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An experimental and bioinformatic tissue proteomics-strategy applied to human hepatocellular carcinoma focussing on functional data interpretation

Zwickl, Hannes (2010) An experimental and bioinformatic tissue proteomics-strategy applied to human hepatocellular carcinoma focussing on functional data interpretation.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Lebenswissenschaften
BetreuerIn: Gerner, Christopher

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DOI: 10.25365/thesis.14243
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30405.23767.593370-0

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Abstract in English

The main challenge of tissue proteomics arises from the intrinsic complexity of samples which impedes reliable data interpretation. Tissues are composed of different cell types and a specific extracellular matrix. Although tumors are supposed to arise from a single cell type (e.g. HCC from hepatocytes or liver stem cells), their composition is additionally influenced by e.g. the infiltration of immune cells, by changes in the abundance of cells constituting also non-tumorous tissues and by epithelial-mesenchymal transition of cells due to an increase of developmental plasticity and loss of differentiation state usually accompanying tumor progression as well as the extracellular matrix as crucial constituent of the tumor microenvironment. The aim of this work was to determine functional differences of non-tumorous liver and HCC tissue via proteomics methods (shotgun, mass spectrometry, 2D-PAGE). For data interpretation, the focus was laid on basic cell biological and metabolic alterations resulting in the loss or gain of functions rather than those occuring at the single gene (protein) level. Proteins were functionally clustered based on several databases (e.g. KEGG, PubMed) as well as biochemical and toxicological literature. Moreover, functional proteome alterations were correlated to physiologically, histologically, and cytologically observable alterations. In order to enable the comparison of immunohistochemically (from www.proteinatlas.org) and tissue proteomics-derived protein expression, a method for the elaboration of histologic data was introduced. In addition, proteome data were compared to those of “Encyclopedia of Hepatocellular Carcinoma genes Online” (EHCO), a database compiling eight gene set collections including PubMed, SAGE, microarray, and proteomics data (see citation in 1.1.2). HCC tissues generally exhibit reduced secretion performance and concomitantly enhanced cytoplasmic protein synthesis (see paper “A novel technique to specifically analyze the secretome of cells and tissues” [1]) although liver-specifically synthesized plasma proteins were found to be enriched in HCC compared to non-tumorous liver at the tissue proteome level. Hence, the quantitative and qualitative aspects of the tumor secretome are discussed as well as functional groups with influence on this phenotype including protein synthesis, import of proteins into the ER as prerequisite for secretion as well as chaperones and protein degradation. Furthermore, alterations of enzyme expression involved in glycolysis (Warburg effect), glycogen metabolism and fatty acid metabolism (altered composition of lipid composition of tumors) were determined. In additon, some liver-specific functions concerning detoxification in a broader sense are covered (urea cycle, phase I- and II-system). Moreover, the involvement of e.g. c-Myc and Ras in tumor development or maintenance is indicated, the first based on the coordinated expression levels of five independent proteins, the second by being highly upregulated in HCC tissue. In addition, some other tumor-relevant proteins such as anti-apoptotic and drug resistance-mediating sorcin, the supposedly locally enriched cardiotrophin-1, and HRPAP20, which enhances the growth and survival of hormone-responsive tumor cells but has not been associated with primary liver cancer thus far, were found to be pronouncedly more abundant in HCC.

Schlagwörter in Englisch

Hepatocellular Carcinoma / Tissue proteomics / functional data interpretation

Abstract in German

Die Interpretation von pathophysiologischen Veränderungen des Gewebsproteoms stellt aufgrund der Vielzahl von Einflussgrößen eine besondere Herausforderung dar. Gewebe bestehen aus verschiedenen Zelltypen, deren quantitative Zusammensetzung und qualitativer Funktionszustand sich unter pathophysiologischen Bedingungen drastisch verändert. So spiegeln sich beispielsweise die Infiltration von Immunzellen und die gesteigerte Durchblutung des Gewebes bei Entzündung, die epitheliale-mesenchymale Transition von transformierten Hepatozyten oder die Transdifferenzierung von Stellatzellen der Leber in Myofibroblasten im Zuge der Leberkanzerogenese im Proteomprofil des hepatozellulären Karzinoms wider. Das Ziel dieser Arbeit war, die Unterschiede der Proteomprofile von Leber und hepatozellulärem Karzinom auf funktioneller Ebene zu charakterisieren. Ein Hauptaugenmerk wurde auf Veränderungen basaler zellbiologischer (z.B. Proteinsynthese, -faltung, -degradation) und metabolischer Funktionen (Glykolyse, Fettsäuremetabolismus) sowie auf leberspezifische Funktionen (Fremdstoffmetabolismus, Harnstoffzyklus) gelegt. Die funktionelle Kategorisierung wurde anhand verschiedener Datenbanken (z.B. KEGG, PubMed) sowie biochemischer und toxikologischer Literatur erarbeitet. Soweit möglich, wurden funktionelle Proteomveränderungen mit physiologisch, histologisch und cytologisch beobachtbaren Veränderungen korreliert (z.B. Erbdefekte, dominant-negative Zelllinien, usw.) um die biologische Wirkung von gesteigerter oder verminderter Expression von Proteinen bewerten zu können. Um Proteomdaten mit immunohistochemischen Expressionsdaten („Human Protein Atlas“, www.proteinatlas.org) vergleichen zu können, wurde ein Verfahren etabliert, das es ermöglicht die unabhängigen histologischen Datensätze „Intensität“ und „Quantität“ miteinander zu verknüpfen. Weiters wurden die Proteomdaten mit jenen der „Encyclopedia of Hepatocellular Carcinoma genes Online“ (EHCO)-Datenbank korreliert. Diese umfasst u.a. SAGE-, Micorarray- und Proteomics-Daten. Im Vergleich zu normalem Lebergewebe zeigt das hepatozelluläre Karzinom charakterischerweise eine veringerte Sekretionsleistung bei gleichzeitig gesteigerter Synthese von zytoplasmatischen Proteinen (“A novel technique to specifically analyze the secretome of cells and tissues” [1]). Allerdings wurden im hepatozellulären Karzinom auf Gewebsproteomebene vermehrt leberspezifisch sekretierte Plasmaproteine detektiert. Daher werden mögliche physiologische und zellbiologische Einflussgrößen auf die Proteinsynthese und die quantitative und qualitative Zusammensetzung des Tumorsekretoms im Kontext des funktionell charakterisierten Tumorproteoms diskutiert. Weiters werden die tumor-relevanten Funktionen Glykolyse (Warburg-Effekt) und Fettsäuremetabolismus sowie Detoxifikation (Harnstoffzyklus, Phase I- und Phase II- Enzyme; Resistenz gegen Chemotherapeutika) behandelt und Proteine, die tumor-charakteristische Eigenschaften vermitteln, in Bezug auf vorhandene Literatur diskutiert.

Schlagwörter in Deutsch

Hepatozelluläres Karzinom / Gewebsproteomics / funktionelle Dateninterpretation

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Zwickl, Hannes
Title: An experimental and bioinformatic tissue proteomics-strategy applied to human hepatocellular carcinoma focussing on functional data interpretation
Umfangsangabe: 168 S. : Ill., graph. Darst.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Lebenswissenschaften
Publication year: 2010
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Gerner, Christopher
Assessor: Prohaska, Rainer
2. Assessor: Weiß, Thomas
Classification: 42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie
44 Medizin > 44.37 Physiologie
35 Chemie > 35.26 Massenspektrometrie
35 Chemie > 35.70 Biochemie: Allgemeines
42 Biologie > 42.15 Zellbiologie
AC Number: AC08781745
Item ID: 14243
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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