Date of Award

6-2024

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Medical Sciences (Pharmacology and Toxicology)

Department

Medical Microbiology and Immunology

First Advisor

Prof. Basel Al-Ramadi

Second Advisor

Prof. Maria Fernandez Cabezudo

Abstract

The Methylation-controlled J protein (MCJ), also known as DNAJC15, serves as an endogenous negative regulator of mitochondrial respiration. MCJ plays a crucial role in cellular bioenergetics by regulating cellular metabolism, and its expression is inversely proportional to the extent of mitochondrial ATP production. In the current study, we aimed to investigate the relationship between MCJ expression and the tumorigenicity and immunogenicity of colon adenocarcinoma. To this aim, we utilized MCJ knockout (KO) mice to assess the impact of tumor-extrinsic MCJ expression in host cells, particularly immune cells, on anti-tumor responses. Comparing the growth of MCJ-expressing cancer cells in wild-type vs. MCJ KO mice revealed a decreased level of cancer cell growth in MCJ KO mice, which was shown to be due to enhanced anti-tumor responses in KO mice compared to wild-type C57BL/6 mice. To study the role of tumor-intrinsic MCJ expression, we generated MCJ-deficient cancer cell lines using shRNA and performed a comprehensive comparison of their characteristics with MCJ-expressing parental cells. Global transcriptomic analysis using RNASeq revealed profound alterations in gene expression between MCJ-expressing parental and MCJ-deficient transfectant cells. Based on the differential genetic signatures, we could identify functional changes in several immune-related pathways, including the interferon gamma/alpha signaling, TNF-α signaling and JAK-STAT signaling pathways, as well as in epithelial-mesenchymal transition. Further characterization of MCJ-deficient cells revealed that while they exhibited similar growth characteristics to MCJ-positive cells in vitro, their in vivo growth was dramatically curtailed in wild-type C57BL/6 mice. In contrast, the growth of MCJ-deficient cancer cells was indistinguishable from parental cells in athymic, T-cell deficient, mice. Investigation of the tumor microenvironment by immunohistochemistry and flow cytometry revealed significant alterations in infiltrating immune cells indicative of increased immunogenicity, which render them more susceptible to host's anti-tumor immune responses. To gain further insight into the underlying mechanisms, we carried out RNASeq analysis of excised tumor tissue of MCJ-expressing and MCJ-deficient cancer cells. RNASeq profiling of tumors showed a dramatic alteration in metabolic programming within the MCJ-deficient tumors indicating a shift from a predominantly glycolysis-driven hypoxic tumor microenvironment to less hypoxic conditions that are reliant on the utilization of the oxidative phosphorylation pathway. This fundamental change is underpinned by alterations in many immune-related pathways that function to enhance anti-tumor immune responsiveness. These novel findings highlight the dual role of MCJ protein in regulating the immunogenicity of cancer cells and the efficacy of anti-tumor immune responses. By elucidating the impact of MCJ on cancer cell behavior and host immune cell function, our study underscores the connection between cellular metabolism, tumorigenesis, and anti-tumor immune responses. These insights enhance our understanding of cancer biology and hold promise for the development of novel therapeutic strategies targeting metabolic reprogramming within tumors.

Arabic Abstract

دور الميتوكوندريا في التحكم في النمو والاستجابة المناعية لسرطان القولون والمستقيم

يعمل بروتين MCJ والمعروف أيضًا باسم DNAJC15، كمنظم سلبي داخلي للتنفس الميتوكوندريا. يلعب MCJ دورًا حاسمًا في التنشيط الحيوي الخلوي من خلال تنظيم التمثيل الغذائي الخلوي، ويتناسب تعبيره عكسيًا مع مدى إنتاج الميتوكوندريا ATP. في الدراسة الحالية، سعينا إلى التحقيق في العلاقة بين تعبير MCJ والأورام والمناعة لسرطان الغدة القولونية. ولتحقيق هذا الهدف، استخدمنا فئران مفتقرة لجين MCJ (MCJ KO)، لتقييم تأثير تعبير MCJ المستخرج من الورم في الخلايا المضيفة، وخاصة الخلايا المناعية على الاستجابات المضادة للورم. أظهرت مقارنة نمو الخلايا السرطانية المعرضة لـ MCJ في الفئران الطبيعية والفئران من نوع MCJ KO، عن مستوى منخفض من نمو خلايا السرطان في الفئران المفتقرة لجين MCJ (MCJ KO)، وتبين أن ذلك يعود إلى استجابات مضادة للأورام معززة في فئران MCJ KO مقارنة بفئران C57BL/6. لدراسة دور تعبير MCJ الجوهري للورم، قمنا بتوليد خطوط سرطانية بدون MCJ باستخدام shRNA وأجرينا مقارنة شاملة لخصائصها مع الخلايا الأم التي تحتوي على MCJ. تحليل الجينوم الشامل باستخدام تقنية RNASeq كشف عن تغييرات جذرية في تعبير الجينات بين الخلايا الأم التي تحتوي على MCJ والخلايا المفتقرة لـMCJ. استنادًا إلى التوقيعات الجينية التفاضلية، تمكنا من تحديد التغييرات الوظيفية في العديد من المسارات المتعلقة بالمناعة، بما في ذلك مسارات إشارة إنترفيرون ألفا/غاما، ومسارات إشارة TNF-α و JAK-STAT. وقد كشف المزيد من التوصيف للخلايا التي تعاني من نقص MCJ أنه في حين أظهرت خصائص نمو مماثلة للخلايا الإيجابية لـ MCJ في المختبر، فإن نموها في الجسم الحي قد قل بشكل كبير في فئران C57BL/6. وعلى النقيض من ذلك، كان نمو الخلايا السرطانية التي تعاني من نقص MCJ غير قابل للتمييز عن نمو الخلايا الأصلية في الفئران التائية T-cell التي تعاني من نقص الخلايا. وقد كشف فحص البيئة المحيطة بالورم باستخدام المناعة الكيميائية وقياس التدفق الخلوي عن تغيرات كبيرة في الخلايا المناعية المتسللة مما يدل على زيادة المناعة، مما يجعلها أكثر عرضة للاستجابات المناعية المضادة للورم لدى المضيف. للحصول على رؤية أعمق للآليات الأساسية، أجرينا تحليل RNASeq لأنسجة الورم المستأصلة من الخلايا السرطانية التي تحتوي على MCJ و الخلايا السرطانية التي تفتقر إلى MCJ. أظهر تحليل RNASeq للأورام تغييرًا جذريًا في برمجة الأيض داخل الأورام التي تفتقر إلى MCJ مما يشير إلى التحول من بيئة الورم التي تعاني من نقص الأكسجين والتي تعتمد بشكل أساسي على تحلل الجلوكوز إلى ظروف أقل نقصًا للأكسجين والتي تعتمد على استخدام مسار الفسفرة التأكسدية. هذا التغيير الأساسي مدعوم بالتغييرات في العديد من المسارات المتعلقة بالمناعة والتي تعمل على تعزيز الاستجابة المناعية المضادة للأورام. وتسلط هذه النتائج الجديدة الضوء على الدور المزدوج لبروتين MCJ في تنظيم قابلية التحفيز المناعي للخلايا السرطانية وفعالية الاستجابات المناعية المضادة للأورام. ومن خلال توضيح تأثير MCJ على سلوك الخلايا السرطانية ووظيفة الخلايا المناعية المضيفة، تؤكد دراستنا على العلاقة بين التمثيل الغذائي الخلوي وتكوين الأورام والاستجابات المناعية المضادة للأورام. وتعزز هذه الرؤى فهمنا لبيولوجيا السرطان وتبشر بتطوير استراتيجيات علاجية جديدة تستهدف إعادة برمجة التمثيل الغذائي داخل الأورام.

Download
COinS