Regulation of glucose metabolism by telomerase in the health and disease

Abstract

La telomerasa es un complejo compuesto por una subunidad catalítica (TERT) y un componente de ARN (TERC). TERT es capaz de emplear a TERC como molde para completar la síntesis de los telómeros de las células eucariotas, por lo que la telomerasa se ha relacionado directamente con los procesos de envejecimiento y cáncer. Sin embargo, tanto TERT como TERC son capaces de realizar funciones extracurriculares o no canónicas, es decir, independientes del alargamiento telomérico. La regulación del metabolismo energético de las células es importante para el desarrollo de sus funciones, siendo el metabolismo de la glucosa uno de los más estudiados en las células inmunitarias y cancerosas. En líneas generales, la regulación tanto de la glucólisis como del ciclo de Krebs (CAT) son fundamentales no solo para la proliferación de las células, sino que también los metabolitos generados poseen funciones de señalización celular, de control de expresión de genes e inmunomoduladoras. En esta tesis doctoral hemos descrito nuevas funciones extracurriculares tanto de TERC como de TERT con relación a la regulación del metabolismo de la glucosa. Para ello, nos hemos valido del pez cebra como modelo in vivo de experimentación, en el que hemos explorado estas funciones en dos modelos de enfermedad distintos (inflamación crónica y cáncer), y también hemos empleado líneas celulares humanas para realizar estudios in vitro y en condiciones fisiológicas. Los objetivos de esta tesis doctoral son: 1) Estudiar la relación entre terc y la regulación del metabolismo de la glucosa en el contexto de inflamación crónica y en la respuesta inmunitaria contra el cáncer. 2) Validar y caracterizar la interacción entre el complejo piruvato deshidrogenasa y los componentes de la telomerasa TERC y TERT. En el primer capítulo determinamos mediante un análisis metabolómico que la expresión de terc es capaz de modificar la composición de los metabolitos glucídicos, y que terc actúa como un ARN largo no codificante, controlando la expresión del gen ldhbb que cifra una isofroma de la enzima lactato deshidrogenasa. Así, caracterizamos este efecto primero en un modelo de inflamación crónica mediante la realización de estudios farmacológicos, transcriptómicos y funcionales; y segundo, en un modelo de cáncer, estudiando la respuesta inmunitaria antitumoral in vivo mediante la evaluación del desarrollo tumoral y ensayos funcionales con diversas líneas transgénicas de pez cebra. En el segundo capítulo, basándonos en un estudio proteómico realizado en pez cebra, encontramos a la subunidad E1 del complejo piruvato deshidrogenasa (PDC) como posible interactor de terc. En los estudios realizados, validamos la interacción en células humanas empleando técnicas de biología molecular y de imagen. Además, comprobamos mediante inmunofluorescencia y ensayos de actividad enzimática que la expresión de TERC influye en la localización celular de PDC-E1, pero no en su actividad. Por último, confirmamos que la interacción con la PDC-E1 se produce también con TERT y que ambos componentes de la telomerasa son capaces de interaccionar con la subunidad E2 del PDC, estableciendo una nueva función extracurricular para ambos complejos.

Telomerase is a complex composed by a catalytic subunit (TERT) and an ARN component (TERC) whose main function is telomere synthesis in eukaryotic cells. For that reason, telomerase has been related directly to aging and cancer. Nevertheless, both TERT and TERC are known to perform extracurricular or non-canonical functions, that is, independently of telomere lengthening. The regulation of the energy metabolism is very important for the cell function, being the glucose metabolism one of the most studied in cancer cells and immune cells. In general terms, the regulation of both glycolysis and the Krebs cycle (TCA) is fundamental not only for cell proliferation but also, the generated metabolites in those pathways perform cell signaling functions, have immunomodulatory roles and even participate in the control of gene expression. In this doctoral thesis, we have described new extracurricular functions of TERT and TERC related to the regulation of glucose metabolism. In order to do that, we took advantage of zebrafish as an in vivo model, exploring these functions in two different disease models (chronic inflammation and cancer); moreover, we have used human cell lines for in vitro experimentation and in physiological conditions. The objectives of this doctoral thesis are the following: 1) Study the relationship between terc and the regulation of glucose metabolism in the context of chronic inflammation and the cancer immune response. 2) Validate and characterize the interaction between the pyruvate dehydrogenase complex and the telomerase components TERC and TERT. In the first chapter we performed a metabolic study and determined that terc expression was able to modify the glycolysis and TCA cycle metabolite composition. Likewise, we established that terc was playing a role as a long non-coding RNA, controlling the expression of the ldhbb gene, which encodes one isoform of the enzyme lactate dehydrogenase. Hence, we characterized this effect first in a chronic inflammation model by performing pharmacologic, transcriptomic, and functional studies; and second, in a cancer model, specifically studying the anti-tumor immune response in vivo by evaluating the tumor development and performing functional studies with several transgenic zebrafish lines. In the second chapter, we based our studies in a proteomic analysis performed in zebrafish and found that the E1 subunit of the pyruvate dehydrogenase complex (PDC) was a possible terc interactor. In our studies, we validated this interaction in human cell lines using molecular biology and imaging techniques. Moreover, we checked by immunofluorescence and enzymatic activity assays that TERC expression could modify the PDC cell location, but not its enzymatic activity. Lastly, we confirmed that the interaction with PDC-E1 was also taking place with TERT, and that both telomerase components were interacting with the E2 subunit of the PDC, stablishing a new extracurricular function for both complexes.