Les Purines.

Cancer is most devastating when it metastasizes -- when tumor cells break away, travel through the bloodstream, and then attach elsewhere, only to grow another tumor. A significant amount of scientific research has focused on finding ways to prevent metastasis. For some time, scientists have understood that a particular biochemical pathway, known as the PDK1 pathway, is active in metastasizing cancer cells. But no one knew why.

In a new paper published in PLOS ONE, Songon An and colleagues have shown for the first time that the PDK1 pathway regulates the formation of a three-protein complex that facilitates two chemical pathways: One builds purines (two of the four building blocks of DNA) and the other produces thiamine, a B vitamin. While it's still unknown how purine and thiamine levels contribute to metastasis, the authors hypothesize ways they could be related, and they are planning further research to reveal any links.

For example, the three-protein core complex that PDK1 regulates is sometimes joined by three more proteins. Together, the six proteins form a larger complex called the purinosome, which carries out all 10 reactions necessary to build purines. Without the three peripheral proteins, however, purine production only goes halfway, and the molecule the core complex makes is more likely to end up as the vitamin thiamine.

Making purines is an energy-intensive process, so one hypothesis is that decreasing purine production during metastasis helps the cell survive while it is detached from a nutrient source like an organ. "Looking at this metabolic switch -- which pathways are in use during metastasis versus when the cell is attached -- may be where our research goes in the future," says An.

The team's immediate next step is to validate the function of the three-protein core complex. After that, they'll investigate whether the core complex and the six-protein purinosome are actively coming together and breaking apart in metastatic cells. "Blocking those dynamics could be an alternative way to block metastasis," An says.

A broader goal for An and collaborator Greg Szeto, UMBC assistant professor of chemical, biochemical, and environmental engineering, is to map the various protein complexes and the signaling pathways they regulate in cancer cells. "We want to put every signaling pathway into the same context," An explains. "Whenever the proteins have different spatial assemblies, we would like to know which pathways are on and which ones are turned down."

So far, the researchers have only looked at one pathway at a time (such as PDK1), but by using a cutting-edge technique that can detect many proteins at once within a cell, "now we are going to target multiple signaling pathways at the same time, so that we can understand the complete picture of the regulatory map for purine metabolism." That knowledge could provide more new insights into the causes of metastasis and how to prevent it.


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Le cancer est le plus dévastateur lorsqu'il se métastase - lorsque les cellules tumorales se détachent, voyagent dans la circulation sanguine, puis s'attachent ailleurs, pour développer une autre tumeur. Une quantité importante de recherche scientifique s'est concentrée sur la recherche de moyens pour prévenir les métastases. Depuis quelque temps, les scientifiques ont compris qu'une voie biochimique particulière, connue sous le nom de voie PDK1, est active dans la métastase des cellules cancéreuses. Mais personne ne savait pourquoi.

Dans un nouvel article publié dans PLOS ONE, Songon An et ses collègues ont montré pour la première fois que la voie PDK1 régule la formation d'un complexe de trois protéines qui facilite deux voies chimiques: On construit des purines (deux des quatre blocs d'ADN) ) et l'autre produit de la thiamine, une vitamine B. Bien que l'on ne sache toujours pas comment les niveaux de purine et de thiamine contribuent aux métastases, les auteurs émettent l'hypothèse qu'ils pourraient être liés, et ils prévoient d'autres recherches pour révéler des liens.

Par exemple, le complexe de noyau de trois protéines régulé par PDK1 est parfois rejoint par trois autres protéines. Ensemble, les six protéines forment un complexe plus grand appelé le purinosome, qui effectue toutes les 10 réactions nécessaires pour construire des purines. Sans les trois protéines périphériques, cependant, la production de purine ne va qu'à mi-chemin, et la molécule produite par le complexe de base a plus de chance de finir en tant que vitamine thiamine.

La fabrication de purines est un processus intensif en énergie, donc une hypothèse est que la diminution de la production de purines pendant la métastase aide la cellule à survivre alors qu'elle est détachée d'une source de nutriments comme un organe. "En regardant ce changement métabolique - quelles voies sont utilisées pendant la métastase par rapport à celles utilisées quand la cellule est attachée - C'est peut être où notre recherche va aller à l'avenir", dit An.

La prochaine étape immédiate de l'équipe est de valider la fonction du complexe de base de trois protéines. Après cela, ils vont étudier si le complexe de base et le purinosome à six protéines se réunissent activement et se séparent dans les cellules métastatiques. "Bloquer ces dynamiques pourrait être un moyen alternatif de bloquer les métastases", dit An.

Un objectif plus large pour An et son collaborateur Greg Szeto, professeur adjoint UMBC d'ingénierie chimique, biochimique et environnementale, est de cartographier les différents complexes protéiques et les voies de signalisation qu'ils régulent dans les cellules cancéreuses. "Nous voulons placer chaque voie de signalisation dans le même contexte", explique An. "Chaque fois que les protéines ont des assemblages spatiaux différents, nous aimerions savoir quelles voies sont ouvertes et celles qui sont fermées."

Jusqu'à présent, les chercheurs ont seulement regardé une voie à la fois (comme PDK1), mais en utilisant une technique de pointe qui peut détecter de nombreuses protéines à la fois dans une cellule, "maintenant nous allons cibler plusieurs voies de signalisation à en même temps, afin que nous puissions comprendre l'image complète de la carte de réglementation pour le métabolisme des purines. " Cette connaissance pourrait fournir de nouvelles perspectives sur les causes des métastases et comment les prévenir.

Mise à jour

Les analogues de purines sont des agents de chimiothérapie très efficaces dans le traitement de la leucémie lymphoïde chronique , la plus fréquente des leucémies de l’adulte en Europe. Cependant, certains patients ne répondent pas (bien) au traitement ou rechutent après y avoir répondu. Il est important de comprendre les raisons de cette chimiorésistance et de trouver de nouvelles stratégies thérapeutiques permettant de la combattre.

Les analogues de purines, comme la cladribine et la fludarabine, sont des médicaments dont la structure ressemble à celle de certains constituants de notre matériel génétique, l’ADN. Leur utilisation dans le traitement de la leucémie lymphoïde chronique a constitué une avancée thérapeutique majeure. Mais comment ces substances, qui sont initialement inactives, parviennent-elles à éliminer les cellules leucémiques ?

Un prérequis à l’action thérapeutique des analogues de purines est leur transformation dans la cellule leucémique en une forme active (Fig. 1). Trois réactions successives sont nécessaires à cette activation, la première d’entre elles jouant un rôle clé dans leur efficacité. Une fois activés, les analogues de purines peuvent être intégrés dans l’ADN à la place des précurseurs naturels. Toutefois, la présence de ces précurseurs frauduleux dans l’ADN va entraver le processus de fabrication de l’ADN et créer ce qu’on appelle un dommage à l’ADN. Ce dommage à l’ADN va alors déclencher dans la cellule leucémique une réponse qui mène à sa destruction par un processus appelé apoptose (une sorte de suicide cellulaire). L’activation des analogues de purines est un processus qui se fait préférentiellement dans les cellules lymphoïdes, ce qui explique leur utilisation dans le traitement de la leucémie.

Malgré leur succès, l’utilisation clinique des analogues de purines est malheureusement limitée par des phénomènes de résistance, présents d’emblée ou apparaissant au fil des rechutes. Plusieurs mécanismes peuvent être à la base de cette résistance, qu’on appelle chimiorésistance (Fig. 1): activation insuffisante de l’analogue de purines dans les cellules leucémiques, capacité réduite à générer un dommage dans l’ADN (expliquée par exemple par une réparation accrue des lésions), ou défaut dans la voie menant à l’apoptose.

La finalité des recherches de notre groupe est d’améliorer l’efficacité clinique des analogues de purines. C’est pourquoi nous nous intéressons particulièrement aux mécanismes par lesquels ces agents de chimiothérapie parviennent à détruire, et ainsi éliminer, la cellule leucémique. Il est en effet crucial de bien comprendre toutes les étapes qui mènent de l’activation de l’analogue de purines à l’induction de la mort de la cellule par apoptose, afin de pouvoir déceler quelle étape de ce processus est défectueuse chez un patient chimiorésistant et pouvoir éventuellement la corriger.

Ces dernières années, nous avons également investigué l’étape d’activation des analogues de purines, une étape sans laquelle ces médicaments ne peuvent exercer aucun effet thérapeutique. Comme toute transformation se produisant dans une cellule, cette étape d’activation fait intervenir des enzymes, et parmi celles-ci une enzyme appelée désoxycytidine kinase, qui joue un rôle clé dans l’efficacité clinique des analogues de purines. Récemment, nous avons identifié un mécanisme qui modifie les caractéristiques de cette enzyme et qui permet d’accroître son activité, ce qui pourrait être favorable à l’activation des analogues de purines et à leur efficacité. Actuellement, nos recherches visent à déterminer ce qui permet le déclenchement dans la cellule de ce mécanisme activateur de la désoxycytidine kinase. En parallèle, nous cherchons à identifier des molécules qui pourraient être combinées aux analogues de purines afin d’augmenter leur efficacité thérapeutique.

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(Apr. 3, 2008) — Penn State scientists are the first to observe in living cells a key step in the creation of adenine and guanine, two of the four building blocks that comprise DNA. Also called purines, the two building blocks are essential for cell replication. The findings, which will be published in the 4 April 2008 issue of the journal Science, could lead to new cancer treatments that prevent cancer cells from replicating by interfering with their abilities to make purines.

Les scientifiques de l'état de Pensylvanie sont les premier à observer dans les cellules vivantes une étape nécessaire à la créatio de la guanine et de l'adenine, 2 des 4 blocs qui construisent l'ADN. Appelé aussi purines, les 2 blocs sont essentiels pour la répliction de la cellule. Les découvertes, qui seront publiées le 4 avril dans le journal Science pourraient ocnduire à de nouveaux traitements contre le cancer en empêchant les cellules de se reproduire par leur capacité à bloquer la fabrication de purines.

The group used cervical cancer cells--which have an increased demand for purines due to their rapid rates of replication--to demonstrate that a group of six enzymes is involved in the creation of purines. "Our research shows that these enzymes form a cluster prior to purine formation," said Erin Sheets, an assistant professor of chemistry and a collaborator on the project.

Un groupe de 6 enzymes forment une région avant la formation de purine

Although other researchers had, in the past, studied the enzymes individually in test tubes, no one, until now, had examined the group of enzymes together in living cells. "This is the first time that anyone has used the appropriate technology to look for this kind of complex in a living cell," said the team's leader Stephen Benkovic, Evan Pugh Professor of Chemistry and holder of the Eberly Family Chair in Chemistry.

Postdoctoral associates Songon An and Ravindra Kumar, from the Benkovic group, studied the enzyme clusters using a technique called fluorescence microscopy, in which fluorescent proteins are attached to molecules of interest and viewed under a special microscope. According to Sheets, the technique makes it easier to observe specific molecules in a cell. "It's like giving a bright orange helmet to your favorite football player so you can more easily monitor his actions," she said.

Un groupe de scientifique a pu observer la formation de ce regroupements d'enzyme en utilisant la technique appelé fluorescence microscopique. C'Est comme mettre un casque orang à votre joueur de football préféré pour suivre mieux son action.

The researchers attached fluorescent proteins to the enzymes of cells grown in the presence and absence of purines. They found that in the absence of purines, enzymes formed clusters at much higher rates, suggesting that they play a role in the creation of new purines. In contrast, cells also can produce purines by recycling old purine material. Owing to this salvage process, cells do not always need enzyme clusters; indeed, cluster formation was not observed in cells that were grown in the presence of purines. In a key experiment, the researchers were able to influence the association and dissociation of the enzyme cluster by changing the cells' exposure to purines.

Not all of the cells that were grown in the absence of purines contained enzyme clusters. "We think that the enzymes form clusters only when a cell needs purines, and that happens when a cell is required to replicate its DNA at a certain stage in its cell cycle," said Sheets. "Since each of our samples contain cells at different stages of the cell cycle, we did not expect all of them to be actively replicating their DNA. Therefore, we weren't surprised to find that some of our cells did not contain enzyme clusters."

Because purines are necessary for DNA replication and, ultimately, for cell replication, the ability to halt purine synthesis could prove to be a valuable method for treating cancer. "Cancer cells have very high demands for purines," said Benkovic. "If we can find a way to disrupt the formation of this particular enzyme cluster, it could become a potential new target for cancer therapy."

Parce que les purines sont nécessaire pour faire l'adn, la capacité d'arrêter la synthèse de purine pourrait être une méthode valble pour traiter le cancer "Les cellulles cancéreuses ont une demande très grande pour des purines" dit Benkovic "si nous pouvons trouver un moyen d'interrompre la formation de c type de regroupement d'enzymes, cela pourrait devenir un nouveau traitement contre le cancer.

This research was supported, in part, through the Center for Optical Technologies at Penn State University, which receives support from the Commonwealth of Pennsylvania and the Donors of the American Chemical Society Petroleum Research Fund.