Limitació de la plasticitat metabòlica per incrementar l’eficàcia dels fàrmacs inductors de dany a l’ADN en càncer

Abstract

[cat] Les alteracions en la reparació de l'ADN són clau en el procés tumorogènic. Així, la reparació dels trencaments de doble cadena (DSB) és una tasca fonamental en la preservació de la integritat dels cromosomes. La reparació dels DSB implica diversos mecanismes, sent la via de recombinació homòloga (HR) crítica en el context tumoral. Les mutacions en gens clau d'aquesta via (com BRCA1/2, Rad51) augmenten la inestabilitat genòmica del tumor i s'han descrit en diversos tipus de tumors, com el càncer d'ovari, de mama i de pròstata. Aquest tipus de tumors, anomenats tumors amb deficiència de recombinació homòloga (HRD), es tornen cada cop més dependents d’A-EJ, especialment de l'activitat de PARP1, que detecta el dany a l'ADN i s'autoPARila, a la vegada que també modifica a altres proteïnes implicades en la resposta al dany de l'ADN. Quan s'inhibeix PARP1 en un context de HRD, els tumors no poden reparar eficaçment el dany de l'ADN i moren, en un fenomen conegut com letalitat sintètica. Així, en l'última dècada, s'ha establert l'eficàcia clínica dels inhibidors de PARP (PARPi) per tractar tumors HRD. Aquesta tesi s'ha dividit en dues parts. La primera part se centra en les adaptacions metabòliques a l'acumulació de DSB. La inducció de dany a l'ADN és un mecanisme d'acció comú de diversos agents quimioterapèutics utilitzats a la clínica. El NAD+ és un factor crític en l'activitat de PARP, ja que actua com a substrat per a la PARilacó i serveix com a coenzim vital en nombroses reaccions del metabolisme energètic. Per mantenir les demandes de NAD+, els tumors HRD presenten un metabolisme més oxidatiu en comparació amb els tumors amb una recombinació homòloga eficient. En aquesta primera part de la tesi, s’ha descrit que, quan els tumors s'enfronten a DSB en el seu genoma, causats ja sigui per dany crònic de l'ADN o pel tractament amb agents anti-tumorals convencionals, la seva plasticitat metabòlica facilita una adaptació en l'ús de les fonts de carboni i energia.

Concretament, els tumors transiten d'una oxidació parcial però ràpida de la glucosa, conegut com el fenotip Warburg, a una oxidació mitocondrial completa. L'oxidació mitocondrial completa és molt eficient i permet a les cèl·lules tumorals produir nivells elevats d'ATP i restaurar els nivells de NAD+, ambdós essencials per mantenir la reparació de l'ADN a través de la via A-EJ. Això fa que aquests tumors siguin més sensibles als inhibidors d'OXPHOS quan es combinen amb inductors de DSB. La segona part d'aquesta tesi es centra en la reprogramació metabòlica dels tumors HRD que són resistents als inhibidors de PARP (PARPi). Cada vegada més pacients estan sent tractats amb PARPi. No obstant això, diversos treballs han descrit la resistència als PARPi, principalment per la restauració de les vies de recombinació homòloga o en la regulació del cicle cel·lular. Tanmateix, no s'ha explorat altres mecanismes com és el cas de les adaptacions metabòliques. Tenint en compte els resultats de la primera part de la tesi, es va formular la hipòtesi que la resposta als PARPi està condicionada per l'estat metabòlic del tumor. S’ha observat que les cèl·lules resistents als PARPi, així com els tumors dels pacients, presenten un metabolisme més glicolític, mentre que aquells que mostren un metabolisme basat en el metabolisme oxidatiu són més sensibles als PARPi. A més, la regulació dels nivells de HIF-1 es destaca com un punt clau en l'adquisició del fenotip glicolític, augmentant els nivells de PDHK1, que pot inhibir la PDH i bloquejar l'entrada de carbonis al cicle de Krebs. A més, l'ús d'inhibidors de HIF-1 reverteix aquest metabolisme glicolític i resensibilitza les cèl·lules als PARPi. La plasticitat és una característica clau en la progressió del càncer, i reduir-la limita el potencial del tumor per evadir les diferents estratègies terapèutiques. En aquesta tesi, l'ús d'agents que indueixen dany a l'ADN ha demostrat limitar la plasticitat metabòlica de les cèl·lules tumorals, forçant-les a dependre d'un metabolisme determinat. Per contra, la capacitat de les cèl·lules tumorals per augmentar la seva plasticitat, com ara recuperant l'expressió de HIF-1, els hi permet sobreviure a escenaris que inicialment haurien conduït a la seva mort, com és el cas dels tumors HRD tractats amb PARPi. Per tant, atacar les dependències metabòliques que les cèl·lules tumorals desenvolupen sota la pressió terapèutica pot augmentar l'eficàcia del tractament, fins i tot en escenaris de dosis limitades de fàrmacs a causa de la toxicitat o en casos de resistència a la teràpia. En aquesta tesi es demostra el potencial d’aplicar aquestes estratègies en diferents models preclínics de progressió tumoral in-vivo. A més, aquestes estratègies tenen el potencial d'augmentar les oportunitats terapèutiques, incrementant l'eficàcia dels fàrmacs, reduint la recaiguda tumoral i millorant la salut dels pacients.

[eng] Alterations in DNA repair are key in the tumorigenic process. Thus, the repair of double-strand breaks (DSB) is a fundamental task in preserving the integrity of chromosomes. DSB repair involves several mechanisms, with the homologous recombination (HR) pathway being critical in the tumour context. Mutations in key genes of this pathway (such as BRCA1/2, Rad51) increase the tumour’s genomic instability and have been described in various types of cancer, such as ovarian, breast, and prostate cancer. These types of tumours, called homologous recombination-deficient (HRD) tumours, become increasingly dependent on A-EJ, especially on PARP1 activity, which detects DNA damage and autoPARylates, while also modifying other proteins involved in the DNA damage response. When PARP1 is inhibited in an HRD context, the tumours cannot efficiently repair DNA damage and die, in a phenomenon known as synthetic lethality. Thus, in the past decade, the clinical efficacy of PARP inhibitors (PARPi) has been established for treating HRD tumours. This thesis has been divided into two parts. The first part focuses on metabolic adaptations to the accumulation of DSBs. Inducing DNA damage is a common mechanism of action for several chemotherapeutic agents used in clinical settings. NAD+ is a critical factor in PARP activity, as it acts as a substrate for PARylation and serves as a vital coenzyme in numerous energy metabolism reactions. To meet NAD+ demands, HRD tumours exhibit a more oxidative metabolism compared to tumours with efficient homologous recombination. In this first part of the thesis, it has been described that when tumours face DSBs in their genome, caused either by chronic DNA damage or by treatment with conventional anti-tumoral agents, their metabolic plasticity facilitates an adaptation in the use of carbon and energy sources. Specifically, the tumours shift from a partial but rapid glucose oxidation, known as the Warburg phenotype, to complete mitochondrial oxidation.

Complete mitochondrial oxidation is highly efficient and allows tumour cells to produce high levels of ATP and restore NAD+ levels, both essential for maintaining DNA repair via the A-EJ pathway. This makes these tumours more sensitive to OXPHOS inhibitors when combined with DSB inducers. The second part of this thesis focused on the metabolic reprogramming of HRD tumours that are resistant to PARP inhibitors (PARPi). An increasing number of patients are being treated with PARPi. However, several studies have described resistance to PARPi, mainly due to the restoration of homologous recombination pathways or cell cycle regulation. Nevertheless, other mechanisms, such as metabolic adaptations, have not been explored. Based on the results of the first part of the thesis, it was hypothesized that the response to PARPi is conditioned by the metabolic state of the tumour. It was observed that PARPi-resistant cells, as well as tumours from patients, exhibit a more glycolytic metabolism, while those that show a metabolism based on oxidative metabolism are more sensitive to PARPi. Additionally, the regulation of HIF-1 levels stands out as a key point in the acquisition of the glycolytic phenotype, increasing PDHK1 levels, which can inhibit PDH and block the entry of carbons into the Krebs cycle. Moreover, the use of HIF-1 inhibitors reverses this glycolytic metabolism and resensitizes the cells to PARPi. Plasticity is a key characteristic in cancer progression, and reducing it limits the tumour’s potential to evade different therapeutic strategies. In this thesis, the use of DNA-damaging agents has been shown to limit the metabolic plasticity of tumour cells, forcing them to depend on a specific metabolism. In contrast, the ability of tumour cells to increase their plasticity, such as by recovering HIF-1 expression, allows them to survive in scenarios that would have initially led to their death, as in the case of HRD tumours treated with PARPi. Therefore, targeting the metabolic dependencies that

tumour cells develop under therapeutic pressure can enhance treatment efficacy, even in scenarios of drug dose limitations due to toxicity or cases of therapy resistance. This thesis demonstrates the potential of applying these strategies in various preclinical models of tumour progression in-vivo. This has the potential to increase the therapeutic opportunities currently in use, improving drug efficacy, reducing tumour relapse, and improving patient outcomes.