combination with high-resolution experimental data, this work adds to the mechanistic understanding of the context dependent flexibility of mycobacterial metabolism, an important target for the development of novel drugs in the battle against tuberculosis.