肿瘤信息学

徐鹰

佐治亚大学生化系、 吉林大学计算机学院

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Lecture III

Key Drivers of Cancer Initiation and Progression

Two Main Schools of Thoughts

• Cancer is the result of genetic mutations

• Cancer is the result of altered energy metabolism

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Bishop and Varmus, 1989 Nobel prize winners

Otto Warburg 1931 Nobel prize winner

Cancer is a Genomic Disease

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• The discoveries of oncogenes and tumor suppressor genes, both in 1970’s, marked the start of a new era of cancer research

• oncogenes: genes whose mutation or over‐expression can cause cancer

• tumor suppressor genes: genes can guard cells from becoming cancerous

• Hundreds of oncogenes and tumor suppressor genes have been identified as of now, either specific to a particular cancer or cancer in general such as MYC, Ras, p53

Cancer is a Genomic Disease• “Cancer as a genomic disease” has profoundly affected the field of cancer research

•When studying a cancer, a key priority is to identify oncogenes and tumor suppressor genes

•Many such genes have been suggested for a variety of cancers

• APC mutation considered as the tumor suppressor gene of colorectal cancer

• BRCA mutations as the tumor suppressor genes of breast cancer

• Philadelphia chromosome as the oncogene of CML

• …….

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•One key issue with the current genomic‐centric view of cancers is: it is not consistent with Darwin’s Theory of Evolution 

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Cancer is a Genomic Disease

Cancer is a Metabolic Disease • Warburg effect: cancer cells produce energy by glycolysis followed 

by lactate fermentation in cytosol, rather than by oxidation of pyruvate in mitochondria in normal cells even when cells have oxygen

• Otto Warburg postulated in mid 1920’s that this change in energy metabolisms is the fundamental cause of cancer, and hence considered cancer as a disease of metabolism

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glucose

glucose-6-phosphate

pyruvate

acetyl CoA

TCA cycle electron transport chain

lactate

produces 36 energy units (ATPs) per glucose

produces 2 energy ATPs per glucose

glycolysis oxidative phosphorylation

mitochondria

He speculated that these cells may have dysfunctional mitochondria

Cancer is a Metabolic Disease 

• In 1960’s, Warburg stated: Cancer … has countless secondary causes; but there is only one prime  cause, (which) is the replacement of respiration of oxygen in normal body cells by a fermentation of sugar.

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Why These Two Are Popular

• For the “genomic mutation” theory, cancer genome sequence data revealed that large numbers of mutations and simple models seem to be able to explain the growth of a cancer

• For the “metabolic disease” theory, energy metabolism reprogramming is widely observed in cancer, and the theory has been used as a basis for cancer detection (PET scan) 

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There Are Other “Theories”•Microbe induced cancers: certain cancers are believed to be caused by infection of microbes, such as cervical cancer induced by human papilloma virus or liver cancer induced by aflatoxin

• Radiation induced cancers: some cancers are believed to be strongly associated with radiation exposure such as some leukemia 

• Industrial compounds induced cancers: some cancers are believed to be caused by man made carcinogens in the environments such as dioxins, benzene and asbestos

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Which Ones Are  (Probably) Correct?•We need to have a general framework through which all the pieces of knowledge about cancer can be integrated and all the omic data can be adequately explained

• The framework should allow us to study cancer as an evolutionary problem, driven by various types of identifiable pressures

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• It should enable us to examine cancer in a more holistic manner rather than the traditional reductionist views and approaches 

Red Queen Hypothesis• Proposed by Leigh Van Valen: organisms must constantly adapt, evolve, and proliferate not merely to gain reproductive advantage, but also simply to survive while pitted against ever‐evolving opposing organisms in an ever‐changing environment

•While Darwin’s Evolutionary Theory is more focused on adaptation of organisms to environment, Van Valen’s Red Queen Hypothesis is more about adaptation in a competing environment with opposing organisms

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Leigh Van Valen

Red Queen Hypothesis

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• Paterson et al. designed two experiments to study coevolution of the bacterium Pseudomonas  and its antagonistic phage Φ2 

• Have them evolve to a dynamic equilibrium 

• Then give one a slight competitive edge and keep the other unchanged

• The finding is that the equilibrium shifts towards increased population of the organism with an advantage, leading to the evolution of the other one till the original equilibrium is regained

• They concluded that antagonistic coevolution is a cause of rapid and divergent evolution, and is likely to be a major driver of evolutionary change

Paterson et al. Nature 2010

Searching for Pressures That Drive a Cancer to Form and Develop 

• If the same evolutionary principle holds for cancer, what are the pressures that drive a cancer for form and develop

• Hypothesis: cell division is a way for the cells to reduce the pressure!  It may even be: when cell division stops, the (pressured or diseased) cells will die

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•Warburg effect: use glycolysis pathway (rather than oxidative phosphorylation) to generate ATP; and hence substantially increased lactic acid production 

• De novo synthesis of nucleotides

• Higher pH inside cells while lower pH outside of cells 

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Key Facts about Cancer

• Strongly associated chronic inflammation

• Substantially increased lipid metabolism without substantially increased ROS production 

• Substantially increased genomic mutations 

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Key Facts about Cancer

Clues for the Search 

• There seems to be a hidden source of ROS that can oxidize lipids, DNA and possibly cell surface glycan

• The same source may ultimately • lead to increased pH inside cells• be related to de novo synthesis of nucleotides• inhibit oxidative phosphorylation and benefit from glycolysis

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•Where do we start to find the cancer‐driving pressure? 

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Oxygen and Life

• The emergence of oxygen ~2.8 billion years ago made it possible to have complex organisms developed, including human

• Human as a population has never lived under hypoxia for extended period of time

Oxygen and Life

• Chronic inflammation has been found to be associated with cancer development but the mechanisms remain not fully understood

• Chronic inflammation tend to lead to hypoxia as well as over‐production of ROS

•Question what happens when human cells are in hypoxic condition for extended period of time?

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Energy Supply under Hypoxia

• Under hypoxia, human cells switch to (partial) anaerobic fermentation from oxidative respiration for ATP production

• The cells will increase their uptake of glucose to make up for the reduced energy production efficiency

• This leads to the accumulation of glucose metabolites 

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• The reason is: the anaerobic fermentation system is probably too small to deal with the influx of the glucose

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Energy Demand under Hypoxia

25human rat mouse naked mole rat

H.T. rat blind mole rat

frog turtle

• Human, rat and mouse have very little reduction in energy demand under hypoxia versus normoxia

• Frog and turtle have significant reductions

• Naked and blind mole rats have substantial reductions  

Energy Demand and Supply under Hypoxia

•While other organisms have reduced their energy demand substantially, human, mouse and rat have very little reduction

• Hence, they have large energy gaps between supply and demand, which make them hungry

•Why?  

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Energy Demand and Supply under Hypoxia

• This is the result of evolution as human has never lived in hypoxic environment for long during the past evolution and hence has not learned which energy‐consuming activities to shut down

• Very interestingly, one difference between these two groups of organisms is that one develops cancer and the other virtually do not develop cancers

• Hence the energy gap may have something to do with the possibility of cancer development

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Energy Gap and Implications• The continual accumulation of glucose metabolites will lead to cell death if the accumulation is not channeled out

•What is the connection between the accumulation glucose metabolites and cell proliferation?

•Oncogenes have been proposed to be the link but that will not work since most of the affected cells are probably not signaled to proliferate 

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Accumulation and Cell Proliferation

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Hyaluronic Acid and Function 

Hyaluronic acid fragments serve as a wide range of signals for tissue injury and repair

• Hyaluronic acid fragments of different lengths serve as different signals, including cell proliferation, cell survival, angiogenesis, recruiting of immune cells

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Hyaluronic Acid and Hypoxic Cells• Synthesized hyaluronic acids will be exported out of cells and then degraded into fragments, hence providing all the signals for continuous growth

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Hyaluronic Acids and Tissue Repair• Hyaluronic acids of different sizes serve as different signals for tissue injury and repair• Inflammatory signals to recruit immune cells

• Cell survival through repressing apoptosis• Cell‐cycle control• Cell growth

• Loss of contact inhibition• Anchorage‐independent growth 

• Angiogenesis• ….

Virtually all the signals needed for tumor cell proliferation

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(Short) hyaluronic acids of different sizes serve as different signals, all related to tissue repair

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Model: hypoxia -> accumulation of glycolytic metabolites -> hyaluronan synthesis and fragmentation -> continuous cell proliferation signaling

-> continuous cell proliferation

cancerno cancer

Hyaluronic Acids and Naked Mole Rat

You Can Find This on the Internet 

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Be careful!

Hyaluronic Acids as Signaling Molecules 

• Hyaluronic acids serve as signals for tissue repair – they are tissue level signals 

• Cell proliferation is just one of the multiple signals that hyaluronic acids serve

• Gene‐expression data show that these signals will be ultimately replaced by oncogenes

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Synthesis of Hyaluronic Acid • The key conditions for activation of hyaluronic acid synthesis pathway:

• plenty of glucose metabolites, particularly G6P

• hypoxic condition

• availability of TGFβ

• That is, under inflammation‐induced persistent hypoxia,  hyaluronic acid will be synthesized, exported and fragmented

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(available when tissue is inflammatory)

Master Regulator of Proliferation

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Hyaluronic Acids as Oncogenes

•Mutation‐induced activation of oncogenes is a more efficient and irreversible replacement of hyaluronic acids‐facilitated cell proliferation!

•Why oncogenes can have effect once hyaluronic acids are being used but not before? 

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Persistent Hypoxia and Cancer

• Persistent hypoxia leads to • persistent production of tissue‐level signals for tissue repair through hyaluronic acid generation 

• reduced ATP production by mitochondria

• increased lactic acid production  

• accumulation of glucose metabolites

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• Persistent production of hyaluronic acid production provides continuous signals for affected cells to• overcome virtually all tissue‐level constraints for cell division such as contact‐inhibition and anchor‐dependence of ECM 

• overcome apoptosis 

• generate angiogenesis• …..

• Virtually all conditions for a cancer to take place

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Persistent Hypoxia and Cancer

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How About These Organisms?

Searching for Cancer Drivers

• But we are looking for something that can explain 

• how the environment determines the growth rate of a cancer

•why caner cells utilize • de novo synthesis of nucleotides, • why the intracellular pH is alkaline; 

• what is that hidden source of ROS that leads to substantial damages to lipids and DNA; …..

•Why the cells will die if they stop dividing 

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癌症的发病率

•男人 》女人

•食肉者 》素食者

•血色病患者 》 健康人 》 贫血患者

•（美国）黑人 》 白人 》东亚裔人

•运动员 》 非远动员

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癌症的发病率

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We get most of irons from red meat

癌症的发病率

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Fenton Reaction

• Fenton reaction 

Fe2+ + H2O2 ‐> Fe3+ + OH‐ + ▪OH

was first reported by British chemist Henry John Horstman Fenton in 1890s.

• Hydroxyl radical represents the most reactive molecule that human cells can possibly produce; it reacts with virtually any molecule in human cells

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•Question 1: Can we demonstrate computationally beyond a reasonable doubt the occurrence of Fenton reactions in cancer tissue based on gene‐expression data?

•Question 2: How do Fenton reaction‐harboring (hence OH‐producing) cells maintain their pH stability? 

Fenton Reaction

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Continuous Fenton Reactions

• Fenton reaction may continue if there are reducing agents nearby that can convert Fe3+ back to Fe2+ 

Fe2+ + H2O2 ‐> Fe3+ + OH‐ + ▪OH

•Many molecules can serve as this reducing agents, such as S2‐ in the iron‐sulfur cluster, ascorbate (Vc), folate and other vitamins. 

RA

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Predicting Fenton Reactions 

• Rewrite Fenton reaction as

RA+ H2O2 ‐‐‐> OH‐ + ▪OH with Fe2+ as catalyst

• Estimate each of the five quantities: [Fe2+], [H2O2], [RA], [▪OH] and [OH‐] based on gene expression data

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•We used Michaelis‐Menten equation to assess how well these quantities fit the model

Predicting Fenton Reactions 

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•We predicted that all cancers have Fenton reactions in cytosols (a cellular compartment).

Cytosolic Fenton Reactions 

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•Question: Where do the OH‐’s go? 

• Easy answer: Neutralized by protons in the intracellular pH buffer (if the quantity is relatively small).

•What if its quantity is so large that overwhelms the pH buffer, leading to change in the pH ?

Cytosolic Fenton Reactions 

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•Observation 1: there is strong correlation between nucleotide synthesis and the level of cytosolic Fenton reaction.

•Observation 2: consumption of each glycolytic ATP generates one net proton (H+) and of respiration‐generated ATP is pH neutral

•Observation 3: synthesis of nucleotides is a most ATP‐demanding process

Cytosolic Fenton Reactions 

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•Hypothesis: cancer cells employ nucleotide synthesis to rapidly consume glycolytic ATPs to produce H+ towards neutralizing OH‐ generated by Fenton reactions

Cytosolic Fenton Reactions 

Fenton reactions

cancer

•We have statistically demonstrated that the amount of glycolytic ATPs produced strongly correlates with the level of cytosolic Fenton reactions. 

Equivalently: [H+] correlates with [OH‐] by Fenton reactions

We predict: the combined glycolytic ATP synthesis and nucleotide synthesis is to produce enough protons to neutralize OH‐produced by Fenton reactions

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Cytosolic Fenton Reactions 

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Cytosolic Fenton Reactions 

•Question: where do the continuously synthesized nucleotides go?

• Answer: cell division! 

Two Additional Fenton Reactions

•Mitochondrial Fenton reactions lead to continuous production of ATP without the need of consuming glucose (fatty acids or amino acids)

• Cytosolic and extracellular Fenton reactions generate plenty of signals for cell cycle progression

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Why Warburg Effect

• Unlimited ATPs can be generated via mitochondrial Fenton reactions using various reducing agents as electron donors

• Hence there is no need for oxidative phosphorylation to generate ATPs while glycolytic ATPs produce protons that the cells need

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What Determines Growth Rates

•The relative levels of Fenton reactions in three subcellular locations

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Q: How long do I need to hold the door?A: .. till the door is broken!

Cell Proliferation and Tumor Suppressor Genes

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Generally the evolving cells may have to wait till a specific genetic mutation to happen in order for them to progress efficiently to reduce the pressure on them

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Cell Proliferation and Oncogenic Mutations 

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What Is Cancer• Cancer is a disease where cells are under increasingly more pressure and cell division is a pathway to survival

• The bigger the pressure, the faster the cells need to divide.  

Hereditary Cancers•One type of breast cancer is induced by BRCA gene mutations

• There are various other genomic mutations induced cancers

• kidney cancer due to mutations in fumarate hydratase (FH) 

• colon cancer due to APC mutations 

• retinoblastoma due to Rb‐1 mutations 

• Li‐Fraumeni syndrome due to p53 mutations 

• Cowden syndrome due to PTEN mutations

• Von Hippel‐Landau syndrome due to VHL mutations

• …….

•Why do these mutations lead to cancer (in specific organ(s))?

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Hereditary Cancers•What do these mutated genes have in common?

• The mutations all lead to the accumulation of reactive oxygen species (ROS)

• E.g., one of the functions of BRCA is to neutralize hydrogen peroxide; hence its mutation leads to increased accumulation of ROS

•Mutations in p53 can interfere with the normal response to oxidative stress through attenuating the activation and function of Nf‐E2‐related factor 2. This effect is manifested by decreased expressions of phase 2 detoxifying enzymes NQO‐1 and HO‐1 and increased ROS level.

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Other Cancer‐inducing Mutations• kidney cancer resulting from mutations in fumarate hydratase

• APCmutation‐induced colon cancer

• retinoblastoma induced by RB1mutations 

• Li‐Fraumeni syndrome due to P53mutations

• Cowden syndrome caused by PTENmutations

• Von Hippel‐Lindau syndrome because of VHLmutations

•….

• All lead to accumulation of ROS

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Implications of Increased ROS

•What happens when cellular ROS level continues to increase

• It leads to the repression of mitochondrial activities

• Including oxidative phosphorylation, the main pathway for energy production from glucose

• This will lead to increased fermentation activity for energy production 

• Hence the energy metabolism reprogramming, accumulation of glucose metabolites, …….

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Other Cancer‐inducing Reasons

•Microbe‐induced cancers: mostly related to chronicle inflammation and associated hypoxia

• Industrial carcinogens induced cancers: probably related to either ROS accumulation and/or inflammation

• Radiation‐induced cancer: mostly related ROS production

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Summary

• Persistent hypoxia coupled with inflammation leads to 

• persistent production of hyaluronic acids, hence all the key signals needed for persistent cell division without top‐down signaling

• increased accumulation of iron as well as H2O2, giving rise to Fenton reactions

• oncogenic mutations are selected to provide accelerated signals for cell division to keep up with the needs to remove the synthesized nucleotides

• tumor suppressor mutations are selected to avoid stoppers for cell division 

• hereditary cancers follow a similar process but the initial chronic inflammation and hypoxia are due to mutations

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