Deciphering the role of autophagy initiator ULK1 in Glioblastoma biology

Glioblastoma (GBM) remains the most lethal brain tumor in humans, with 50% of patients dying within the first year of diagnosis, while only a measly 5% of patients achieve 5-year survival rates. To date, no effective treatment are available for GBM. Therefore, there is an urgent need to identify further novel molecular targets to be translated into clinical practice. Autophagy has been extensively implied in GBM. During the early stage of tumorigenesis, autophagy acts as a tumor suppressive mechanism preventing the accumulation of damaged, dysfunctional or long-lived proteins and organelle, limiting oxidative stress, chronic tissue damage and activation of oncogenic signaling. Conversely, once the tumoral mass is established, autophagy sustains the elevated metabolic demand, caused by rapid proliferation and elevated tumor growth, recycling nutrients, providing energy and activating survival mechanisms to counteract hypoxia or treatment-induced stress. Despite these insights, autophagy remains largely uncharacterized in GBM thus requiring further investigation. In this context, we identify a tumor suppressive role for the autophagy-inducing kinase ULK1 in GBM biology. Analysis of both patients-derived datasets and specimens showed a significant downregulation of both transcript and protein levels of ULK1. This ULK1 negative modulation is also observed under glioma stem cells (GSCs)-enriched condition, highlighting that an ULK1 loss may represent a pivotal event in GBM initiation. Consistently, mass-spectrometry based proteomic profiling and analysis of autophagy proficiency demonstrated that autophagy is substantially downregulated in GBM compared to non-tumoral healthy astrocytes and negatively correlates with ULK1 expression levels. Moreover, restoration of ULK1 levels in a GBM in vitro models, expressing low basal levels of ULK1, significantly impairs proliferation, self-renewal and tumorspheres formation abilities. Importantly, the phenocopied effects obtained from overexpression of an ULK1 kinase-dead mutant in association with the modest improvement of autophagy proficiency, upon ULK1 wild-type overexpression, suggest that tumor-suppressive function of ULK1 in GBM could be likely independent of its canonical role in autophagy.

Il glioblastoma (GBM) rimane il tumore cerebrale più letale nell'uomo, con il 50% dei pazienti che muore entro il primo anno dalla diagnosi, mentre solo circa il 5% dei pazienti raggiunge una sopravvivenza a 5 anni. Ad oggi, non sono disponibili trattamenti efficaci per il GBM. Pertanto, vi è un'urgente necessità di identificare nuovi bersagli molecolari da traslare nella pratica clinica. L'autofagia è stata ampiamente implicata nel GBM. Durante la fase iniziale della tumorigenesi, l'autofagia agisce come un meccanismo di soppressione tumorale che impedisce l'accumulo di proteine e organelli danneggiati, disfunzionali o longevi, limitando lo stress ossidativo, il danno tissutale cronico e l'attivazione di vie di segnalazione oncogeniche. Al contrario, una volta che la massa tumorale è stabilita, l'autofagia sostiene l'elevata richiesta metabolica causata dalla rapida proliferazione e dall'elevata crescita tumorale, riciclando i nutrienti, fornendo energia e attivando meccanismi di sopravvivenza per contrastare l'ipossia o lo stress indotto dal trattamento. Nonostante queste evidenze, l'autofagia rimane in gran parte poco caratterizzata nel GBM e richiede ulteriori approfondimenti. In questo contesto, identifichiamo un ruolo oncosoppressivo per la chinasi induttrice dell’autofagia ULK1 nella biologia del GBM. L’analisi di dataset e campioni derivati da pazienti ha mostrato una significativa riduzione sia dei livelli di trascritto sia dei livelli proteici di ULK1. Questa modulazione negativa di ULK1 è stata osservata anche in condizioni arricchite in cellule staminali di glioma (GSCs), evidenziando come la perdita di ULK1 possa rappresentare un evento chiave nell’insorgenza del GBM. In accordo con questi risultati, il profilo proteomico basato su spettrometria di massa e l’analisi della competenza autofagica hanno dimostrato che l’autofagia è sostanzialmente ridotta nel GBM rispetto agli astrociti sani non tumorali e correla negativamente con i livelli di espressione di ULK1. Inoltre, il ripristino dei livelli di ULK1 in modelli cellulari in vitro di GBM, caratterizzati da bassi livelli basali di ULK1, compromette significativamente la proliferazione, l’auto-rinnovamento e la capacità di formazione di sfere tumorali. È importante sottolineare che i medesimi effetti, ottenuti mediante sovraespressione di una forma mutata di ULK1 priva di attività chinasica, insieme al modesto miglioramento della competenza autofagica, osservato in seguito alla sovraespressione della forma nativa di ULK1, suggeriscono che la funzione oncosoppressiva di ULK1 nel GBM possa essere probabilmente indipendente dal suo ruolo canonico nell’autofagia.