UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced...

183
UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl) UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of Betulinic acid‐induced cell death Potze, L. Link to publication Citation for published version (APA): Potze, L. (2015). Mechanisms of Betulinic acid‐induced cell death. General rights It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Disclaimer/Complaints regulations If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible. Download date: 03 Jan 2020

Transcript of UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced...

Page 1: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl)

UvA-DARE (Digital Academic Repository)

Mechanisms of Betulinic acid‐induced cell death

Potze, L.

Link to publication

Citation for published version (APA):Potze, L. (2015). Mechanisms of Betulinic acid‐induced cell death.

General rightsIt is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s),other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Disclaimer/Complaints regulationsIf you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, statingyour reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Askthe Library: https://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam,The Netherlands. You will be contacted as soon as possible.

Download date: 03 Jan 2020

Page 2: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death

Lisette Potze

2015

Mechanism

s of Betulinic acid-induced cell death

Lisette Potze

Uitnodiging

Voor het bijwonen van de openbare verdediging van

het proefschrift:

Mechansisms of Betulinic acid-induced cell death

doorLisette Potze

Op dinsdag 24 novemberom 10.00 uur

in de AgnietenkapelOudezijds Voorburgwal 231

1012 EZ Amsterdam

Aansluitend bent u van harte welkom bij de receptie

in de Agnietenkapel

ParanimfenDaisy Picavet06-24920886

Danique ten Pas06-11283870

Lisette PotzeWeth. Insingerstraat 72

1107 XD [email protected]

Page 3: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

    

Mechanisms of Betulinic acid‐induced cell death 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lisette Potze 

 

 

 

 

 

 

Page 4: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mechanisms of Betulinic acid‐induced cell death 

© 2015 Lisette Potze. Thesis University of Amsterdam, The Netherlands. 

All rights reserved. No part of this thesis may be reproduced, stored or transmitted in any form or by any means, without the prior permission of the author, or, when applicable, of the publishers of the scientific papers. 

ISBN: 978‐94‐6299‐201‐6 

Printing: Ridderprint BV, the Netherlands 

Lay‐out: Lisette Potze 

About the cover: The author got inspired by the painting La Gerbe (1953) by H. Matisse. On the front 

cover a caricature of the painting where instead of leaves the inner membrane of the mitochondria 

are schematic represented. The different colors used, represent the different mechanisms of Betulinic 

acid and the chapters in this thesis. Cover design by Lisette Potze and René Scriwanek. 

The research described  in this thesis was performed at the Center for Experimental and Molecular 

Medicine (CEMM), Laboratory of Experimental Oncology and Radiobiology (LEXOR) at the Academic 

Medical Center (AMC), University of Amsterdam (UVA), The Netherlands. 

The research described  in  this  thesis was supported by a grant of Stichting Nationaal Fonds  tegen 

Kanker. This support is gratefully acknowledged. 

Printing of this thesis was financially supported by: 

The Academic Medical Center Amsterdam, ABN Amro Bank, Rob & Gerda Potze. 

Page 5: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

    

Mechanisms of Betulinic acid‐induced cell death 

 

 

ACADEMISCH PROEFSCHRIFT 

 

 

 

 

ter verkrijging van de graad van doctor 

aan de Universiteit van Amsterdam 

op gezag van de Rector Magnificus 

      prof. dr. D.C. van den Boom 

ten overstaan van een door het College voor Promoties ingestelde commissie, 

in het openbaar te verdedigen in de Agnietenkapel 

op dinsdag 24 november 2015, te 10.00 uur 

 

door  

Lisette Potze 

 

geboren te Alkmaar 

 

 

 

 

 

Page 6: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Promotiecommissie 

Promotor:     

Prof. dr. J.P. Medema  Universiteit van Amsterdam 

   

Copromotores: 

dr. J.H. Kessler    Universiteit van Amsterdam 

    dr. F.M. Vaz    Universiteit van Amsterdam 

 

Overige leden:   

    Prof. dr. C.J.F. van Noorden  Universiteit van Amsterdam 

    Prof. dr. E.F. Eldering    Universiteit van Amsterdam 

    Prof. dr. R.J.A. Wanders   Universiteit van Amsterdam 

    Prof. dr. A.J. Verhoeven   Universiteit van Amsterdam 

    Prof. dr. S. de Jong    Rijksuniversiteit Groningen  

    dr. S.W.G. Tait      University of Glasgow  

 

Faculteit der Geneeskunde 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 7: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

     

 

 

 

 

 

 

 

“An expert is someone who has made all the mistakes which can be made, in a very 

narrow field.” 

          Niels Bohr 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aan mijn ouders 

Page 8: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 9: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

    

Table of contents Chapter 1  

General introduction              9 

Chapter 2  

Betulinic acid‐induced mitochrondria‐dependent cell death     55   

is counter balanced by an autophagic salvage response 

Chapter 3 

Betulinic acid induces a novel cell death pathway that       77 

depends on cardiolipin modification 

Chapter 4 

Betulinic acid induces a rapid form of cell death in colon     107 

cancer stem cells 

Chapter 5 

Improved identification of lipids using physico‐chemical properties:  127 

application to lipidomics analysis of Betulinic acid treatment 

Chapter 6 

General discussion              147 

Annexes 

Summary                165 

Nederlandse samenvatting            171 

Dankwoord/Words of gratitude           179 

Curriculum Vitae              189 

Portfolio                193 

Publication list                197 

 

Page 10: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 11: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

    

Chapter 1 

 Introduction 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

"Begin at the beginning," the King said gravely, "and go on till you come to the end; then 

stop." 

  Lewis Carroll, Alice in Wonderland 

Page 12: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 13: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  11 

1. Cancer  

Cancer is a group of diseases characterized by unregulated cell growth and the invasion and 

spread of cells from the site of origin, or primary site, to other sites in the body. Cancer has 

defects  in  regulatory  circuits  that  control  normal  cell  proliferation  and  homeostasis, 

resulting in uncontrolled expansion of cells. Processes that contribute to the overall net cell 

number are cell proliferation and elimination of cells by programmed cell death (discussed 

below).  Cancer  is  a  genetic  disease,  where  mutation  in  oncogenes  (genes  that  have 

dominant gain of function due to mutation, amplification and/or overexpression) and tumor 

suppressor  genes  (genes  with  recessive  loss  of  function  mutations,  deletion  and/or 

epigenetic silencing of these genes) dictate the defects  in cellular expansion.(1, 2) In 2000, 

Hanahan and Weinberg proposed that cancer arises through a multistep, mutagenic process 

in which oncogenes and tumor suppressor genes play an important role, whereby cancer 

cells acquire essential alterations  (hallmarks)  in the physiology of the cell that combined 

result  in malignant  growth.(3)  These hallmarks  include  self‐sufficiency  in  growth  signals, 

insensitivity  to  anti‐growth  signals,  tissue  invasion  and metastasis,  limitless  replicative 

potential, sustained angiogenesis and evasion of apoptosis. Conceptual progress has been 

made  after  the  description  of  the  first  hallmarks  and  therefore  a  decade  after  these 

descriptions were proposed, Hanahan and Weinberg added two additional characteristics 

and two emerging hallmarks. These include: deregulated cellular energetics, evasion of anti‐

cancer immunity, tumor promoting‐inflammation and genome instability and mutation.(4) 

The hallmarks of  cancer have attributed  to our understanding of  the disease and are a 

potential target for the treatment of cancer.  

In  this  introduction  we  will  focus  on  the  following  hallmarks:  evading  apoptosis  and 

deregulated cellular energetics. We provide an overview of cell death mechanisms and how 

these are altered in cancer, followed by an overview of cell metabolism and its alterations 

occurring in cancer. 

2. Programmed cell death 

Programmed cell death (PCD)  is an evolutionary highly conserved fundamental biological 

process. PCD removes old needless cells during tissue formation thereby maintaining tissue 

homeostasis.  Homeostasis  is  needed  to  keep  internal  conditions  stable  and  relatively 

constant. To maintain homeostasis, PCD also removes damaged or abnormal cells. Several 

forms of PCD exist and  the  last  few years more accurate definitions of  these  cell death 

pathways have been postulated by  the Nomenclature Committee on Cell Death  (NCCD). 

These  definitions  are  based  on  molecular  characteristics  instead  of  the  classical 

morphological  traits  and  include  extrinsic  apoptosis,  caspase‐dependent  or  caspase‐

independent  intrinsic  apoptosis,  autophagic  cell  death,  regulated  necrosis  and mitotic 

catastrophe.(5)  Apoptosis  is  a  cell  autonomous  program  of  damaged  or  stressed  cells 

Page 14: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

12 

resulting in ‘organized’ cell death which can be executed by two distinguishable pathways: 

the extrinsic pathway and the intrinsic pathway. 

2.1. Extrinsic apoptosis 

The extrinsic pathway, also known as death receptor pathway, is activated by binding of a 

so‐called  death  ligand  to  its  receptor  belonging  to  the  tumor  necrosis  factor  (TNF) 

superfamily. Members of the TNF family share similar cysteine‐rich extracellular domains 

and have a cytoplasmic domain about 80 amino acids in size called the death domain.(6) The 

best characterized ligands are FasL/CD95L, TNF‐alpha and TNF‐related apoptosis inducing 

ligand  (TRAIL).  The  corresponding  receptors  are  Fas/CD95,  TNFR1‐2  and  TRAILR  1‐4, 

respectively.(5,  7‐9)  Binding  of  a  death  receptor  ligand  to  its  receptor  results  in  the 

recruitment of adaptor protein Fas‐associated death domain (FADD) and in case of TNFR‐1 

like proteins, TNFR‐associated death domain (TRADD) is first recruited followed by FADD.(10) 

Besides FADD and TRADD, cellular inhibitor of apoptosis proteins (cIAPs), cellular FADD‐like 

interleukin‐1β‐converting  enzyme  (FLICE)‐like  inhibiting  proteins  (cFLIPs),  receptor‐

interacting  protein  kinase  1  (RIPK1  also  known  as  RIP1  ),  E3  ubiquitin  ligases  and  pro‐

caspase‐8 and pro‐caspase‐10 are recruited to the death domain.(5) The resulting complex, 

named ‘death‐inducing signaling complex (DISC), constitutes a platform that regulates the 

activation of caspase‐8 and caspase‐10.(5, 11, 12) Depending on cell type (type 1 or type 2 cells) 

two different routes of further downstream pathways are known.(13, 14) In type 1 cells, active 

caspase‐8 directly activates caspase‐3 and thereby trigger the executioner phase. In type 2 

cells, caspase‐8 mediates the cleavage of BH3 interacting domain death agonist (BID) this 

results  in  the  generation  of  truncated  BID, wich  translocates  to  the mitochondria  and 

releases  cytochrome  c  and  results  in mitochondrial  outer membrane  permeabilization 

(MOMP).(5) These pathways are tightly regulated. At the level of DISC inhibitory proteins like 

cFLIPs and cIAPs can prevent the recruitment of procaspase‐8 by competitive binding to the 

death domain of FADD or by inhibition of caspase‐8 activation within the cFLIP‐containing 

DISC.(10) In type 2 signaling, apoptosis can, in addition to regulation at the DISC, be regulated 

by anti‐apoptotic BCL2 proteins  like BCL2 or BCL‐XL to block the truncated BID‐mediated 

apoptosis. Another  route of  inhibition  is by  inhibitor of apoptosis proteins  (IAPs), which 

prevents caspase‐9 activation.(10) These inhibitory proteins themselves are counteracted by 

mitochondrial  proteins  such  as  SMAC/DIABLO. More  information  about  mitochondrial 

involvement in apoptosis and the proteins involved is described below. 

2.2. Caspase‐dependent and caspase‐independent intrinsic apoptosis 

Intrinsic  apoptosis  is  triggered  by  intracellular  stress  signals  such  as  growth  factor 

withdrawal, DNA damage, oxidative stress or oncogene activation.(15) Intrinsic apoptosis is 

defined  as  a  cell  death  process  that  is  mediated  by  mitochondrial  outer  membrane 

permeabilization  (MOMP)  and  is  consequently  associated  with  loss  of  mitochondrial 

Page 15: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  13 

transmembrane  potential,  release  of mitochondrial  intermembrane  space  proteins  (i.e 

cytochrome c) into the cytosol and loss of mitochondrial respitory chain activity.(5)  

Currently it is still debated how cytochrome c is released from the mitochondria, however 

it is known that the release is tightly regulated by the B cell CLL/lymphoma‐2 (BCL‐2) family 

proteins which consists of pro‐apoptotic proteins and pro‐survival proteins.(15, 16) The BCL‐2 

family is a large set of proteins which al contain at least one conserved BCL‐2 homology (BH) 

domain. The anti‐apoptotic proteins (BCL‐2, BCL‐XL, BCL‐W, Mcl1 and A1) share four BCL‐2 

homology domains (BH1–BH4) among each other, with the exception of Mcl‐1 that contains 

only three BH domains.(17) The anti‐apoptotic proteins are generally integrated within the 

outer mitochondrial membrane (OMM) but can also found in the cytosol and endoplasmic 

reticulum.(18) 

The pro‐apoptotic BCL2 family members can be divided into two groups: BAX like molecules 

(BAX, BAK, BOK, BCL‐G and BFK, also known as effector proteins) which contains multiple 

(at least two) BH domains (BH1, BH2, BH3 and BH4).(16, 18) The second group of proteins are 

the BH3‐only proteins (amongst others: BID, BIM, BAD, PUMA (p53 upregulated modulator 

of apoptosis), Noxa, BIK, HRK and BMF) which share only the BH3 domain.(17) 

In initiation of intrinsic apoptosis, BAK/BAX activation is crucial. Oligomerization of BAK/BAX 

results in proteolipid pores within the OMM and thereby promote MOMP with subsequent 

cytochrome c release. Combined deletion of BAK/BAX prevents release of cytochrome c and 

results  in  resistance  to  all death  stimuli of  the  intrinsic apoptosis pathway.(19) BH3 only 

proteins are cell death initiators, which are activated by transcriptional or posttranslational 

mechanisms  in a  tissue‐restricted and signal specific manner.(20‐22) They act upstream of 

BAK/BAX and can be subdivided based on their ability to  interact with the anti‐apoptotic 

proteins  or  both  anti‐apoptotic  as well  as  BAK  like molecules  (the  effectors).  BH3‐only 

proteins  that only bind and  inhibit  the anti‐apoptotic proteins are called “sensitizers” or 

“de‐repressors”  (BAD,  BIK,  Noxa  and  HRK),  while  BIM,  BID  and  PUMA,  known  as 

“activators”, can bind the anti‐apoptotic proteins as well as directly bind to BAK/BAX and 

inducing  oligomerization  and  MOMP.(18,  23)  Each  sensitizer/de‐repressor  protein  has  a 

unique binding profile for the anti‐apoptotic proteins. Sensitization lowers the threshold for 

the activation of BAK/BAX and MOMP, but does not cause apoptosis itself. In de‐repression, 

a direct activator is bound by an anti‐apoptotic protein, and a subsequent BH3‐only protein 

releases the activator to promote MOMP.(18) 

Upon MOMP, the released cytochrome c binds apoptotic protease activating factor 1 (APAF‐

1),  inducing  its conformational change and oligomerization  leading to the formation of a 

caspase activation platform called  the apoptosome. The apoptosome  recruits, dimerizes 

and activates caspase 9 (an initiator caspase), which can cleave and activate caspase 3 and 

caspase 7 and results  in apoptosis.(24) MOMP results also  in the release of mitochondrial 

release of second mitochondria‐derived activator of caspase (SMAC, also known as DIABLO) 

Page 16: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

14 

and OMI (also known as HTRA2) which block X‐linked inhibitor of apoptosis protein (XIAP)‐

mediated inhibition of caspase activity.(24‐27)  

Tumor suppressor protein p53 

Upon cell stress and DNA damage, a tumor suppressor gene called p53 is activated, and has 

several  downstream  effects  including  cell  cycle  arrest,  DNA  repair,  inhibition  of 

angiogenesis and apoptosis. With these effects the cells get a chance to repair the damage. 

p53  induces  the expression of genes  that encode  for death  receptors and pro‐apoptotic 

proteins  (i.e.  Fas  receptor, BAK and BAX)(28‐31) while on  the other hand  it  represses  the 

expression of anti‐apoptotic proteins (i.e. BCL‐2, BCL‐XL and IAPs) The pro‐apoptotic protein 

PUMA is a direct target of p53.(32) It has been proposed that p53 can also induce apoptosis 

independently  of  its  transcriptional  activity  by  activating  BAX  in  the  cytoplasm  and 

subsequent cytochrome c release.(33) Taken  together one can conclude  that p53  is a key 

regulator in apoptosis signaling. 

 

Figure 1: Apoptotic signaling. Induction of apoptosis by the extrinsic pathway depends on the binding of 

ligand to its receptor. A death‐inducing signaling complex is formed and active caspase 8 generated, which 

can be inhibited by high levels of c‐FLIP. Crosstalk between extrinsic and intrinsic pathway can occur through 

BID cleavage, which leads to activation of the pro‐apoptotic BCL2 family proteins BAX and BAK, resulting in 

MOMP. The  intrinsic apoptosis pathway depends on MOMP and apoptosome formation which results  in 

caspase 3 activation and apoptosis. Intrinsic apoptosis is tightly regulated by the balance between the anti‐

apoptotic  and  pro‐apoptotic members  of  the  BCL‐2  family.  Abbreviations:  APAF1,  apoptotic  protease‐

activating  factor  1;  DISC,  death‐inducing  signaling  complex;  FADD,  Fas‐associated  protein  with  death 

domain;  c‐FLIP,  cellular  FLICE‐like  inhibitory  protein;  FasL,  Fas  ligand;  MOMP,  mitochondrial  outer 

membrane  permeabilization;  SMAC,  second mitochondria‐derived  activator  of  caspase;  XIAP,  X‐linked 

inhibitor of apoptosis protein. 

Extrinsic pathway

Intrinsic pathway

Procaspase 8 Caspase 8

c-FLIP

BID

tBID BAX BAK

BCL2 BCL-XL

Procaspase 3

Caspase 3

Apoptosis

MOMP

Procaspase 9 APAF-1

Cytochrome cApoptosome

Caspase 9

SMACXIAP

FasL

Fas

FADD

Page 17: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  15 

2.3. Autophagy  

Autophagy  is  a  highly  conserved  cellular  proteolytic  (lysosomal)  degradation process  in 

which  cytosolic  components  are  first  encapsulated  by  a membrane  and  subsequently 

degraded in the lysosome, thereby providing new building blocks for the cell and is typically 

induced upon nutrient  starvation.  In cells without  stress, basal  levels of autophagy  take 

place to perform homeostatic functions such as protein and organelle turnover. 

There  are  three  forms  of  autophagy  which  are  mediated  by  distinct  mechanisms.  In 

chaperone‐mediated autophagy, targeted proteins are translocated across the  lysosomal 

membrane in a complex with chaperone proteins (i.e. Hsc‐70) that are recognized by the 

lysosomal membrane  receptor  lysosomal‐associated membrane  protein  2A  (LAMP‐2A), 

resulting in their unfolding and degradation.(34, 35) In contrast, micro‐ and macroautophagy 

involves  the sequestration of cargo  (both selective and non‐selective mechanisms) via a 

sequestering membrane.  In microautophagy  the  sequestration of  cytosolic  components 

occurs directly by the lysosomes, while in macroautophagy the cargo is sequestered within 

a unique double membrane cytosolic vesicle (an autophagosome) which later on fuses with 

a  lysosome  for  degradation  of  the  cargo.(36,  37)  Selective  degradation  involves  targeting 

specific cargoes (i.e. organelles (i.e. damaged mitochondria) or invasive microbes).  

Macro autophagy starts with an isolated membrane (phagophore), which is suggested to be 

derived  from  lipid bilayer contributed by endoplasmic  reticulum,  trans‐Golgi system and 

endosomes.(38) The phagophore expands  so  it  can engulf  cytosolic  cargo  (i.e organelles, 

ribosomes,  protein  aggregates)  to  form  a  double‐membraned  autophagosome.(39)  The 

autophagosome fuses with a lysosome, promoting degradation of the cargo by lysosomal 

proteases. The resulting amino acids and other by‐products of degradation are released to 

the cytosol via lysosomal permeases and lysosomal transporters where they can be used as 

building  blocks.(39)  Canonical  autophagy  involves  five  steps  where  autophagy  related 

proteins play  an  important  role:  (1)  initiation  (which depends  on ULK1  complex  (ULK1, 

ATG13 and ATG17) and receives stress signals from mTOR complex 1), (2) nucleation (which 

depends  on  the  BECLIN1–PtdIns3KC3–ATG14L  complex),  (3)  elongation  and  closure  of 

autophagosome (which depend on ATG12–ATG5 (including ATG7) and LC3–PE conjugation 

systems),  (4)  recycling  (which  depends  on  ATG9)  and  (5)  degradation  by  fusion  to  the 

lysosome.(40) The formation of functional autophagosomes can bypass some of these steps, 

although  these alternative mechanisms are currently under debate and are named non‐

canonical  autophagy. There are  some  forms of non‐canonical  autophagy pathways  that 

have been identified under certain cellular circumstances: one that bypasses the proteins 

involved in elongation and closure (ATG7, ATG5 and LC3) and others that bypass proteins 

that are important for initiation (ULK1) and nucleation (BECLIN1). (reviewed in (40) ) 

The  capacity  for  large  scale  degradation  carries  a  certain  risk  for  cells,  as  unregulated 

degradation  of  cytoplasm  or  organelles  is  likely  to  be  lethal.(37)  Therefore  induction  of 

Page 18: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

16 

autophagy  is tightly regulated by several proteins. Two evolutionarily conserved nutrient 

sensors play a role in autophagy regulation: (1) the mammalian target of rapamycin (mTOR) 

kinase which under normal conditions inhibits autophagy). When mTORC1 kinase activity is 

inhibited autophagosome formation occurs.(41, 42) Second the eukaryotic initiation factor 2α 

(eIF2α) kinase Gcn2 and  its downstream  target Gcn4  (a  transcriptional  transactivator of 

autophagy genes) turn on autophagy during nutrient depletion.(43) Also p53 plays a role in 

regulating autophagy. As a transcription factor  in the nucleus  it can activate proteins (i.e 

DRAM) which activates autophagy.(44) 

 

Figure 2: An overview of several forms of autophagy. Macroautophagy, microautophagy and chaperone 

mediated autophagy are depicted. See text for detailed information. 

2.4. Autophagic cell death 

The definition of autophagic cell death (according to NCCD) is cell death that is mediated by 

autophagy and as such can be suppressed by the inhibition of the autophagic pathway by 

genetic means (gene knockout or RNA interference for i.e. ATG5, ATG12)) and/or chemicals 

(i.e., agents that target VPS34).(5) Certain dying cells display the morphological hallmarks of 

autophagy, however the question whether autophagy has a causative role in cell death has 

been debated. It has been suggested that under specific circumstances that depend on the 

nature of the stimulus, the duration and its amplitude, extensive autophagy may cause cell 

death.(45)  The  discovery  of  chemical  compounds  (i.e  3‐  methyladenine  (3‐MA)  and 

wortmannin) that can  inhibit autophagy resulted  in several reports about autophagic cell 

death. These  reports describe  the existence of  a  caspase‐independent  cell death which 

Cytosolic chaperone complex

Cytosolic protein

CMA

LAMP-2A

Microautophagy

Macroautophagy

Phagophore

Autophagosome

Lysosome

Page 19: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  17 

proceeded with an accumulation of autophagosomes and increased lysosomal activity, and 

using the  inhibitors of autophagy a reduction  in cell death was observed. For example, a 

study using oncogenic Ras‐induced death of glioma or gastric cells showed cell death in the 

absence  of  caspase  activation, which was  not  inhibited  by  the  overexpression  of  anti‐

apoptotic BCL‐2 protein.(46) Another study showed reduced cell death using 3‐MA for anti‐

estrogen  induced  cell  death  in  MCF‐7  cells.(47)  However,  in  these  studies,  autophagy 

occurred in cells thought to die by apoptosis, and it was presumed that autophagy triggered 

apoptosis,  instead of playing a causative role. Moreover, 3‐MA  is not specific for class  III 

PI3K kinases and can inhibit other kinases as well as inhibiting the permeability transition in 

mitochondria.(48) Thus, it is not possible to directly implicate autophagy in death execution 

from these 3‐MA inhibitor studies. A different approach was taken with RNA interference 

(RNAi) of two ATG genes, ATG7 and BECLIN1, this resulted in cell death in mouse L929 cells 

and in macrophages when caspase  inhibitor zVAD was used.(49, 50) RNAi against ATG5 and 

BECLIN1  resulted  in an  inhibition  in cell death  in BAK/BAX knock out murine embryonic 

fibroblasts  (MEFs)  treated  with  etopside  or  staurosporin.(51)  Notably,  in  these  studies, 

apoptosis was  blocked  and  the  ATG  gene  RNAi  blocked  the  cell  death.  These  findings 

exclude  that  autophagy  is  triggering  apoptosis,  nonetheless  they  raise  the  question  if 

autophagy could be a cell death mechanism is cells whose apoptotic machinery is intact.(52) 

In  etopside‐treated  wild  type  MEFs  (which  die  via  apoptosis)  only  small  amounts  of 

autophagy were detected and inhibition of autophagy by 3‐MA did not reduce the etopside‐

induced  cell  death.  This  indicates  that  autophagy  cannot  perform  cell  death  induction 

unless apoptosis is blocked.(51) It could be that cells prefer to die via apoptosis but will die 

by  an  alternative  route  if  the  stimuli  is  harsh  enough.(53)  A  different  possibility  is  that 

apoptotic  cell  death  is  faster  than  autophagic  cell  death  and  therefore  the  last  one  is 

observed only in apoptotic deficient cells.(52) So up to now it is still debatable if autophagic 

cell death occurs in cells which have intact apoptosis. 

2.5. Regulated necrosis 

Necrosis  is  a  form  of  passive  cell  death  that  is  induced  upon  strong  insults  such  as 

mechanical  injury  of  cells.  Typical  features  include  swelling,  rupture  of  organelle 

membranes  as well  as  the  outer  cell membrane  and  as  a  result  the  cell  contents  are 

released, often causing inflammation in vivo.(54) In the past, necrosis has been considered 

as  an  accidental  cell  death  mechanism  defined  by  the  absence  of  morphological 

characteristics  of  apoptosis  and  autophagy.(55) However,  several  laboratories  have  now 

shown  that necrosis  can occur  in  a  regulated manner.(56) Under  selected  circumstances 

regulated necrosis can be  induced by  several  triggers  like excitotoxins,  ligation of death 

receptors and alkylating DNA damage.(57‐60) Regulated necrosis was first described that  it 

include caspase inhibition (especially caspase‐8) by pharmacological agents (i.e., chemical 

caspase inhibitors like Z‐VAD‐fmk) or genetic manipulations (i.e., RNA interference or gene 

knockout), followed by a block in degradation of receptor interacting protein 1 (RIP1) and 

Page 20: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

18 

RIP3. The latter two proteins in turn form a multiprotein complex called the nescrosome, 

which  further  activates  players  for  execution  of  necrotic  cell  death.(56)  However  later 

research showed that regulated necrosis does not occur only in caspase‐incompetent cells 

upon the activation of the receptor interacting protein 1 (RIPK1) homolog RIPK3. There are 

multiple molecular circuits that can drive regulated necrosis including (but not limited to) 

necroptosis (RIP1 dependent, inhibitable by necrostatin 1 form of TNFR1 induced regulated 

necrosis), mitochondrial permeability transition (MPT)‐dependent regulated necrosis (relies 

on cyclophylin D, reviewed in (61)), and parthanatos (a non‐apoptotic cell death subroutine 

that  critically  relies  on  the  (hyper)activation  of  poly(ADP‐ribose)  (PAR)  polymerase  1 

(PARP1).(62, 63) Over the past years it has become clear that regulated necrosis plays a role in 

physiological  scenarios  (e.g.,  embryonic  development)  and  pathological  settings  (e.g., 

ischaemic  injury, neurodegeneration and viral  infection). This  led  to  the  suggestion  that 

patients might benefit from pharmacological modulation of regulated necrosis.(11, 56, 64) 

2.6. Lysosomal cell death 

Lysosomes  are  the  main  compartment  for  intracellular  degradation  and  subsequent 

recycling  of  cellular  constituents.  The  degradation  is  carried  out  by  a  number  of  acid 

hydrolases (i.e phosphatases, nucleases, glycosidases, proteases, peptidases, sulfatases and 

lipases)  capable  of  digesting  all major  cellular macromolecules.(65,  66)  The  best‐studied 

lysosomal hydrolases are the cathepsin proteases. Based on their active site amino acid, i.e. 

cysteine (B, C, H), aspartate (D and E) and serine (G) cathepsins they are divided into three 

subgroups.(67)  Lysosome  membrane  permeabilization  and  the  consequent  leaking  of 

hydrolases (mainly cathepsin proteases) into the cytosol, can initiate the intrinsic apoptosis 

pathway  (68) but also can trigger caspase‐independent non‐apoptotic cell death pathway, 

indicating that the lysosomal hydrolases can act as initiators as well as effectors of PCD.(66, 69, 70) This form of cell death where lysosomal hydrolases are the key activation step is called 

lysosomal cell death.(66, 71) Although the induction of lysosomal cell death is clearly distinct 

from necrosis and apoptosis, the execution phase is similar. 

The  function  of  lysosomal  cathepsin  proteases  is  not  limited  to  intralysosomal  protein 

turnover  and  degradation  of  extracellular matrix  when  secreted.  The  last  years many 

specific functions of the cathepsin proteases have been discovered. These specific functions 

include roles in cell death, bone remodeling, antigen presentation, epidermal homeostasis, 

angiogenesis and cancer cell invasion.(66, 72‐75)  

In cancer, cysteine cathepsins (i.e. B, C, H) are upregulated by a variety of mechanisms like 

gene  amplification,  transcription  regulation,  post‐transcriptional  modifications  and 

epigenetic regulation.(76) Trafficking and subcellular localization of these cysteine cathepsins 

changes during neoplastic progression, resulting  in active and  inactive  forms which have 

pro‐oncogenic effects. The enhanced secretion of these cathepsins initiate tumor growth, 

migration, invasion, angiogenesis and metastasis that increase neoplastic progression. This 

role of cathepsins in cancer has been well studied in vitro and in vivo. (reviewed in (76)) At 

Page 21: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  19 

the  same  time  the  upregulation  of  these  cathepsins  may  sensitize  cells  towards  the 

lysosomal cell death pathway. Especially cell death could occur in tumor cells with several 

defects in the classical apoptosis pathways.(77) 

Cancer cells have developed several strategies to protect them from lysosomal membrane 

permeabilization  and  the  acid  hydrolases  leaking  into  the  cytosol.  One  strategy  is 

upregulation  of  lysosomal  protease  inhibitors,  the  best  characterized  inhibitors  are  the 

squamous  cell  carcinoma  antigens  (SCCA)  1  and  2.  SCCA  1  and  2  are  tumor‐associated 

proteins which  can  inhibit  serine  proteases  and whose  levels  are  used  in  diagnosis  of 

squamous cell carcinoma.(78) Cysteine cathepsins can be inhibited by cystatin A and B and 

serine protease  inhibitor 2A.(66, 79, 80)  In cystatin B‐deficient mice an  increase  in apoptosis 

was observed, demonstrating the importance of these inhibitors in preventing cell death.(81) 

A second strategy is upregulation of heat shock protein 70 (Hsp70), heat shock proteins are 

molecular chaperones that interact with several proteins to assist in their folding, stability 

and function. Hsp70 stabilizes lysosomes by binding to phospholipid bis‐(monoacylglycero)‐

phosphate (BMP), which is highly present in intraluminal membranes of the lysosomes.(70, 

82, 83) BMP is a well described docking lipid for enzymes and cofactors involved in lysosomal 

degradation of  sphingolipids.(82) One of  these  enzymes  is  acid  sphingomyelinase  (ASM), 

which activity depends on its recruitment to the intralysosmal membranes by BMP (84), and 

plays a crucial role in the Hsp70‐mediated stabilization of lysosomes.(83) Hsp70 mediates an 

increase in ASM activity, which leads to higher lysosomal ceramide content and increased 

lysosomal stability.(70) How Hsp70 affects the stability of the lysosome is still unclear but the 

hypothesis is that the change in lipid composition of the intralysosomal membranes has an 

influence  on  the  stability  of  the  entire  lysosome.  It  could  be  that  an  ASM  dependent 

increase of ceramide alters the properties of membranes in such a way that it has a positive 

effect on the stability of the outer membrane.(70) 

In  light  of  the  dependence  on  these  survival  strategies  further  elucidation  of  these 

mechanisms controlling lysosomal membrane stability could lead to potential cancer drug 

targets. 

 

3. Cell death in cancer 

3.1. Apoptosis and cell death 

The  transforming  effects  of  proto‐oncogenes  (i.e. Myc)  that mediate  unrestrained  cell 

proliferation are countered by “intrinsic tumor suppressor mechanisms” that most often 

trigger  apoptosis.(85)  Defects  in  the  apoptotic  machinery  play  an  important  role  in 

oncogenesis, allowing neoplastic  cells  to  survive over  intended  lifespans,  subverting  the 

need  for  exogenous  survival  factors  and providing protection  from oxidative  stress  and 

hypoxia  as  the  tumor mass  expands.(86) Apoptosis defects  are  considered  an  important 

complement  of  pro‐oncogene  activation,  as many  deregulated  oncoproteins  (i.e. Myc, 

Cyclin‐D1)  that drive  cell division also  trigger apoptosis.(87) For example, Myc  constantly 

Page 22: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

20 

induces cell proliferation and apoptosis. To facilitate myc‐driven tumorigenesis, inhibition 

of apoptosis (e.g., loss of function of p53 or overexpression of BCL2) is required.(85) 

Mutations that affect the extrinsic pathway of apoptosis are for example mutations in death 

receptor genes. Epigenetic silencing of death  receptors occur  like epigenetic silencing of 

TRAIL‐R1 results in apoptosis resistance in gliomas(88) and ovarian cancer.(89) Furthermore, 

cFLIP is overexpressed in many tumors and thereby block caspase 8.(90, 91) Beside blocking 

of  caspase‐8,  loss  of  caspase‐8  expression  (i.e.  by  epigenetic  silencing  or  loss  of 

heterozygosity  (LOH)) has been observed.(92) Downregulation/loss of  Fas expression has 

been also  found  in a variety of  tumors  including melanoma,  lung adenocarcinomas and 

esophageal cancer.(93‐95) 

A well‐known alteration in the resistance to intrinsic apoptosis are mutations in the tumor 

suppressor gene p53. This results in loss of induction of BAX and PUMA and to some extent 

NOXA and as a consequence a block in apoptosis.(96) 

Next to loss of p53‐dependent apoptosis, overexpression of anti‐apoptotic BCL‐2 or BCL‐XL 

probably  occurs  in more  than  half  of  all  cancers(97),  rendering  tumor  cells  resistant  to 

apoptotic  stimuli,  including  most  cytotoxic  anticancer  drugs.  Cancer  cells  can  acquire 

resistance to apoptosis by down regulation or mutation of pro‐apoptotic proteins such as 

BAK and BAX. For example, haploid loss of BAX results in accelerated tumor progression in 

breast  cancer mice models  (98)  and  in myc‐mediated  lymphogenesis.(99)  In  tumors with 

microsatellite  instability,  several  mutation  in  BAX  are  observed  leading  to  decreased 

apoptosis  and  thus  increased  tumor  progression.(100,  101)  In  general,  cancer  cells  have 

acquired  many  different  mutations  that  result  in  a  diminished  or  complete  block  in 

apoptosis, thereby promoting tumor progression.  

 

3.2. Autophagy and cancer 

The  regulation  of  autophagy  overlaps  closely  with  signaling  pathways  that  regulate 

tumorigenesis.  Tumor  suppressor  genes  like  p53,  PTEN,  TSC1  and  TSC2  involved  in  the 

upstream  inhibition  of mTOR  signaling,  can  stimulate  autophagy.  In  contrast  oncogene 

products  like  class  I  PI3K,  AKT  and  BCL‐2  can  activate  mTOR  signaling  and  inhibit 

autophagy.(102, 103)  In cancer, anti‐apoptotic proteins BCL‐2 and BCL‐XL are upregulated  in 

many tumors and they inhibit autophagy by binding to the BECLIN‐1 autophagy protein.(104, 

105)  In 40‐75% of  the  cases of human ovarian, prostate  and breast  cancer one  allele of 

BECLIN‐1  is  deleted.  This  is  important  in  oncogenesis  because mice with  heterozygous 

disruption  of BECLIN‐1  have  a  diminished  autophagy  and were more prone  to  develop 

tumors.(106, 107) These data suggest that autophagy acts as a tumor suppressive mechanisms, 

however the mechanism by which autophagy functions in tumor suppression is still unclear. 

Autophagy also plays a role genomic stability, mono‐allelic or bi‐allelic loss of BECLIN‐1 or 

ATG5 results in increased DNA damage, gene amplification and aneuploidy in parallel with 

increased oncogenesis.(108) For the mechanism behind this more research is needed. 

Page 23: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  21 

3.3. Necrosis and cancer 

In  (regulated)  necrosis  cells  release many  pro‐inflammatory  signals  to  the  surrounding, 

resulting  in  recruitment  of  immune  inflammatory  cells(109), which  have  been  shown  to 

actively promote tumorigenesis by fostering angiogenesis and cancer cell proliferation and 

invasiveness.(4) On top of that, necrotic cells release bioactive regulatory factors (i.e IL‐1α) 

which  can  directly  stimulate  the microenvironment  to  proliferate  facilitating  neoplastic 

progression.(110) 

Thus  in  general,  cancer  cells  can make  evasive  adaptations  in  all  different  cell  death 

mechanisms or use them to their benefit. These alterations render the cells to resistance to 

conventional therapies like chemotherapy and radiotherapy.  

4. Metabolism  

Activation  of  oncogenes  and  the  loss  of  tumor  suppressor  genes  promote  metabolic 

reprogramming  in cancer. This hallmark of cancer cells  is mirrored  in enhanced nutrient 

uptake to supply energy and building blocks for biosynthetic pathways. Moreover, cancer 

cells are typified by their ability to exhibit metabolic flexibility to sustain their growth and 

survival when nutrients are limited.(111) Over the last decade, researchers started to unravel 

the precise mechanisms behind  the multitude of metabolic  changes observed  in  cancer 

cells. This has been and still is a formidable task as cellular metabolism in eukaryotes is a 

complex system with more than 5000 metabolic reactions catalyzed by more than 10.000 

enzymes.(112) and www.genome.jp/kegg) Metabolism pathways are divided into two main 

categories, which are energy metabolism pathways  (such as glycolysis, Krebs cycle,  fatty 

acid oxidation and oxidative phosphorylation) and biosynthesis pathways (such as lipid and 

fatty acid synthesis and biosynthesis of nucleotides via the pentose phosphate pathway).  

4.1. Energy metabolism  

Adenosine triphosphate (ATP) is an energy carrier in all mammalian cells. Cells produce ATP 

via multiple pathways. Exogenous glucose is via glycolysis converted to pyruvate, resulting 

in  a  net  gain  of  two  ATP  molecules.  In  the  absence  of  oxygen,  pyruvate  is  further 

metabolized to lactate without a further gain in ATP molecules. In the presence of oxygen, 

pyruvate is converted into acetyl CoA and this product can enter the citric acid cycle (also 

known as Krebs cycle), which is a continuous cycle where acetyl CoA and oxaloacetate are 

processed by 8 different enzymes. The first conversion is to citrate followed by processing 

to cis‐Aconitate, isocitrate, which is further oxidized to oxalosuccinate and converted to α‐

ketoglutarate. α‐ketoglutarate  is processed  to succinyl‐CoA,  then  to succinate. Succinate 

dehydrogenase converts succinate  into  fumarate, which  is  then processed  into  l‐malate. 

The  final  step  involves  the oxidation of  l‐malate  into  the  starting product oxaloacetate, 

which can then with a new molecule acetyl CoA restart the cycle. The crucial product of the 

Page 24: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

22 

Krebs  cycle  is  NADH  and  FADH2  which  are  used  to  generate  ATP  via  oxidative 

phosphorylation. Via glycolysis and the Krebs cycle the breakdown of one glucose molecule 

results in a total of 36 ATP molecules.  

Next to glucose other biomolecules can enter the Krebs cycle and tumor cells utilize another 

source for energy production via the so called glutaminolysis pathway. This pathway shunts 

glutamine  via  glutamate  into  the  Krebs  cycle  at  the  level  of  α‐ketoglutarate  and  can 

therefore also generate NADH and FADH2. 

4.2. Biosynthesis 

Dividing cells need nucleotides, lipids and amino acids to create new DNA, membranes and 

proteins. The pentose phosphate pathway (PPP) produces ribose‐5‐phosphate, which can 

be used to create nucleic acids and nucleotides. Fatty acids from exogenous sources can be 

taken up by cells via fatty acids transporters(113) or are synthesized de novo, which under 

physiological conditions occurs mainly in the liver and to a lesser extent in adipose tissue 

and in lactating breast.(114) Acetyl‐CoA gets carboxylated by acetyl‐CoA carboxylase (ACC) to 

form malonyl‐CoA. The malonyl‐CoA is further converted by fatty acid synthase (FASN) to 

saturated long chain fatty acids.(115) The maximum length of de novo synthesized fatty acids 

via this pathway contains 16 carbon atoms (palmitate C16:0). These fatty acids can undergo 

modifications  to be  elongated  into  longer  fatty  acids by  fatty  acid  elongases or  can be 

desaturated  by  stearoyl  CoA  desaturase  1  (SCD‐1)  to  create  unsaturated  fatty  acids. 

Unsaturated fatty acids are essential components of cell membranes and desaturation of 

fatty acids occurs to maintain a healthy pool of fatty acids. These processes are regulated 

by sterol regulatory element binding proteins (SREBPs), a family of transcription factors that 

regulate lipid homeostasis by controlling the expression of a range of enzymes (ATP‐citrate 

lyase  (ACL),  ACC  and  FASN)  required  for  endogenous  cholesterol,  fatty  acid  (FA), 

triacylglycerol  and  phospholipid  synthesis.(116)  SREBPs  are  regulated  by  SREBP  cleavage 

activating protein (Scap) and ER‐resident protein Insig. In a sterol rich environment, Scap 

binds to cholesterol in the ER membrane and to Insig. This retains the SREBP‐Scap complex 

in the ER. In sterol low conditions, Scap no longer binds Insig and the SREBP‐Scap complex 

is sorted into COPII‐coated vesicles to the Golgi, where SREBP is proteolytic cleaved by site1 

(S1P) and site 2 (S2P) proteases which results in the release of the N‐terminal transcription 

factor.(117) 

Fatty acids can also be a source of energy, when fatty acids are degraded via β‐oxidation to 

generate  acetyl‐CoA.  When  acetyl‐CoA  enters  the  Krebs  cycle  energy  is  produced  as 

described above. 

Page 25: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  23 

 

Figure 3: Overview of cell metabolism. The main metabolic pathways that contribute to the production of 

macromolecules  in  mammalian  cells  are  nucleotide  synthesis,  the  pentose  phosphate  pathway, 

glutaminolysis, cholesterol synthesis,  fatty‐acid synthesis and desaturation and elongation. The enzymes 

involved  in  these pathways are shown  in bold. See  text  for more detail. Abbreviations: ACC, acetyl‐CoA 

carboxylase; ACL, ATP citrate  lyase; ACO, aconitase CoA; coenzyme A; CS, citrate synthase; ELOVL6, fatty 

acid elongase 6; FASN, fatty‐acid synthase; F1,6BP, fructose‐1,6‐ bisphosphate; F6P, fructose‐6‐phosphate; 

FH,  fumarate  dysratase;  GLS,  glutaminase;  G6P,  glucose‐6‐phosphate;  G6PD,  G6P  dehydrogenase;  HK, 

hexokinase;  HMGCR,  3‐hydroxy‐3‐methylglutaryl‐CoA  reductase;  IDH,  isocitrate  dehygronease;  MDH, 

malate  dehydrogenase;  PDHK1,  pyruvate  dehydrogenase  kinase;  PEP,  phosphoenolpyruvate;  PFK, 

phosphofructokinase; PKM2, pyruvate  kinase M2; PL, phospholipids;  SCD‐1,  stearoyl‐CoA desaturase  1; 

SDH, succinate dehygrogenase TAG, triacylglycerides. 

4.3. Energy metabolism and cancer 

Over  time,  more  evidence  appeared  showing  the  importance  of  a  shift  in  cellular 

metabolism in cancer cells. The first discovery of a necessary metabolic alteration has been 

made > 80 years ago by Otto Warburg. He observed that glycolysis is upregulated in tumor 

cells even if enough oxygen in the surrounding of the cells is available to create ATP. This 

phenomenon was coined the Warburg effect.(118, 119) This very  fast but  inefficient way to 

produce energy might constitutes an advantage for tumor growth. Firstly, cells that rely on 

oxidative phosphorylation need a constant flux of oxygen. In tumors hypoxic circumstances 

with fluctuating oxygen levels are omnipresent. By upregulating glycolysis tumor cells are 

not harmed by these oxygen fluctuations.(120‐122) Secondly, the Warburg effect leads to the 

Glucose

G6P

F6P

F1,6BP

Glyceraldehyde-3-P

PEP

3-Phosphoglycerate

Pyruvate

Ribulose-5-P

Pentose phosphate pathway

HK

Glycerol-3-P Phosphatidic acid

Acetyl-CoA

Citrate

Isocitrate

Succinate

Fumarate

Oxaloacetate

Malate Krebscycle

α-KG

Citrate Acetyl-CoAACL

Malonyl-CoAACC

HMGCRMevalonate

Cholesterol

Cholesterol synthesis

FASN

Palmitate

Stearate

ELOVL6

SCD-1

G6PD

PKM2

Glutamate

Glutamine

GlutaminolysisGLS

Fatty-acid synthesis

Elongation

Desaturation

PFK1

SDH

FH

MDHCS

ACO

IDH2/3

TAG PL

Palmitoleic acid Oleic acid

SCD-1

Desaturation

Page 26: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

24 

production  of  a  high  level  of  lactate  acids.  These  acids  are  suggested  to  condition  the 

microenvironment of the tumor,  favor tumor  invasion and suppress anti‐cancer  immune 

effectors.(120, 123‐125) Third, cancer cells use intermediates of the glycolytic pathway i.e. ribose 

sugars for nucleotides, glycerol and citrate for lipids, nonessential amino acids and via the 

pentose phosphate pathway NADPH.(120, 126, 127)

In  glycolysis, hexokinases  catalyzes  the essentially  irreversible  first  step  in  this pathway 

where glucose is rapidly phosphorylated to glucose‐6‐phosphate. Hexokinases are strongly 

upregulated in cancer.(128) Hexokinase (HK)‐II is located in the mitochondria and bound to 

the outer membrane  via  the  voltage‐dependent  anion  channel  (VDAC). HK‐II binds ATP 

(brought to HK‐II by VDAC) and the glucose to produce glucose‐6‐phosphate. Tumor cells 

have  multiple  genetic,  epigenetic,  transcriptional  and  post‐translational  strategies  to 

enhance expression and function of hexokinase (HK) II. (reviewed in (128)) Besides playing a 

role in glycolysis HK‐II via its mitochondrial location also suppresses death of cancer cells. 

Binding of HK‐II to VDAC diminish the availability of free VDAC sites that can interact with 

activated pro‐apoptotic molecules.(129, 130) 

Glucose  provides  the  cell with  acetyl  CoA, which  can  be  converted  to  citrate which  is 

shuttled  out of  the mitochondria  for  de  novo  fatty  acid  synthesis,  however  continuous 

export of citrate introduces a deficiency to the Krebs cycle which must be replaced by an 

anaplerotic  flux  to  maintain  fatty  acid  synthesis  to  take  place.(131)  In  glutaminolysis, 

glutamine  is  shuttled  into  the  Krebs  cycle  where  it  is  converted  by  glutaminases  to 

glutamate. This route is typically bidirectional (glutamine synthetase to create glutamate) 

but in cancer glutaminases are overexpressed and/or glutamine synthetase are suppressed, 

favoring  the  reaction  to  create  glutamate.(132‐134)  Glutamate  is  converted  into  α‐

ketoglutarate and  thereby  replenishing  the  intermediates  in  the Krebs cycle. The citrate 

produced  can be  cleaved  to  generate oxaloacetate which  is  converted  into malate  and 

ultimately lactate. Glutamine can also be converted into lactate when mitochondrial malate 

is exported to the cytoplasm. In tumor cells this pathway is a major source of NADPH.(131) 

Under normal conditions the transcription factor hypoxia‐inducible factor 1α HIF‐1α (active 

subunit  of HIF‐1)  is  posttranslational modified  by  prolyl hydroxylation, which promotes 

association with the von Hippel‐Lindau (VHL) tumor suppressor resulting in degradation of 

HIF‐1α by ubiquitination.(126) During hypoxia a process  involving  reactive oxygen  species 

(ROS)  generated  in  the  mitochondria,  inhibits  the  prolyl  hydroxylation  resulting  in 

stabilization  of  HIF‐1α(135)  which  stimulates  cells  to  consume  glucose  and  produce 

lactate.(136) Stabilization of HIF‐1α during normoxia occurs in tumors by mutations in VHL, 

or mutations in succinate dehygrogenase and fumarate hydratase (Krebs cycle intermediate 

enzymes)  Active  HIF‐1α  can  enter  the  nucleus  and  activates  transcription  of  glucose 

transporters, glycolytic enzymes (i.e. pyruvate dehygrogenase kinase 1 (PDK1)) and lactate 

dehygrogenase A (LDH‐A).(126) 

 

Page 27: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  25 

4.4. Biosynthesis and cancer 

In  order  to  keep  up with  the  rapid  cell  proliferation,  tumor  cells  increase  the  rate  of 

metabolic  reactions  to generate amino acids, nucleotides and  lipids  that are needed  to 

create new biomass.(122)  In tumor cells the PPP pathway activity  is  increased. The higher 

activity  of  this  pathway  results  not  only  in  increased  nucleotide  biosynthesis  but  also 

enhances  the  antioxidant  capacity  of  the  cell,  due  to  generation  of  NADPH,  and  thus 

protects cells against chemotherapeutics and a harmful microenvironment.(120, 122, 127)  

Cancer  requires  an  enormous  supply  of  lipids  for  membrane  biogenesis  and  protein 

modifications. To meet this requirement cancer cells undergo major changes in their lipid 

metabolism and  shift  towards de novo  lipid  synthesis.(112, 114, 137, 138)  Increased  fatty acid 

synthesis  is  found  in 20%  to 90% of  tumors and  is  reflected  in  the up‐regulation of key 

enzymes (FASN, ACC and ACL) involved in this pathway.(139‐143) In cancer multiple oncogenic 

mutations leads to a rapid fatty acid synthesis i.e. mutations in the phosphatidylinositol 3 

kinase (PI3K)/Akt/mTOR pathway. Activating mutations of PI3K or elimination of negative 

regulator PTEN results in the overexpression of SREBs.(114, 139, 144) Overexpression of mTOR 

results in an increase in surface expression of glucose transporters.(145, 146) The breakdown 

of  lipids  by  β‐oxidation  is  suppressed  by  PI3K/AKT.(147)  In  hematopeoic  cells  PI3K/AKT 

suppresses carnitine palmitoyltransferase‐1A (CPT1A). CPT1A is the rate‐limiting enzyme for 

β‐oxidation.(148)  To  fulfill  the need of unsaturated  fatty  acids  SCD‐1  is overexpressed  in 

several  tumors.(149) These enzymes and genes mentioned above, have been proposed as 

novel targets for tumor treatment.(138, 150) 

Despite  the  growing  evidence  demonstrating  deregulated  fatty  acid  metabolism  as  a 

feature of cancer,  the exact  role of  these metabolic alterations  in  the development and 

maintenance of the disease  is not fully understood. Besides being needed for membrane 

biosynthesis, energy rich lipids could serve as a source of energy when nutrients are low. It 

has  also  been  suggested  that  lipid  biogenesis  could  play  a  more  active  role  in  cell 

transformation  and  cancer  development.  (reviewed  in  (151))  Lipids  acts  as  signaling 

molecules in cancer, i.e. phosphatidylinositol (3,4,5)‐trisphosphate (PIP3).PIP3 is a produced 

by PI3K pathway in response to growth factor signaling and mediates the recruitment and 

activation of Akt.(151) Lipids also play a  role  in  the  tumor microenviroment. Activation of 

SREBP and induction of enzymes of the mevalonate pathway are involved in the disruption 

of normal tissue architecture. Lipids are also involved in the interaction of cancer cells with 

components of the tumor stroma. For example, cancer‐associated fibroblasts (CAFs) show 

increased  expression  of  FASN.(152)  A  study  in  ovarian  cancer  cells  showed  that  they 

preferentially metastise to an abdominal fat pad (omentum). In this study it was found that 

omental adipocytes promote homing of these ovarian cancer cells through the induction of 

specific  adipocyte  derived  cytokines.(153)  Taken  together,  it  is  clear  that  altered  lipid 

metabolism has beneficial effects for tumors. 

Page 28: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

26 

5. Cardiolipin 

Cardiolipin  (CL)  is  a unique phospholipid, which  is  predominantly  localized  in  the  inner 

mitochondrial membrane  (IMM) where  it  is  synthesized  from  phosphatidylglycerol  and 

cytidinediphosphate‐diacylglycerol  with  the  last  step  being  catalyzed  by  the  enzyme 

cardiolipin synthase.(154, 155), CL contains a glycerol backbone and four acyl chains which are 

highly unsaturated. These unsaturated acyl  chains are necessary  for  the normal  cellular 

function.(156) The precise mechanism of remodeling of the acyl chains is unclear, however it 

is known that newly synthesized CL is deacylated by a CL‐specific deacylase (Cld1).(156, 157) 

One saturated fatty acyl chain is removed from CL by Cld1 to form monolysocardiolipin.(157) 

To form mature CL, an unsaturated fatty acid is reacylated into monolysocardiolipin by the 

transacylase tafazzin (Taz1) (see figure 4).(158‐160) Mutations in the tafazzin gene results in a 

disease called Barth syndrome, an X‐linked recessive childhood disorder. (MIM 302060) The 

characteristics  of  the  disease  are  cardioskeletal myopathy,  neutropenia  and  abnormal 

growth.(161, 162) Biochemically, Barth syndrome is characterized by decreased levels of CL and 

increases in monolysocardiolipin(163, 164) and a shift is observed in the level of unsaturation 

of  the acyl  side  chains.(164)  In addition,  the CL  species  in Barth  syndrome  cells are more 

saturated than the CL species in control cells.(164) 

Phospholipids are the main component of membranes and are important for maintaining 

the structural integrity of membranes. CL has several functions in the mitochondria. CL is 

required for optimal activity of complex I (NADH: ubiquinone oxido‐reductase), complex III 

(ubiquinone:  cytochrome  c  oxido‐reductase),  complex  IV  (cytochrome  c  oxidase)  and 

complex V (ATP synthase).(165) CL  is associated with and modulates the activity of several 

enzymes  involved  in  the  respitory  chain,  including  cytochrome  c  oxidase,  carnitine 

palmitoyltransferase,  creatinephospokinase,  the  pyruvate  translocator,  the  phosphate 

transporter, mono‐, di‐, and tricarboxylate carriers, glycerol‐3‐phosphate dehydrogenase, 

ATP/ADP translocase and ATP synthase.(154, 166, 167 ) 

Next to  its role  in normal mitochondrial physiology, CL has also been shown to associate 

with members of the apoptotic machinery, including cytochrome c, Bid and caspase 8.(165) 

Cytochrome c interacts with CL in the outer leaflet of the IMM through two independent 

binding sites.(168‐171) Kagan et al.  found that CL‐bound cytochrome c acts as a peroxidase 

capable of catalyzing H2O2‐dependent peroxidation of CL and that this CL oxidation  is an 

essential step in the release of cytochrome c during apoptosis.(172) During apoptosis, Bid is 

cleaved by caspase 8 to produce tBid. tBid translocates to the mitochondria and binds to 

CL‐enriched  contact  sites  and  induces  the  translocation  of  BAK  and  BAX  to  the 

mitochondrial outer membrane.(154, 173) In Fas receptor activated apoptosis, CL provides an 

anchor and activating platform  for caspase 8 translocation to the mitochondria.(174) CL  is 

also  necessary  for  the  function  and  stabilization  of  the  caspase‐8/BID  complex.(175)  The 

translocation of CL from IMM to the contact sites is mediated by phospholipid scramblase 

Page 29: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  27 

3  and  is  important  for  the  apoptotic  signal.(176) Mitofusin‐1  interacts with OPA1, which 

controls the tight structure of the mitochondrial cristae, keeping most cytochrome c in the 

cristae. tBid formation also results in the disruption of OPA1‐mediated tight structure of the 

cristae resulting in the release of cytochrome c into the intermembrane space and thereby 

facilitates its release from mitochondria when these are permeabilized.(154) 

 

Figure  4:  Cardiolipin  synthesis  and  remodeling  in  eukaryotes.  In  cardiolipin  synthesis,  phosphatidic  is 

converted  into  cytidinediphosphate‐diacylglycerol  (CDP‐DAG)  by  CDP‐DAG  synthase  (CDS).  CDP‐DAG  is 

converted by phosphatidylglycerolphosphate (PG‐P) synthase (PGPS) to PG‐P. Dephosphorylation of PG‐P 

by a phosphatase results in phosphatidylglycerol (PG). In the final step of CL biosynthesis, condensation of 

one molecule of PG and one molecule of CDP‐DAG by CL synthase (CS) results in the formation of immature 

CL. Remodeling occurs via Taffazin where phospholipase A2 (PLA2) hydrolysis an acyl chain from immature 

cardiolipin  to  generate monolyso‐cardiolipin  (MLCL).  Taffazin  reacylates MLCL  to  generate mature  and 

remodeled  cardiolipin. Cardiolipin  is degraded by hydrolysation by PLA2 via MLCL and dilyso‐cardiolipin 

(DLCL). 

6. Cancer therapeutics: history and trends 

Cancer therapy was initially mainly focused on targeting DNA integrity and/or replication of 

DNA,  or  on  blocking  mitosis  by  interfering  with  microtubule  dynamics  of  the  mitotic 

spindle.(177) An  example of  these  types of drugs  are  the platinum based derivatives  (i.e 

cisplatin),  topoisomerease  inhibitors  (i.e  irinotecan),  vinca  alkaloids  (i.e  vinblastine) and 

taxanes  (i.e  taxol).  These  chemotherapeutics  are  still  widely  used  in  the  clinic  today. 

Unfortunately, in a lot of instances resistance occurs.(178) For instance, in the case of cisplatin 

DNA  damage  is  followed  by  apoptosis,  which  can  be  counteracted  by  a multitude  of 

resistance mechanisms that can for instance arise as a consequence of intracellular changes 

P

Phosphatidic acid

CDS

CMP

CDP-DAG

PGPS

P P

OH

P

PGPP

OH

P OH

PG-P PG

CS

P

OH

P

Immature CL

P

OH

PP

OH

P

OH

TAZ

MLCL Remodeled CL

P

OH

P

OHOH

DLCL

PLA2

Degradation

PLA2

C18:1 C18:1 C18:1

C16:0

C18:2 C18:2 C18:2C18:2

C18:1 C18:1 C18:1

Page 30: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

28 

that either effectively repair cisplatin‐induced DNA‐adduct, prevent DNA damage signals 

from activating the apoptotic machinery, or prevent cisplatin uptake.(179) Mechanisms that 

interfere with  DNA  damage  signal  to  the  apoptotic machinery  include  loss  of  damage 

recognition, loss of p53 function, overexpression of HER‐2/neu, activation of the PI3‐K/Akt 

pathway,  overexpression  of  anti‐apoptotic  proteins,  and  interference  in  caspase 

activation.(179) Another downside of these agents are that they block DNA replication and 

cell division, thereby killing all cells that are rapidly dividing, not only cancer cells.  

The  growing  insight  into  the  hallmarks  of  cancer  and  several  important  technical 

developments  like  the  next  generation  DNA  sequencing  techniques  and  advances  in 

pharmaceutical drug discovery (180) have contributed to the search for therapies specifically 

targeting  these  hallmarks,  the  so‐called  targeted  therapies.  Some  cellular  targets  are 

genetically altered in cancer cells and are essential to tumor development and survival. This 

phenomenon has been coined oncogene addiction.(181) Other  targets are not genetically 

altered, but  still  their expression  is more  important  in cancer  cells  than  in normal cells, 

which  is  known  as  non‐oncogene  addiction.(181)  For  an  overview  of  different  targeted 

therapies see table 1.  

A well‐known prototype and the first clinically approved targeted drug is imatinib (Gleevec, 

Novartis), a small molecule inhibiting the Abelson tyrosine kinase (ABL) that is translocated 

from chromosome 9 to the breaking point cluster region (BCR) gene on chromosome 22, 

forming an oncogenic BCR‐ABL gene  fusion, which  is  found  in chronic myeloid  leukemia 

(CML).  Imatinib  is well  tolerated as  chronic  therapy and  induces molecular  remission  in 

chronic CML.(182) Initially, the dramatic molecular and clinical effects of imatinib raised the 

hope that this drug would be curative for most treated patients, however soon it became 

apparent that therapy resistance to this inhibitor is frequent owing to mutations in the BCR‐

ABL kinase domain.(183) 

There is growing evidence that tumors can escape hallmark‐targeting therapy. For example, 

a targeted therapeutic agent  inhibiting one key pathway  in a tumor may not completely 

block a hallmark, allowing some tumor cells to survive with residual function. These cells or 

their progeny will eventually adapt  to  the selective pressure established by  the  therapy 

applied.  The  adaptations  can  be  accomplished  by  mutation,  epigenetic  changes  or 

remodeling  of  the  microenvironment  resulting  in  renewed  tumor  growth  and  clinical 

relapse.(4) In response to targeted therapy, cancer cells can reduce their dependence on one 

hallmark, becoming more dependent on another. This phenomenon was for instance shown 

by the unexpected responses to antiangiogenic therapies. Folkman and Kalluri anticipated 

that effective inhibition of angiogenesis would lead to dormant tumors and maybe lead to 

their dissolution.(184) However,  the  clinical  responses  to antiangiogenic drugs have been 

found to be transient.(185‐187) Clinical validation for this evasive resistance is shown by the 

increased  invasion  and  local  metastasis  observed  in  glioblastomas  treated  with 

Page 31: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  29 

antiangiogenic therapies.(188, 189) These acquired resistance to therapies targeting only one 

hallmark  are  an  obstacle  in  cancer  therapy  therefore  cotargeting  of multiple  core  and 

emerging hallmarks will result in more effective therapies.(4)  

6.1. Synthetic lethality 

To overcome  resistance  and  to  specifically  target  cancer  cells but not normal  cells,  the 

exploitation of the concept of synthetic lethality has shown to be of great potential.(203, 204) 

Synthetic lethality is derived from classical genetic studies and is based on the interaction 

of two genes that both contribute to an essential process. When either gene  is mutated 

alone, the cell is viable, however the combination of mutations in both genes results in cell 

death. This process is referred to as synthetic lethality as it is not possible to directly isolate 

such cells as they die instantly when they have both mutations.(205) In cancer therapy this 

synthetic  lethality  is  being  explored  by  developing  therapies  inhibiting  a  specific  gene 

product  that  is  the  synthetic  lethal  partner  of  the  cancer  related  mutation.  Not  all 

oncogenes are  targetable by pharmacological  intervention,  thus  synthetic  lethality  is an 

option for these undrugable targets. On top of that, synthetic lethal therapeutic agents can 

be  applied  alone  by  monotherapy,  or  in  combination  with  more  conventional 

treatments.(206‐208) Therapies that target synthetic  lethal partners of mutations  in cancers 

cells are cancer specific, resulting in less off‐target side effects. Examples of this method is 

PARP1  inhibition  in  BRCA1/2 mutant  tumors.  BRCA1/2  are  important  in DNA  repair  of 

double strand breaks, PARP1 is an enzyme involved in single strand break repair. Inhibition 

of PARP1 results in an accumulation of DNA breaks which are not repaired resulting in cell 

death.(209, 210) 

An example  that  looks  like synthetic  lethality  is  targeting  the RAF‐MEK pathway  in KRAS 

mutant  tumors.  Combination  of  RAF  inhibition  together with MEK  inhibition  results  in 

synthetic lethality of colorectal cancer and lung cancer cells that have a KRAS mutation.(211) 

They found that inhibition of MEK increases the GTP‐bound fraction of KRAS, promotes the 

formation of RAF1‐BRAF heterodimers and drives constitutive phosphorylation of ERK.(211) 

Inhibition of RAF1 therefore results in a block in the phosphorylation of ERK. These results 

are in accordance with a report showing that RAF1 knockdown enhanced MEK inhibition in 

a KRAS mutant model.(212) 

Synthetic  lethality  is a promising  treatment mechanism, which could  target  tumors very 

effectively with  less  off‐target  effects.  Currently with  all  these  targeted  therapies  and 

synthetic  lethality approaches researchers are doing their best to  find a cure  for cancer. 

However, still a lot of therapies fail to eradicate the tumor. This is suggested to be a cause 

of so‐called cancer stem cells. This will be discussed below 

 

 

Page 32: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

30 

Table 1: Therapeutic Targeting of the Hallmarks of Cancer.  

Cancer Hallmark 

Targeted therapy (example) 

Cancer type  Drug name  Resistance 

Sustaining proliferative signaling 

Tyrosine kinase inhibitors 

Colorectal cancer, Lung cancer, Chronic myeloid leukemia 

Cetuximab, Erlotinib, Imatinib 

Yes (183, 190‐192) 

Evading apoptosis 

Cyclin‐dependent kinase inhibitors 

Chronic lymphocytic leukemia, lung cancer 

Alvocidib, Seliciclib  n.o (193) 

Avoiding immune destruction 

Immune activating mAb 

Melanoma, non‐Hodgkin lymphoma 

 

Tremelimumab, Rituximab 

n.o, yes (Rituximab)(194, 195) 

Enabling replicative immorality 

Telomerase inhibitors 

Multiple myeloma, myelofibrosis 

Imetalstat  n.o (Clinical trials.gov) 

Tumor promoting inflammation 

Selective anti‐inflammatory drugs 

Familial adenomatous polpolis 

Celecoxib  n.o (196, 197) 

Activating invasion & metastasis 

Inhibitors of HGF/c‐Met 

Lung cancer, medullary thyroid cancer 

Cabozantinib, Foretinib, Tivatinib 

n.o ((198) and Clinical trial.gov) 

Inducing angiogenesis 

Inhibitors of VEGF signaling 

Metastatic cancers (colon, lung,ovarian) 

Bevacizumab  Yes (199) 

Genome instability &mutation 

PARP inhibitors 

Ovarian, breast, prostate 

Olaparib  n.o (200) 

Resisting cell death 

Proaoptotic BH3 mimetics 

Acute myeloid leukemia, chronic lymphocytic leukemia 

ABT‐199, ABT‐263  n.o ( (201) and Clinical trial.gov) 

Deregulating cellular energetics 

Aerobic glycolysis inhibitors 

Pre‐clinical   3‐bromopyruvate  n.o (202) 

Abbreviations: mAb, monoclonal antibody; n.o, not observed. This lists only represents a small part of the 

therapeutics currently used or under investigation. 

Page 33: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  31 

7. Tumor heterogeneity and cancer stem cells 

Intra‐tumor  heterogeneity  arise  among  cancer  cells  within  the  same  tumor  as  a 

consequence  of  genetic  changes,  environmental  differences,  epigenetic  changes  and 

reversible  changes  in  cell  properties.(213)  Two main  conceptual  frameworks  have  been 

elaborated  to  conceptualize  the  link  between  intra‐tumor  heterogeneity  and  therapy 

resistance. The first, and most established idea, is clonal evolution, where the tumor arises 

from  a  single  mutated  cell  and  over  time  acquires  additional  mutations  resulting  in 

subpopulations with evolutionary  advantages.(214) The other one  is  the  cancer  stem‐cell 

model.  This  model  hypothesizes  that  cancers  are  organized  into  a  hierarchy  of 

subpopulations  of  tumorigenic  cancer  stem  cells  (CSCs)  and  their  non‐tumorigenic 

progeny.(213, 215‐217) CSCs are defined as a subset of tumor cells which possess self‐renewal 

and  multi‐lineage  differentiation  potential(218‐220)  CSCs  can  be  identified  by  various 

markers(219), and in vivo experiments have shown that CSCs very efficiently form tumors that 

resemble the original tumor from which the CSCs were derived.(221) It has been suggested 

that CSCs are responsible for recurrences and metastasis(219), because they are thought to 

be  therapy  resistant  (both  chemo‐  and  radiotherapy)  and  to  effectively  repopulate  the 

tumor.(4, 221, 222) 

Currently, a lot of research is being done on targeting CSCs and deplete the tumor. However, 

up to date no specific CSCs targeted therapy is available. Therefore, drugs attacking cancer 

cells more broadly may  be  usable  across multiple  cancers  and  CSCs.  This  possible  new 

approach  consists of  compounds  that  are not per  se  cancer‐specific but work  selective 

against cancer due to alterations in metabolism and phenotype of cancer cells as compared 

to  normal  cells.  Currently,  several  natural  compounds  are  intensively  investigated  as 

potential cancer drugs in this perspective. 

8. Natural compounds 

A  significant  percentage  of  golden  standard  chemotherapeutic  agents  are  based  on 

compounds from nature. Currently there are several classes of natural compounds or their 

semi‐synthetic  derivatives  used  in  the  clinic  like  vinca  alkaloids,  taxanes  and 

anthracyclines.(223‐228)  Vinca  alkaloids  were  introduced  into  the  clinics  in  late  1950s  as 

Velban® and Oncovin®, and later on Eldisine® and Navelbine® followed.(223) The mechanism 

of action of these compounds has been  identified as the destabilization of microtubules, 

which leads to G2/M cell cycle arrest and apoptosis.(229) Taxanes belong to the terpenoids 

and one well  known  compound  is  Taxol  (from  Taxus)(225), which was  shown  in  1979  to 

stabilize microtubule assembly.(226) It is used in the clinic for the treatment of various cancer 

types,  including ovarian,  lung and breast cancer.(227) Anthracyclines are DNA‐intercalating 

agents  that  block  cell  division  and  they  are  derived  from  bacteria  (Streptomyces). 

Doxorubicin is one of the best known members of this family and is used in the clinic for 

treatment of several cancer types.(228, 230)  

Page 34: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

32 

Terpenoids (containing five‐carbon  isoprene units) of which the triterpenoids (containing 

six‐carbon isoprene units; e.g. plant sterols) are a subclass(231) can be isolated from many 

different plant sources and occur in different variations.(232) Several of these variations or 

their synthetic derivatives are investigated as potential medicinal products against various 

diseases  including  cancer.(233) One of  the most promising  triterpenoids with  anti‐cancer 

activity  is Betulinic  acid  (BetA, 3b‐hydroxy‐lup‐20(29)‐en‐28‐oic  acid, C30H48O3), which  is 

discussed extensively below. 

8.1. Betulinic acid 

BetA is a pentacyclic triterpene of the lupane type that can be isolated from various plant 

sources in small amounts. Its precursor betuline, which can be easily converted by oxidation 

into  BetA,  is  available  in  high  abundance  from  the  bark  of  the  white  birch  (Betula 

pubescens). Betulinic acid was for the first time isolated in 1948 from the bark of the London 

plane tree (Platanus acerifolia) by Bruckner.(234) 

 

8.2. Betulinic acid: pharmaceutical properties 

Different pharmaceutical properties have been attributed to BetA. In particular its capacity 

to suppress HIV infection has attracted much attention. In 1994 it was shown for the first 

time  that BetA has an potent anti‐HIV activity.(235) The wish  to  still optimize  its anti‐HIV 

activity together with intellectual property issues, has led to the synthesis of various BetA 

derivatives. Improved activity against HIV‐1(236, 237), and HIV‐2(238) of several BetA derivatives 

has been documented. Especially BetA derivative PA‐457 has been preclinically developed 

as HIV‐1 maturation inhibitor that specifically inhibit the last step in processing of Gag. (237) 

Under  the name Bevirimat  this compound has been  tested as HIV‐1 drug  in  the clinic  in 

phase I/II clinical trials as single dose administration with no Bevirimat resistance mutations 

occurring in this study.(239) Unfortunately, other studies showed that mutations in Gag occur 

and result  in resistance to the compound.(240‐243) Optimization of BetA derivatives against 

HIV‐1 and HIV‐2 and Bevirimat is still ongoing with reported positive results.(244‐246)  

Besides  its  anti‐  HIV  activity,  BetA  and  its  derivatives  have  been  described  to  have 

therapeutic activity against inflammation (247, 248) and malaria.(249‐252) Anti‐angiogenic(253‐256), 

and anti‐fibrotic activity by BetA has also been reported.(257) 

Page 35: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  33 

  

Figure 5: Chemical structure of BetA 

8.3 Anti‐cancer activity of Betulinic acid 

In 1995, BetA was selected out of 2500 plant extracts  in a screen by the National Cancer 

Institute as  it displayed potent  in vitro  cytotoxic effects against human melanoma cells. 

Follow‐up  studies  showed  the  first  in  vivo  efficacy  of  BetA  against  melanoma.(258) 

Subsequently, it was shown that BetA is also effective against other tumor types like brain 

tumors,  including  the  neuroectodermal  glioma, medulloblastoma  and  glioblastoma  and 

showed no toxicity in murine non‐malignant neuronal cells.(259‐262) In 2001, anti‐proliferative 

effects of BetA in non‐small and small cell lung cancer, ovarian carcinoma, cervix carcinoma 

were observed, while in contrast, peripheral blood lymphocytes and human normal dermal 

fibroblast were not affected by BetA, suggesting that BetA has a tumor specific effect.(263) 

Two years later, head and neck squamous cellular carcinoma cells were also shown to be 

sensitive to BetA(264) Until 2007 no research had been performed on the efficacy of BetA in 

prevalent solid tumor types such as breast‐,  lung‐, colon‐ and prostate cancer. In a study 

conducted by our group, using three different assays, all tested cell lines from solid tumors 

were sensitive  to BetA: 10  lung cancer cell  lines, 10 colorectal cancer cell  lines, 9 breast 

cancer cell lines, 4 prostate cancer cell lines and 3 cervix carcinoma cell lines were strongly 

affected in their growth potential and viability after BetA treatment.(265) BetA was shown to 

be a very potent agent against tumor with EC50 values around 10µg/ml in lung cancer cell 

lines, prostate cancer cell lines, cervical cancer cell lines and values ranging from 4‐16 µg/ml 

in colorectal cancer cell lines and breast cancer cell lines.(265) In this study it was also shown 

that BetA even  in high doses has no effect on healthy cells such as human blood‐derived 

PBMC, cytotoxic T lymphocyte clones and activated B cells.(265) The efficacy of BetA was also 

shown  in hepatoblastoma(266),  rhabdomyosarcoma(267) and nasopharyngeal carcinoma(268) 

using several concentrations of BetA ranging up to 20 µg/ml. BetA has also been shown to 

be effective in hematological malignancies i.e BetA induced cell death in murine leukemia 

OH

O

HO

Page 36: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

34 

cell  line  L1210(269)  and  in  leukemia  cells  form  patients  and  cell  lines.(270)  The  last  study 

showed cell death inducing capacities of BetA independent of risk stratification, age and sex 

of the patient and leukemia type.(270) BetA also induced cell death in human CML cell line K‐

562.(271) Combined these studies  indicate that BetA  is a promising anti‐cancer compound 

because of its potent and broad tumor selective activity.  

8.4. Mechanism of Betulinic acid 

Thus  far,  the precise mechanism of  anti‐cancer  action of BetA has not been  identified. 

Although various and broad intra cellular anti‐cancer effects of the compound have been 

revealed  until  now,  these  effects were  difficult  to  be  linked with  unique  and  defined 

molecular  target(s).  However,  accumulating  research  of  various  research  groups  has 

revealed important characteristics of BetA‐induced cancer cell death.  

 

8.4.1. Betulinic acid and apoptosis 

In 1997 Fulda et al. showed that in SHEP neuroblastoma cells apoptosis was induced after 

BetA treatment and that overexpression of BCL‐2 and BCL‐XL blocked BetA‐induced loss of 

mitochondrial  membrane  potential,  PARP  cleavage,  caspase  processing  and  ROS 

production.(259)  Subsequently,  in  isolated  mitochondria  of  SHEP  cells,  BetA  triggered 

permeability  transition  (PT) and cytochrome c  release, while mitochondria derived  from 

SHEP cells that overexpressed BCL‐2 or BCL‐XL were resistant to BetA.(272) Consistent with 

these data, BetA induced ROS production, which was inhibited by BCL‐2 overexpression or 

antioxidants.(262) 

Although BCL‐2 overexpression showed protection against BetA‐induced apoptosis in SHEP 

and glioma cells, it only partially protected Jurkat cells(270, 273), MCF‐7 cells(273) and melanoma 

cells(274) against BetA. These  results  suggest  that  the protective effects of anti‐apoptotic 

BCL‐2 family members are possibly cell type dependent.  In 2009, our group showed that 

BetA  induced  cytochrome  c  release  and  apoptosis  in  BAK/BAX  double  deficient mouse 

embryonic fibroblasts (MEFs) and in HCT116 double knock out BAK/BAX cells. The levels of 

apoptosis induced in the double deficient cells were comparable with the wild‐type control 

cells,  suggesting  that BetA  induces  cytochrome  c  release  and  apoptosis  independent of 

BAK/BAX.(273) Our study also showed that BetA‐induced cell death could be blocked by the 

addition of cyclosporine A, a PT‐pore inhibitor suggesting an important role for this pore in 

BetA‐induced cell death.(273)  

Interestingly, our group showed that BetA induced cell death in the presence of pan‐caspase 

inhibitor  zVAD.fmk  in  Jurkat  cells,  and  at  the  same  time  PARP  processing  and  DNA 

fragmentation were completely blocked.(265) These results suggest that the cytotoxic effects 

of BetA are not completely caspase dependent and that other cell death pathways are likely 

involved.  

Page 37: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  35 

8.4.2. Betulinic acid and autophagic cell death 

The focus in unraveling the mechanism of BetA has been mainly on apoptosis. However in 

2012 a study of Gonzalez et al. showed  that  treatment with a glycosylated derivative of 

BetA,  named  B10,  leads  to  autophagic  cell  death.  In  this  work  it  was  shown  that 

downregulation of autophagy genes ATG7, ATG5 and BECN1 by RNAi‐mediated suppression 

significantly  decreased  B10‐induced  cell  death.  B10  induces  autophagy  and  disrupts 

autophagic flux as measured by LC3 lipidation.(275) Subsequently, by another research group 

it was shown that BetA induces autophagy in multiple myeloma cells by an induction of LC3 

lipidation.  However  a  block  in  autophagic  flux  was  observed  as  P62  levels  were  also 

increased after BetA treatment.(276) The main conclusion of the latter study was that BetA 

inhibits autophagic  flux and  the  compound  induced  cell death via apoptosis. These  two 

studies, one using a derivative of BetA, are the only studies described.  

With  these  contradicting  results  and  as  above mentioned  the  role of  autophagy  in  the 

induction of cell death remains unclear. Therefore more research about the role of BetA in 

autophagic cell death is needed. In this thesis we investigated the role of autophagy as a 

cell death mechanism (chapter 2) 

8.5. Betulinic acid in combination therapy 

Several studies have described the effect of BetA in combination with another therapeutic 

intervention. In 2000, it was shown that the combination of BetA with radiotherapy had an 

additive effect in human melanoma cells.(277) BetA improved vincristine‐induced cytoxicity 

in mouse melanoma cells and reduced the number of metastases  in vivo.(278) Fulda et al. 

showed that combination of BetA and anticancer drugs cisplatin or doxorubicin cooperated 

to induce apoptosis and to inhibit clonogenic survival of tumor cells.(279) It was also shown 

that BetA sensitizes drug‐resistant colon cancer cells and esophageal squamous carcinoma 

cells  to  oxaliplatin,  irinotecan  and  5‐fluorouacil.(280,  281)  The  combination  of  BetA  and 

docetaxel or 2‐methoxyestradiol resulted in increased apoptosis.(282) A study by the group 

of Vordermark showed that an additive effect of BetA and radiotherapy was also observed 

in glioma cells. This effect was most pronounced when cells were hypoxic.(283) On top of that 

it was shown that in pancreatic cancer the combination of BetA and mithramycin A (a DNA‐

binding,  anti‐tumor  and  neuroprotective  antibiotic  originally  isolated  from  S.  grieseus) 

resulted  in  an  inhibitory  effect  on  cell proliferation,  invasion  and  angiogenesis.(284)  This 

combination also resulted in less discernible side effects than gemcitabine alone, which was 

used as a  standard  reference drug.(284) Together  these data  indicate  that BetA  is a very 

potent compounds for combination treatments. 

 

 

Page 38: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

36 

8.6. Betulinic acid in vivo 

Besides many in vitro studies, BetA has also been shown to be effective in vivo. Because of 

the lipophilic characteristics of BetA and its consequently poor solubility in vivo studies has 

been limited. The first study describing in vivo application of BetA used athymic mice with 

human  melanomas  xenografted  subcutaneously  that  were  treated  by  intraperitoneal 

injections of BetA in a formulation with polyvinylpyrrolidone (PVP).(258) A dose of 50 mg/kg 

body weight was injected every four days for six times resulting in tumor regression. In this 

study no toxicity as measured by weight loss was observed up to 500 mg/kg body weight.(258) 

As  described  before  BetA  and  in  combination with  vincristine  reduced  the  number  of 

metastases. The treatment dose of BetA (dissolved in DMSO) was 10 mg/kg divided over 10 

days out of 17 days.(278) BetA dissolved in DMSO was also used in breast cancer xenograft 

model where mice were treated intraperitoneal with 50 and 100 mg/kg bodyweight BetA 

every 3‐4 days  for 6 doses  resulting  in delayed  tumor  growth.(285) Another  study, using 

human ovarian carcinoma xenograft model showed a clear survival benefit for mice treated 

with intraperitoneal injections of a formulation of ethanol, Tween‐80 and water (10%, 10% 

and 80%). Mice were injected every 3‐4 days with 100 mg/kg bodyweight for a total of six 

injections.(263) Oral  treatment with 10 or 20 mg/kg bodyweight BetA  in  corn oil  in mice 

bearing  subcutaneously  grafted prostate  cancer  cell  line  resulted  in  inhibition of  tumor 

outgrowth as compared to corn oil alone.(286) Also intravenous injection of BetA (10 mg/kg 

bodyweight,  every  day  for  14  days)  has  been  shown  to  reduce  adenomacarcinoma 

xenograft  size.(287)  All  these  studies  showed  no  systemic  signs  of  toxicity,  however  the 

formulations used are either not suitable for human application or are not precisely defined 

and  therefore cannot be  standardized. Therefore our group  investigated  liposomes as a 

delivery system of BetA. Liposomes are small vesicles consisting of one or more concentric 

phospholipid bilayers with an aqueous  core.(288) Both water  soluble as well as  lipophilic 

compounds  can  be  incorporated  in  the  liposomes.  This  study  showed  that  intravenous 

injection of liposomes containing BetA both reduced tumor growth and prolongs survival of 

colon carcinoma and lung carcinoma bearing mice. Mice were treated three times a week 

with  50mg/kg  bodyweight  for  three months  (lung  carcinoma)  and  two months  (colon 

carcinoma).(288) This study also showed that oral administration of BetA liposomes reduces 

tumor growth and prolongs survival of colon carcinoma bearing mice, although these data 

were less pronounced as intravenous injections.(288) In this study no systemic toxicity was 

observed, suggesting that BetA‐liposome formulation is a possible formulation for BetA to 

be used in preclinical studies. 

 

 

 

Page 39: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  37 

Outline of this thesis 

The scope of this thesis was to investigate the mechanisms by which BetA induces cell death 

in cancer cells  in more detail. At  the start of  the studies described  in  this  thesis several 

questions urgently needed an answer. Although BetA induces cell death via apoptosis, when 

blocking this form of cell death cancer cells still die.(265) In tumor therapy it is still unclear 

whether  activation  of  autophagy  contributes  to  cell  death  or  rather  represents  a 

resistance/survival mechanism. We  therefore  investigated  the  roles  of  other  cell  death 

mechanisms including necroptosis and autophagy in BetA‐induced cell death. The results of 

this  investigation  are  described  in  chapter  2. BetA  induces  cell  death  independently of 

BAK/BAX but in a mitochondrial dependent fashion, but no reports exist revealing how this 

form of cell death occurs, we set off to study the mechanism by which BetA  induces cell 

death in more detail. We found that BetA interferes with lipid cell metabolism. The results 

of  this  research  are  described  in  chapter  3.  Cancer  stem  cells  are  tumor  resistant  and 

currently no effective therapy has been shown for these cells. BetA  is a very potent and 

broad acting compound therefore we treated colon cancer stem cells with BetA. Results of 

these experiments are laid out in chapter 4. Finally, we were also interested in the effect of 

BetA on several lipids in the cell. We set‐up a lipidomics pipeline and used a BetA dataset 

to test the functionality of this pipeline as well as to investigate the difference in lipids after 

BetA  treatment. Chapter 5 contains these results.  In chapter 6 all data of  this  thesis are 

discussed in relation to the literature. 

 

Page 40: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

38 

References 

1.  Weinberg  RA.  Oncogenes  and  tumor suppressor  genes.  CA  Cancer  J  Clin. 1994;44(3):160‐70.  2.  Weinberg  RA.  Coming  full  circle‐from endless  complexity  to  simplicity  and  back again. Cell. 2014;157(1):267‐71.  3. Hanahan D, Weinberg RA. The hallmarks of cancer. Cell. 2000;100(1):57‐70.  4.  Hanahan  D,  Weinberg  RA.  Hallmarks  of cancer:  the  next  generation.  Cell. 2011;144(5):646‐74.  5. Galluzzi L, Vitale I, Abrams JM, Alnemri ES, Baehrecke  EH,  Blagosklonny  MV,  et  al. Molecular  definitions  of  cell  death subroutines:  recommendations  of  the Nomenclature  Committee  on  Cell  Death 2012. Cell Death Differ. 2012;19(1):107‐20.  6.  Ashkenazi  A,  Dixit  VM.  Death  receptors: signaling  and  modulation.  Science. 1998;281(5381):1305‐8.  7.  Ashkenazi  A,  Holland  P,  Eckhardt  SG. Ligand‐based targeting of apoptosis in cancer: the  potential  of  recombinant  human apoptosis  ligand  2/Tumor  necrosis  factor‐related  apoptosis‐inducing  ligand (rhApo2L/TRAIL).  J  Clin  Oncol. 2008;26(21):3621‐30.  8.  Elmore  S.  Apoptosis:  a  review  of programmed  cell  death.  Toxicol  Pathol. 2007;35(4):495‐516.  9.  Roy  S,  Nicholson  DW.  Cross‐talk  in  cell death signaling. J Exp Med. 2000;192(8):F21‐5.  10. Schutze S, Tchikov V, Schneider‐Brachert W. Regulation of TNFR1 and CD95 signalling by  receptor  compartmentalization.  Nat  Rev Mol Cell Biol. 2008;9(8):655‐62.  11. Weinlich R, Dillon CP, Green DR. Ripped to death. Trends Cell Biol. 2011;21(11):630‐7. 

 12.  Medema  JP,  Scaffidi  C,  Kischkel  FC, Shevchenko A, Mann M, Krammer PH, et al. FLICE  is  activated  by  association  with  the CD95  death‐inducing  signaling  complex (DISC). EMBO J. 1997;16(10):2794‐804.  13. Scaffidi C, Schmitz I, Zha J, Korsmeyer SJ, Krammer  PH,  Peter  ME.  Differential modulation  of  apoptosis  sensitivity  in  CD95 type  I  and  type  II  cells.  J  Biol  Chem. 1999;274(32):22532‐8.  14. Barnhart BC, Alappat  EC, Peter ME.  The CD95  type  I/type  II model.  Semin  Immunol. 2003;15(3):185‐93.  15. de Bruin EC, Medema  JP. Apoptosis and non‐apoptotic deaths in cancer development and  treatment  response.  Cancer  TreatRev. 2008;34(8):737‐49.  16.  Cory  S,  Adams  JM.  The  Bcl2  family: regulators of the cellular life‐or‐death switch. NatRevCancer. 2002;2(9):647‐56.  17. Labi V, Erlacher M, Kiessling S, Villunger A. BH3‐only  proteins  in  cell  death  initiation, malignant  disease  and  anticancer  therapy. Cell Death Differ. 2006;13(8):1325‐38.  18.  Chipuk  JE,  Moldoveanu  T,  Llambi  F, Parsons  MJ,  Green  DR.  The  BCL‐2  family reunion. Mol Cell. 2010;37(3):299‐310.  19. Wei MC, Zong WX, Cheng EH, Lindsten T, Panoutsakopoulou  V,  Ross  AJ,  et  al. Proapoptotic  BAX  and  BAK:  a  requisite gateway  to  mitochondrial  dysfunction  and death. Science. 2001;292(5517):727‐30.   20. Czabotar PE, Lessene G, Strasser A, Adams JM. Control of apoptosis by the BCL‐2 protein family:  implications  for  physiology  and therapy. Nat Rev Mol Cell Biol. 2014;15(1):49‐63.  21.  Danial  NN,  Korsmeyer  SJ.  Cell  death: critical control points. Cell. 2004;116(2):205‐19. 

Page 41: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  39 

22.  Youle  RJ,  Strasser  A.  The  BCL‐2  protein family:  opposing  activities  that mediate  cell death. Nat Rev Mol Cell Biol. 2008;9(1):47‐59.  23. Gimenez‐Cassina A, Danial NN. Regulation of  mitochondrial  nutrient  and  energy metabolism by BCL‐2 family proteins. Trends Endocrinol Metab. 2015;26(4):165‐75.  24. Tait SW, Green DR. Mitochondria and cell death: outer membrane permeabilization and beyond.  Nat  Rev  Mol  Cell  Biol. 2010;11(9):621‐32.  25. Yang QH, Church‐Hajduk R, Ren J, Newton ML,  Du  C.  Omi/HtrA2  catalytic  cleavage  of inhibitor  of  apoptosis  (IAP)  irreversibly inactivates  IAPs  and  facilitates  caspase activity  in  apoptosis.  Genes  Dev. 2003;17(12):1487‐96.  26. Chai J, Du C, Wu JW, Kyin S, Wang X, Shi Y. Structural and biochemical basis of apoptotic activation  by  Smac/DIABLO.  Nature. 2000;406(6798):855‐62.  27. Srinivasula SM, Gupta S, Datta P, Zhang Z, Hegde  R,  Cheong  N,  et  al.  Inhibitor  of apoptosis  proteins  are  substrates  for  the mitochondrial  serine  protease Omi/HtrA2.  J Biol Chem. 2003;278(34):31469‐72.  28.  Owen‐Schaub  LB,  Zhang W,  Cusack  JC, Angelo LS, Santee SM, Fujiwara T, et al. Wild‐type human p53 and a temperature‐sensitive mutant  induce  Fas/APO‐1  expression.  Mol Cell Biol. 1995;15(6):3032‐40.  29. Muller M, Wilder S, Bannasch D, Israeli D, Lehlbach K, Li‐Weber M, et al. p53 activates the  CD95  (APO‐1/Fas)  gene  in  response  to DNA damage by anticancer drugs. J Exp Med. 1998;188(11):2033‐45.  30. Miyashita T, Reed  JC. Tumor  suppressor p53 is a direct transcriptional activator of the human bax gene. Cell. 1995;80(2):293‐9.  31. Oda  E, Ohki R, Murasawa H, Nemoto  J, Shibue T, Yamashita T, et al. Noxa, a BH3‐only member  of  the  Bcl‐2  family  and  candidate 

mediator of p53‐induced apoptosis. Science. 2000;288(5468):1053‐8.  32. Yu J, Zhang L. PUMA, a potent killer with or  without  p53.  Oncogene.  2008;27  Suppl 1:S71‐83.  33.  Chipuk  JE,  Kuwana  T,  Bouchier‐Hayes  L, Droin NM, Newmeyer DD,  Schuler M,  et  al. Direct  activation  of  Bax  by  p53  mediates mitochondrial  membrane  permeabilization and  apoptosis.  Science. 2004;303(5660):1010‐4.  34. Dice JF. Chaperone‐mediated autophagy. Autophagy. 2007;3(4):295‐9.  35. Rubinsztein DC, Gestwicki JE, Murphy LO, Klionsky DJ. Potential therapeutic applications of  autophagy.  Nat  Rev  Drug  Discov. 2007;6(4):304‐12.  36.  Shintani  T,  Klionsky  DJ.  Autophagy  in health  and  disease:  a  double‐edged  sword. Science. 2004;306(5698):990‐5.  37.  Mizushima  N,  Levine  B,  Cuervo  AM, Klionsky DJ. Autophagy fights disease through cellular  self‐digestion.  Nature. 2008;451(7182):1069‐75.  38. Axe EL, Walker SA, Manifava M, Chandra P,  Roderick  HL,  Habermann  A,  et  al. Autophagosome  formation  from membrane compartments  enriched  in phosphatidylinositol  3‐phosphate  and dynamically  connected  to  the  endoplasmic reticulum. J Cell Biol. 2008;182(4):685‐701.  39.  Mizushima  N.  Autophagy:  process  and function. Genes Dev. 2007;21(22):2861‐73.  40. Codogno P, Mehrpour M, Proikas‐Cezanne T.  Canonical  and  non‐canonical  autophagy: variations on a common theme of self‐eating? Nat Rev Mol Cell Biol. 2012;13(1):7‐12.  41. Mizushima N. The role of the Atg1/ULK1 complex  in  autophagy  regulation. Curr Opin Cell Biol. 2010;22(2):132‐9.  

Page 42: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

40 

42. Jung CH, Jun CB, Ro SH, Kim YM, Otto NM, Cao  J,  et  al.  ULK‐Atg13‐FIP200  complexes mediate  mTOR  signaling  to  the  autophagy machinery.  Mol  Biol  Cell.  2009;20(7):1992‐2003.  43. Talloczy Z, Jiang W, Virgin HWt, Leib DA, Scheuner D, Kaufman RJ, et al. Regulation of starvation‐  and  virus‐induced  autophagy  by the eIF2alpha kinase signaling pathway. Proc Natl Acad Sci U S A. 2002;99(1):190‐5.  44. Crighton D, Wilkinson S, Ryan KM. DRAM links autophagy to p53 and programmed cell death. Autophagy. 2007;3(1):72‐4.  45. Gozuacik D, Kimchi A. Autophagy and cell death. Curr Top Dev Biol. 2007;78:217‐45.  46. Chi S, Kitanaka C, Noguchi K, Mochizuki T, Nagashima  Y,  Shirouzu M,  et  al.  Oncogenic Ras triggers cell suicide through the activation of a caspase‐independent cell death program in  human  cancer  cells.  Oncogene. 1999;18(13):2281‐90.  47.  Bursch W,  Ellinger  A,  Kienzl H,  Torok  L, Pandey S, Sikorska M, et al. Active cell death induced by the anti‐estrogens tamoxifen and ICI  164  384  in  human mammary  carcinoma cells (MCF‐7) in culture: the role of autophagy. Carcinogenesis. 1996;17(8):1595‐607.  48.  Xue  L,  Borutaite  V,  Tolkovsky  AM. Inhibition  of  mitochondrial  permeability transition  and  release  of  cytochrome  c  by anti‐apoptotic  nucleoside  analogues. Biochem Pharmacol. 2002;64(3):441‐9.  49. Yu L, Alva A, Su H, Dutt P, Freundt E, Welsh S,  et  al.  Regulation  of  an  ATG7‐beclin  1 program of autophagic cell death by caspase‐8. Science. 2004;304(5676):1500‐2.  50.  Xu  Y,  Kim  SO,  Li  Y,  Han  J.  Autophagy contributes  to  caspase‐independent macrophage  cell  death.  J  Biol  Chem. 2006;281(28):19179‐87.  51.  Shimizu  S,  Kanaseki  T,  Mizushima  N, Mizuta  T,  Arakawa‐Kobayashi  S,  Thompson 

CB, et al. Role of Bcl‐2 family proteins in a non‐apoptotic programmed cell death dependent on  autophagy  genes.  Nat  Cell  Biol. 2004;6(12):1221‐8.  52. Levine B, Yuan J. Autophagy in cell death: an  innocent  convict?  J  Clin  Invest. 2005;115(10):2679‐88.  53.  Lockshin  RA,  Zakeri  Z.  Apoptosis, autophagy, and more. Int J Biochem Cell Biol. 2004;36(12):2405‐19.  54.  Vandenabeele  P,  Vanden  Berghe  T, Festjens  N.  Caspase  inhibitors  promote alternative  cell  death  pathways.  SciSTKE. 2006;2006(358):e44.  55.  Kroemer G, Galluzzi  L,  Vandenabeele  P, Abrams  J,  Alnemri  ES,  Baehrecke  EH,  et  al. Classification of cell death: recommendations of  the  Nomenclature  Committee  on  Cell Death 2009. Cell Death Differ. 2009;16(1):3‐11.  56.  Vandenabeele  P,  Galluzzi  L,  Vanden Berghe T, Kroemer G. Molecular mechanisms of necroptosis: an ordered cellular explosion. NatRevMolCell Biol. 2010;11(10):700‐14.  57. He S, Wang L, Miao L, Wang T, Du F, Zhao L, et al. Receptor interacting protein kinase‐3 determines cellular necrotic response to TNF‐alpha. Cell. 2009;137(6):1100‐11.  58. Cho YS, Challa S, Moquin D, Genga R, Ray TD, Guildford M, et al. Phosphorylation‐driven assembly of the RIP1‐RIP3 complex regulates programmed  necrosis  and  virus‐induced inflammation. Cell. 2009;137(6):1112‐23.  59.  Zong WX, Ditsworth D, Bauer DE, Wang ZQ,  Thompson  CB.  Alkylating  DNA  damage stimulates  a  regulated  form  of  necrotic  cell death. Genes Dev. 2004;18(11):1272‐82.  60. Bano D, Young KW, Guerin CJ, Lefeuvre R, Rothwell NJ, Naldini L, et al. Cleavage of the plasma  membrane  Na+/Ca2+  exchanger  in excitotoxicity. Cell. 2005;120(2):275‐85.  

Page 43: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  41 

61. Galluzzi L, Kepp O, Krautwald S, Kroemer G,  Linkermann A. Molecular mechanisms  of regulated  necrosis.  Semin  Cell  Dev  Biol. 2014;35:24‐32.  62.  Andrabi  SA,  Dawson  TM,  Dawson  VL. Mitochondrial  and  nuclear  cross  talk  in  cell death:  parthanatos.  Ann  N  Y  Acad  Sci. 2008;1147:233‐41.  63.  David  KK,  Andrabi  SA,  Dawson  TM, Dawson  VL.  Parthanatos,  a  messenger  of death.  Front  Biosci  (Landmark  Ed). 2009;14:1116‐28.  64.  Galluzzi  L,  Vanden  Berghe  T, Vanlangenakker N,  Buettner  S,  Eisenberg  T, Vandenabeele P, et al. Programmed necrosis from molecules to health and disease. Int Rev Cell Mol Biol. 2011;289:1‐35.  65. Bainton DF. The discovery of lysosomes. J Cell Biol. 1981;91(3 Pt 2):66s‐76s.  66.  Kirkegaard  T,  Jaattela  M.  Lysosomal involvement in cell death and cancer. Biochim Biophys Acta. 2009;1793(4):746‐54.  67.  Rawlings  ND,  Barrett  AJ.  MEROPS:  the peptidase  database.  Nucleic  Acids  Res. 1999;27(1):325‐31.  68. Boya P, Kroemer G. Lysosomal membrane permeabilization  in  cell  death.  Oncogene. 2008;27(50):6434‐51.  69.  Kroemer  G,  Jaattela M.  Lysosomes  and autophagy  in  cell  death  control.  Nat  Rev Cancer. 2005;5(11):886‐97.  70.  Petersen  NH,  Kirkegaard  T,  Olsen  OD, Jaattela  M.  Connecting  Hsp70,  sphingolipid metabolism  and  lysosomal  stability.  Cell Cycle. 2010;9(12):2305‐9.  71. Aits S, Jaattela M. Lysosomal cell death at a glance. JCell Sci. 2013;126(Pt 9):1905‐12.  72. Turk V, Turk B, Turk D. Lysosomal cysteine proteases:  facts  and opportunities.  EMBO  J. 2001;20(17):4629‐33. 

73. Reinheckel T, Deussing J, Roth W, Peters C.  Towards  specific  functions  of  lysosomal cysteine  peptidases:  phenotypes  of  mice deficient  for cathepsin B or cathepsin L. Biol Chem. 2001;382(5):735‐41.  74.  Balaji  KN,  Schaschke  N,  Machleidt  W, Catalfamo M, Henkart PA. Surface cathepsin B protects  cytotoxic  lymphocytes  from  self‐destruction  after  degranulation.  J  Exp Med. 2002;196(4):493‐503.  75.  Guicciardi  ME,  Leist  M,  Gores  GJ. Lysosomes  in  cell  death.  Oncogene. 2004;23(16):2881‐90.  76.  Mohamed  MM,  Sloane  BF.  Cysteine cathepsins:  multifunctional  enzymes  in cancer. Nat Rev Cancer. 2006;6(10):764‐75.  77. Jaattela M. Multiple cell death pathways as  regulators  of  tumour  initiation  and progression.  Oncogene.  2004;23(16):2746‐56.  78. Suminami Y, Nawata S, Kato H. Biological role  of  SCC  antigen.  Tumour  Biol. 1998;19(6):488‐93.  79.  Abrahamson  M,  Alvarez‐Fernandez  M, Nathanson CM. Cystatins. Biochem Soc Symp. 2003(70):179‐99.  80.  Turk  B,  Turk  V,  Turk  D.  Structural  and functional  aspects  of  papain‐like  cysteine proteinases and  their protein  inhibitors. Biol Chem. 1997;378(3‐4):141‐50.  81. Pennacchio  LA, Bouley DM, Higgins KM, Scott MP, Noebels JL, Myers RM. Progressive ataxia,  myoclonic  epilepsy  and  cerebellar apoptosis  in  cystatin  B‐deficient  mice.  Nat Genet. 1998;20(3):251‐8.  82.  Kolter  T,  Sandhoff  K.  Lysosomal degradation  of membrane  lipids.  FEBS  Lett. 2010;584(9):1700‐12.  83.  Kirkegaard  T,  Roth  AG,  Petersen  NH, Mahalka  AK,  Olsen  OD,  Moilanen  I,  et  al. Hsp70  stabilizes  lysosomes  and  reverts 

Page 44: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

42 

Niemann‐Pick  disease‐associated  lysosomal pathology. Nature. 2010;463(7280):549‐53.  84.  Jenkins RW, Canals D, Hannun YA. Roles and  regulation  of  secretory  and  lysosomal acid  sphingomyelinase.  Cell  Signal. 2009;21(6):836‐46.  85. Shortt J, Johnstone RW. Oncogenes in cell survival  and  cell  death.  Cold  Spring  Harb Perspect Biol. 2012;4(12).  86. Hassan M, Watari H, AbuAlmaaty A, Ohba Y,  Sakuragi  N.  Apoptosis  and  molecular targeting  therapy  in cancer. Biomed Res  Int. 2014;2014:150845.  87. Green DR, Evan GI. A matter of  life and death. Cancer Cell. 2002;1(1):19‐30.  88.  Elias A,  Siegelin MD,  Steinmuller A,  von Deimling A, Lass U, Korn B, et al. Epigenetic silencing of death receptor 4 mediates tumor necrosis  factor‐related  apoptosis‐inducing ligand resistance  in gliomas. Clin Cancer Res. 2009;15(17):5457‐65.  89. Horak P, Pils D, Haller G, Pribill I, Roessler M, Tomek S, et al. Contribution of epigenetic silencing  of  tumor  necrosis  factor‐related apoptosis inducing ligand receptor 1 (DR4) to TRAIL  resistance  and  ovarian  cancer.  Mol Cancer Res. 2005;3(6):335‐43.  90. Bagnoli M,  Canevari  S, Mezzanzanica D. Cellular  FLICE‐inhibitory  protein  (c‐FLIP) signalling:  a  key  regulator  of  receptor‐mediated  apoptosis  in  physiologic  context and  in  cancer.  Int  J  Biochem  Cell  Biol. 2010;42(2):210‐3.  91.  French  LE,  Tschopp  J.  Defective  death receptor  signaling  as  a  cause  of  tumor immune  escape.  Semin  Cancer  Biol. 2002;12(1):51‐5.  92. Shivapurkar N, Toyooka S, Eby MT, Huang CX,  Sathyanarayana UG, Cunningham HT, et al.  Differential  inactivation  of  caspase‐8  in lung cancers. Cancer Biol Ther. 2002;1(1):65‐9. 

93. Hahne M, Rimoldi D, Schroter M, Romero P, Schreier M, French LE, et al. Melanoma cell expression  of  Fas(Apo‐1/CD95)  ligand: implications  for  tumor  immune  escape. Science. 1996;274(5291):1363‐6.  94. Sprecher E, Bergman R, Meilick A, Kerner H, Manov L, Reiter I, et al. Apoptosis, Fas and Fas‐ligand expression  in melanocytic tumors. J Cutan Pathol. 1999;26(2):72‐7.  95. Leithauser F, Dhein J, Mechtersheimer G, Koretz  K,  Bruderlein  S,  Henne  C,  et  al. Constitutive and  induced expression of APO‐1,  a  new  member  of  the  nerve  growth factor/tumor  necrosis  factor  receptor superfamily,  in  normal  and  neoplastic  cells. Lab Invest. 1993;69(4):415‐29.  96. Yu J, Zhang L. The transcriptional targets of p53 in apoptosis control. Biochem Biophys Res Commun. 2005;331(3):851‐8.  97.  Amundson  SA,  Myers  TG,  Scudiero  D, Kitada  S,  Reed  JC,  Fornace  AJ,  Jr.  An informatics  approach  identifying markers  of chemosensitivity  in human  cancer  cell  lines. Cancer Res. 2000;60(21):6101‐10.  98. Shibata MA, Liu ML, Knudson MC, Shibata E, Yoshidome K, Bandey T, et al. Haploid loss of bax  leads to accelerated mammary tumor development  in  C3(1)/SV40‐TAg  transgenic mice:  reduction  in  protective  apoptotic response at the preneoplastic stage. EMBO J. 1999;18(10):2692‐701.  99.  Eischen  CM,  Roussel MF,  Korsmeyer  SJ, Cleveland  JL.  Bax  loss  impairs Myc‐induced apoptosis  and  circumvents  the  selection  of p53  mutations  during  Myc‐mediated lymphomagenesis.  Mol  Cell  Biol. 2001;21(22):7653‐62.  100. Inoue K, Kohno T, Takakura S, Hayashi Y, Mizoguchi  H,  Yokota  J.  Frequent microsatellite instability and BAX mutations in T cell acute lymphoblastic leukemia cell lines. Leuk Res. 2000;24(3):255‐62.  

Page 45: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  43 

101.  Miquel  C,  Borrini  F,  Grandjouan  S, Auperin A, Viguier J, Velasco V, et al. Role of bax  mutations  in  apoptosis  in  colorectal cancers with microsatellite  instability.  Am  J Clin Pathol. 2005;123(4):562‐70.  102. Levine B, Kroemer G. Autophagy  in  the pathogenesis of disease. Cell. 2008;132(1):27‐42.  103.  Botti  J, Djavaheri‐Mergny M,  Pilatte  Y, Codogno  P.  Autophagy  signaling  and  the cogwheels  of  cancer.  Autophagy. 2006;2(2):67‐73.  104. Pattingre S, Tassa A, Qu X, Garuti R, Liang XH, Mizushima  N,  et  al.  Bcl‐2  antiapoptotic proteins  inhibit  Beclin  1‐dependent autophagy. Cell. 2005;122(6):927‐39.  105. Maiuri MC, Le Toumelin G, Criollo A, Rain JC,  Gautier  F,  Juin  P,  et  al.  Functional  and physical  interaction  between  Bcl‐X(L)  and  a BH3‐like  domain  in  Beclin‐1.  EMBO  J. 2007;26(10):2527‐39.  106.  Qu  X,  Yu  J,  Bhagat  G,  Furuya  N, Hibshoosh  H,  Troxel  A,  et  al.  Promotion  of tumorigenesis by heterozygous disruption of the  beclin  1  autophagy  gene.  J  Clin  Invest. 2003;112(12):1809‐20.  107. Yue Z, Jin S, Yang C, Levine AJ, Heintz N. Beclin 1, an autophagy gene essential for early embryonic  development,  is  a haploinsufficient tumor suppressor. Proc Natl Acad Sci U S A. 2003;100(25):15077‐82.  108.  Mathew  R,  Karantza‐Wadsworth  V, White E. Role of autophagy in cancer. Nat Rev Cancer. 2007;7(12):961‐7.  109.  Galluzzi  L,  Kroemer  G.  Necroptosis:  a specialized pathway of programmed necrosis. Cell. 2008;135(7):1161‐3.  110.  Grivennikov  SI,  Greten  FR,  Karin  M. Immunity,  inflammation,  and  cancer.  Cell. 2010;140(6):883‐99.  

111. Boroughs LK, DeBerardinis RJ. Metabolic pathways promoting cancer cell survival and growth. Nat Cell Biol. 2015;17(4):351‐9.  112. DeBerardinis RJ, Thompson CB. Cellular metabolism and disease: what do metabolic outliers teach us? Cell. 2012;148(6):1132‐44.  113. Glatz JF, Luiken JJ, Bonen A. Membrane fatty  acid  transporters  as  regulators of  lipid metabolism:  implications  for  metabolic disease. Physiol Rev. 2010;90(1):367‐417.  114. Santos CR, Schulze A. Lipid metabolism in cancer. FEBS J. 2012;279(15):2610‐23.  115. Mashima T, Seimiya H, Tsuruo T. De novo fatty‐acid synthesis and  related pathways as molecular  targets  for  cancer  therapy.  Br  J Cancer. 2009;100(9):1369‐72.  116. Eberle D, Hegarty B, Bossard P, Ferre P, Foufelle  F.  SREBP  transcription  factors: master  regulators  of  lipid  homeostasis. Biochimie. 2004;86(11):839‐48.  117. Espenshade PJ. SREBPs: sterol‐regulated transcription  factors.  J  Cell  Sci.  2006;119(Pt 6):973‐6.  118. Warburg O. On respiratory impairment in cancer cells. Science. 1956;124(3215):269‐70.  119. Warburg O. On the origin of cancer cells. Science. 1956;123(3191):309‐14.  120.  Kroemer  G,  Pouyssegur  J.  Tumor  cell metabolism:  cancer's  Achilles'  heel.  Cancer Cell. 2008;13(6):472‐82.  121.  Pouyssegur  J,  Dayan  F,  Mazure  NM. Hypoxia  signalling  in  cancer and approaches to  enforce  tumour  regression.  Nature. 2006;441(7092):437‐43.  122.  Tennant  DA,  Duran  RV,  Boulahbel  H, Gottlieb  E.  Metabolic  transformation  in cancer. Carcinogenesis. 2009;30(8):1269‐80.  123. Koukourakis MI, Giatromanolaki A, Harris AL,  Sivridis  E.  Comparison  of  metabolic 

Page 46: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

44 

pathways between  cancer  cells  and  stromal cells  in  colorectal  carcinomas:  a  metabolic survival  role  for  tumor‐associated  stroma. Cancer Res. 2006;66(2):632‐7.  124. Swietach P, Vaughan‐Jones RD, Harris AL. Regulation  of  tumor  pH  and  the  role  of carbonic anhydrase 9. Cancer Metastasis Rev. 2007;26(2):299‐310.  125.  Fischer  K,  Hoffmann  P,  Voelkl  S, Meidenbauer N, Ammer  J, Edinger M, et al. Inhibitory  effect  of  tumor  cell‐derived  lactic acid  on  human  T  cells.  Blood. 2007;109(9):3812‐9.  126. DeBerardinis RJ, Lum JJ, Hatzivassiliou G, Thompson  CB.  The  biology  of  cancer: metabolic  reprogramming  fuels  cell  growth and  proliferation.  Cell Metab.  2008;7(1):11‐20.  127. Gatenby RA, Gillies RJ. Why do cancers have high aerobic glycolysis? Nat Rev Cancer. 2004;4(11):891‐9.  128.  Mathupala  SP,  Ko  YH,  Pedersen  PL. Hexokinase  II:  cancer's  double‐edged  sword acting  as  both  facilitator  and  gatekeeper  of malignancy  when  bound  to  mitochondria. Oncogene. 2006;25(34):4777‐86.  129.  Capano  M,  Crompton  M.  Biphasic translocation  of  Bax  to  mitochondria. Biochem J. 2002;367(Pt 1):169‐78.  130.  Pastorino  JG,  Shulga  N,  Hoek  JB. Mitochondrial  binding  of  hexokinase  II inhibits  Bax‐induced  cytochrome  c  release and  apoptosis.  J  Biol  Chem. 2002;277(9):7610‐8.  131. Deberardinis RJ,  Sayed N, Ditsworth D, Thompson CB. Brick by brick: metabolism and tumor  cell  growth.  Curr  Opin  Genet  Dev. 2008;18(1):54‐61.  132.  Turner  A,  McGivan  JD.  Glutaminase isoform expression  in cell  lines derived  from human colorectal adenomas and carcinomas. Biochem J. 2003;370(Pt 2):403‐8. 

133.  Perez‐Gomez  C,  Campos‐Sandoval  JA, Alonso  FJ,  Segura  JA,  Manzanares  E,  Ruiz‐Sanchez P, et al. Co‐expression of glutaminase K  and  L  isoenzymes  in human  tumour  cells. Biochem J. 2005;386(Pt 3):535‐42.  134.  Matsuno  T,  Goto  I.  Glutaminase  and glutamine  synthetase  activities  in  human cirrhotic  liver  and hepatocellular  carcinoma. Cancer Res. 1992;52(5):1192‐4.  135. Mansfield KD, Guzy RD, Pan Y, Young RM, Cash TP, Schumacker PT, et al. Mitochondrial dysfunction resulting from loss of cytochrome c impairs cellular oxygen sensing and hypoxic HIF‐alpha  activation.  Cell  Metab. 2005;1(6):393‐9.  136. Gordan JD, Simon MC. Hypoxia‐inducible factors:  central  regulators  of  the  tumor phenotype.  Curr  Opin  Genet  Dev. 2007;17(1):71‐7.  137.  Medes  G,  Thomas  A,  Weinhouse  S. Metabolism of neoplastic tissue. IV. A study of lipid  synthesis  in  neoplastic  tissue  slices  in vitro. Cancer Res. 1953;13(1):27‐9.  138. Swinnen  JV, Brusselmans K, Verhoeven G.  Increased  lipogenesis  in cancer cells: new players,  novel  targets. CurrOpinClinNutrMetab Care. 2006;9(4):358‐65.  139.  Menendez  JA,  Lupu  R.  Fatty  acid synthase  and  the  lipogenic  phenotype  in cancer  pathogenesis.  Nat  Rev  Cancer. 2007;7(10):763‐77.  140. Li JN, Mahmoud MA, Han WF, Ripple M, Pizer  ES.  Sterol  regulatory  element‐binding protein‐1  participates  in  the  regulation  of fatty  acid  synthase  expression  in  colorectal neoplasia. ExpCell Res. 2000;261(1):159‐65.  141. Swinnen  JV, Vanderhoydonc F, Elgamal AA,  Eelen  M,  Vercaeren  I,  Joniau  S,  et  al. Selective activation of the fatty acid synthesis pathway  in  human  prostate  cancer. IntJCancer. 2000;88(2):176‐9.  

Page 47: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  45 

142.  Bauer  DE,  Hatzivassiliou  G,  Zhao  F, Andreadis C, Thompson CB. ATP citrate lyase is an important component of cell growth and transformation.  Oncogene. 2005;24(41):6314‐22.  143.  Hatzivassiliou  G,  Zhao  F,  Bauer  DE, Andreadis C, Shaw AN, Dhanak D, et al. ATP citrate  lyase  inhibition  can  suppress  tumor cell growth. Cancer Cell. 2005;8(4):311‐21.  144.  Porstmann  T,  Griffiths  B,  Chung  YL, Delpuech O, Griffiths  JR, Downward  J, et al. PKB/Akt  induces  transcription  of  enzymes involved  in  cholesterol  and  fatty  acid biosynthesis  via  activation  of  SREBP. Oncogene. 2005;24(43):6465‐81.  145. Edinger AL, Thompson CB. Akt maintains cell  size  and  survival  by  increasing  mTOR‐dependent  nutrient  uptake.  Mol  Biol  Cell. 2002;13(7):2276‐88.  146. Wieman  HL, Wofford  JA,  Rathmell  JC. Cytokine  stimulation  promotes  glucose uptake  via phosphatidylinositol‐3  kinase/Akt regulation  of  Glut1  activity  and  trafficking. Mol Biol Cell. 2007;18(4):1437‐46.  147.  Buzzai  M,  Bauer  DE,  Jones  RG, Deberardinis RJ, Hatzivassiliou G, Elstrom RL, et  al.  The  glucose  dependence  of  Akt‐transformed  cells  can  be  reversed  by pharmacologic  activation  of  fatty  acid  beta‐oxidation. Oncogene. 2005;24(26):4165‐73.  148. Deberardinis RJ,  Lum  JJ, Thompson CB. Phosphatidylinositol  3‐kinase‐dependent modulation of carnitine palmitoyltransferase 1A  expression  regulates  lipid  metabolism during  hematopoietic  cell  growth.  J  Biol Chem. 2006;281(49):37372‐80.  149.  Scaglia  N,  Igal  RA.  Stearoyl‐CoA desaturase  is  involved  in  the  control  of proliferation,  anchorage‐independent growth,  and  survival  in  human  transformed cells. J Biol Chem. 2005;280(27):25339‐49.  150. Currie E, Schulze A, Zechner R, Walther TC,  Farese  RV,  Jr.  Cellular  fatty  acid 

metabolism  and  cancer.  Cell  Metab. 2013;18(2):153‐61.  151.  Baenke  F,  Peck  B, Miess H,  Schulze  A. Hooked on  fat:  the  role of  lipid  synthesis  in cancer metabolism and tumour development. Dis Model Mech. 2013;6(6):1353‐63.  152.  Santolla MF,  Lappano  R,  De Marco  P, Pupo M, Vivacqua A, Sisci D, et al. G protein‐coupled estrogen  receptor mediates  the up‐regulation of  fatty acid  synthase  induced by 17beta‐estradiol  in  cancer  cells  and  cancer‐associated  fibroblasts.  J  Biol  Chem. 2012;287(52):43234‐45.  153.  Nieman  KM,  Kenny  HA,  Penicka  CV, Ladanyi A, Buell‐Gutbrod R, Zillhardt MR, et al. Adipocytes  promote  ovarian  cancer metastasis  and  provide  energy  for  rapid tumor  growth.  Nat Med.  2011;17(11):1498‐503.  154. Houtkooper RH, Vaz FM. Cardiolipin, the heart of mitochondrial metabolism. Cell Mol Life Sci. 2008;65(16):2493‐506.  155.  Krebs  JJ,  Hauser  H,  Carafoli  E. Asymmetric  distribution  of  phospholipids  in the  inner  membrane  of  beef  heart mitochondria.  J  Biol  Chem. 1979;254(12):5308‐16.  156.  Patil  VA,  Greenberg  ML.  Cardiolipin‐mediated  cellular  signaling. AdvExpMedBiol. 2013;991:195‐213.  157.  Beranek  A,  Rechberger  G,  Knauer  H, Wolinski  H,  Kohlwein  SD,  Leber  R. Identification  of  a  cardiolipin‐specific phospholipase  encoded  by  the  gene  CLD1 (YGR110W)  in  yeast.  J  Biol  Chem. 2009;284(17):11572‐8.  158.  Gu  Z,  Valianpour  F,  Chen  S,  Vaz  FM, Hakkaart  GA,  Wanders  RJ,  et  al.  Aberrant cardiolipin  metabolism  in  the  yeast  taz1 mutant:  a  model  for  Barth  syndrome. Mol Microbiol. 2004;51(1):149‐58.  

Page 48: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

46 

159. Xu Y, Malhotra A, Ren M, Schlame M. The enzymatic  function of  tafazzin.  J Biol Chem. 2006;281(51):39217‐24.  160.  Xu  Y,  Kelley  RI,  Blanck  TJ,  Schlame M. Remodeling  of  cardiolipin  by  phospholipid transacylation.  J  Biol  Chem. 2003;278(51):51380‐5.  161.  Hauff  KD,  Hatch  GM.  Cardiolipin metabolism and Barth Syndrome. Prog  Lipid Res. 2006;45(2):91‐101.  162. Schlame M, Ren M. Barth  syndrome, a human  disorder  of  cardiolipin  metabolism. FEBS Lett. 2006;580(23):5450‐5.  163.  Vreken  P,  Valianpour  F,  Nijtmans  LG, Grivell  LA,  Plecko  B,  Wanders  RJ,  et  al. Defective  remodeling  of  cardiolipin  and phosphatidylglycerol  in  Barth  syndrome. Biochem  Biophys  Res  Commun. 2000;279(2):378‐82.  164. Valianpour F, Mitsakos V, Schlemmer D, Towbin  JA,  Taylor  JM,  Ekert  PG,  et  al. Monolysocardiolipins  accumulate  in  Barth syndrome  but  do  not  lead  to  enhanced apoptosis. J Lipid Res. 2005;46(6):1182‐95.  165.  Gonzalvez  F,  Gottlieb  E.  Cardiolipin: setting  the  beat  of  apoptosis.  Apoptosis. 2007;12(5):877‐85.  166.  Gonzalvez  F,  D'Aurelio M,  Boutant M, Moustapha A, Puech JP, Landes T, et al. Barth syndrome:  cellular  compensation  of mitochondrial  dysfunction  and  apoptosis inhibition  due  to  changes  in  cardiolipin remodeling  linked  to  tafazzin  (TAZ)  gene mutation.  Biochim  Biophys  Acta. 2013;1832(8):1194‐206.  167. Schlame M, Rua D, Greenberg ML. The biosynthesis and functional role of cardiolipin. Prog Lipid Res. 2000;39(3):257‐88.  168.  Paradies  G,  Petrosillo  G,  Pistolese  M, Ruggiero  FM.  Reactive  oxygen  species generated  by  the mitochondrial  respiratory chain  affect  the  complex  III  activity  via 

cardiolipin  peroxidation  in  beef‐heart submitochondrial  particles.  Mitochondrion. 2001;1(2):151‐9.  169. Schug ZT, Gottlieb E. Cardiolipin acts as a mitochondrial  signalling  platform  to  launch apoptosis.  BiochimBiophysActa. 2009;1788(10):2022‐31.  170. Gorbenko GP. Structure of cytochrome c complexes with phospholipids as revealed by resonance  energy  transfer. Biochim Biophys Acta. 1999;1420(1‐2):1‐13.  171.  Iverson  SL, Orrenius  S.  The  cardiolipin‐cytochrome  c  interaction  and  the mitochondrial  regulation  of  apoptosis.  Arch Biochem Biophys. 2004;423(1):37‐46.  172. Kagan VE, Tyurin VA, Jiang J, Tyurina YY, Ritov VB, Amoscato AA, et al. Cytochrome c acts  as  a  cardiolipin  oxygenase  required  for release  of  proapoptotic  factors.  Nat  Chem Biol. 2005;1(4):223‐32.  173. Esposti MD, Cristea IM, Gaskell SJ, Nakao Y,  Dive  C.  Proapoptotic  Bid  binds  to monolysocardiolipin,  a  new  molecular connection  between  mitochondrial membranes and cell death. Cell Death Differ. 2003;10(12):1300‐9.  174. Gonzalvez F, Schug ZT, Houtkooper RH, MacKenzie ED, Brooks DG, Wanders RJ, et al. Cardiolipin  provides  an  essential  activating platform for caspase‐8 on mitochondria. JCell Biol. 2008;183(4):681‐96.  175. Schug ZT, Gonzalvez F, Houtkooper RH, Vaz FM, Gottlieb E. BID is cleaved by caspase‐8  within  a  native  complex  on  the mitochondrial membrane.  Cell Death Differ. 2011;18(3):538‐48.  176. Liu J, Dai Q, Chen J, Durrant D, Freeman A,  Liu  T,  et  al.  Phospholipid  scramblase  3 controls  mitochondrial  structure,  function, and  apoptotic  response.  Mol  Cancer  Res. 2003;1(12):892‐902.  

Page 49: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  47 

177.  Jackson  JR, Patrick DR, Dar MM, Huang PS.  Targeted  anti‐mitotic  therapies:  can we improve on  tubulin agents? Nat Rev Cancer. 2007;7(2):107‐17.  178.  Dobbelstein  M,  Moll  U.  Targeting tumour‐supportive  cellular  machineries  in anticancer drug development. Nat Rev Drug Discov. 2014;13(3):179‐96.  179.  Siddik  ZH.  Cisplatin: mode  of  cytotoxic action  and  molecular  basis  of  resistance. Oncogene. 2003;22(47):7265‐79. 180. Bernards R. A missing  link  in genotype‐directed  cancer  therapy.  Cell. 2012;151(3):465‐8.  181. Luo J, Solimini NL, Elledge SJ. Principles of  cancer  therapy:  oncogene  and  non‐oncogene  addiction.  Cell.  2009;136(5):823‐37.  182. Kantarjian HM, Cortes JE, O'Brien S, Giles F, Garcia‐Manero G, Faderl S, et al.  Imatinib mesylate therapy in newly diagnosed patients with  Philadelphia  chromosome‐positive chronic  myelogenous  leukemia:  high incidence  of  early  complete  and  major cytogenetic  responses.  Blood. 2003;101(1):97‐100.  183. Shah NP, Nicoll JM, Nagar B, Gorre ME, Paquette RL, Kuriyan J, et al. Multiple BCR‐ABL kinase  domain  mutations  confer  polyclonal resistance  to  the  tyrosine  kinase  inhibitor imatinib  (STI571)  in  chronic phase and blast crisis chronic myeloid  leukemia. Cancer Cell. 2002;2(2):117‐25.  184.  Folkman  J,  Kalluri  R.  Cancer  without disease. Nature. 2004;427(6977):787.  185. Azam F, Mehta S, Harris AL. Mechanisms of resistance to antiangiogenesis therapy. Eur J Cancer. 2010;46(8):1323‐32.  186. Ebos JM, Lee CR, Kerbel RS. Tumor and host‐mediated  pathways  of  resistance  and disease  progression  in  response  to antiangiogenic  therapy.  Clin  Cancer  Res. 2009;15(16):5020‐5. 

187.  Bergers  G,  Hanahan  D.  Modes  of resistance to anti‐angiogenic therapy. Nat Rev Cancer. 2008;8(8):592‐603.  188.  Ellis  LM,  Reardon  DA.  Cancer:  The nuances  of  therapy.  Nature. 2009;458(7236):290‐2.  189.  Verhoeff  JJ,  van  Tellingen  O,  Claes  A, Stalpers  LJ,  van  Linde ME,  Richel  DJ,  et  al. Concerns about anti‐angiogenic treatment in patients with glioblastoma multiforme. BMC Cancer. 2009;9:444.  190.  Yonesaka  K,  Zejnullahu  K,  Okamoto  I, Satoh  T,  Cappuzzo  F,  Souglakos  J,  et  al. Activation  of  ERBB2  signaling  causes resistance  to  the  EGFR‐directed  therapeutic antibody  cetuximab.  Sci  Transl  Med. 2011;3(99):99ra86.  191. Engelman JA, Zejnullahu K, Mitsudomi T, Song  Y,  Hyland  C,  Park  JO,  et  al.  MET amplification  leads  to  gefitinib  resistance  in lung  cancer  by  activating  ERBB3  signaling. Science. 2007;316(5827):1039‐43.  192. Bean J, Brennan C, Shih JY, Riely G, Viale A, Wang  L,  et  al. MET  amplification  occurs with  or  without  T790M mutations  in  EGFR mutant lung tumors with acquired resistance to gefitinib or erlotinib. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007;104(52):20932‐7.  193.  Gallorini  M,  Cataldi  A,  di  Giacomo  V. Cyclin‐dependent  kinase  modulators  and cancer therapy. BioDrugs. 2012;26(6):377‐91.  194. Reuben JM, Lee BN, Li C, Gomez‐Navarro J,  Bozon  VA,  Parker  CA,  et  al.  Biologic  and immunomodulatory  events  after  CTLA‐4 blockade  with  ticilimumab  in  patients  with advanced  malignant  melanoma.  Cancer. 2006;106(11):2437‐44.  195.  Rezvani  AR,  Maloney  DG.  Rituximab resistance.  Best  Pract  Res  Clin  Haematol. 2011;24(2):203‐16.  196.  Gill  S,  Sinicrope  FA.  Colorectal  cancer prevention: is an ounce of prevention worth a 

Page 50: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

48 

pound of cure? Semin Oncol. 2005;32(1):24‐34.  197.  Rayburn  ER,  Ezell  SJ,  Zhang  R.  Anti‐Inflammatory Agents for Cancer Therapy. Mol Cell Pharmacol. 2009;1(1):29‐43.  198. Colombo JR, Wein RO. Cabozantinib for progressive  metastatic  medullary  thyroid cancer:  a  review.  Ther  Clin  Risk  Manag. 2014;10:395‐404.  199. Mesange P, Poindessous V,  Sabbah M, Escargueil  AE,  de  Gramont  A,  Larsen  AK. Intrinsic bevacizumab resistance is associated with prolonged activation of autocrine VEGF signaling and hypoxia  tolerance  in colorectal cancer  cells  and  can  be  overcome  by nintedanib,  a  small  molecule  angiokinase inhibitor. Oncotarget. 2014;5(13):4709‐21.  200.  Lord  CJ,  Ashworth  A.  Mechanisms  of resistance  to  therapies  targeting  BRCA‐mutant cancers. Nat Med. 2013;19(11):1381‐8.  201.  Anderson  MA,  Huang  D,  Roberts  A. Targeting BCL2 for the treatment of lymphoid malignancies.  Semin  Hematol. 2014;51(3):219‐27.  202.  Ganapathy‐Kanniappan  S, Kunjithapatham R, Geschwind  JF. Anticancer efficacy  of  the  metabolic  blocker  3‐bromopyruvate: specific molecular targeting. Anticancer Res. 2013;33(1):13‐20.  203.  Kaelin  WG,  Jr.  Synthetic  lethality:  a framework  for  the  development  of  wiser cancer  therapeutics.  Genome  Med. 2009;1(10):99.  204. Kaelin WG, Jr. The concept of synthetic lethality in the context of anticancer therapy. Nat Rev Cancer. 2005;5(9):689‐98.  205.  Chan  DA,  Giaccia  AJ.  Harnessing synthetic  lethal  interactions  in  anticancer drug  discovery.  Nat  Rev  Drug  Discov. 2011;10(5):351‐64.  

206. Gien LT, Mackay HJ. The Emerging Role of  PARP  Inhibitors  in  the  Treatment  of Epithelial  Ovarian  Cancer.  J  Oncol. 2010;2010:151750.  207.  Audeh MW,  Carmichael  J,  Penson  RT, Friedlander M, Powell B, Bell‐McGuinn KM, et al. Oral poly(ADP‐ribose) polymerase inhibitor olaparib  in  patients  with  BRCA1  or  BRCA2 mutations  and  recurrent  ovarian  cancer:  a proof‐of‐concept  trial.  Lancet. 2010;376(9737):245‐51.  208. Tutt A, Robson M, Garber  JE, Domchek SM,  Audeh  MW,  Weitzel  JN,  et  al.  Oral poly(ADP‐ribose)  polymerase  inhibitor olaparib  in  patients  with  BRCA1  or  BRCA2 mutations  and  advanced  breast  cancer:  a proof‐of‐concept  trial.  Lancet. 2010;376(9737):235‐44.  209. Bryant HE, Schultz N, Thomas HD, Parker KM, Flower D, Lopez E, et al. Specific killing of BRCA2‐deficient  tumours  with  inhibitors  of poly(ADP‐ribose)  polymerase.  Nature. 2005;434(7035):913‐7.  210. Farmer H, McCabe N, Lord CJ, Tutt AN, Johnson DA, Richardson  TB,  et  al.  Targeting the DNA repair defect in BRCA mutant cells as a  therapeutic  strategy.  Nature. 2005;434(7035):917‐21.  211.  Lamba  S,  Russo  M,  Sun  C,  Lazzari  L, Cancelliere  C,  Grernrum  W,  et  al.  RAF suppression synergizes with MEK inhibition in KRAS  mutant  cancer  cells.  Cell  Rep. 2014;8(5):1475‐83.  212. Lito P, Saborowski A, Yue J, Solomon M, Joseph E, Gadal S, et al. Disruption of CRAF‐mediated  MEK  activation  is  required  for effective  MEK  inhibition  in  KRAS  mutant tumors. Cancer Cell. 2014;25(5):697‐710.  213.  Meacham  CE,  Morrison  SJ.  Tumour heterogeneity  and  cancer  cell  plasticity. Nature. 2013;501(7467):328‐37. 214. Greaves M, Maley CC. Clonal evolution in cancer. Nature. 2012;481(7381):306‐13. 

Page 51: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  49 

215.  Clevers  H.  The  cancer  stem  cell: premises, promises and challenges. Nat Med. 2011;17(3):313‐9.  216. Dick JE. Stem cell concepts renew cancer research. Blood. 2008;112(13):4793‐807.  217.  Reya  T,  Morrison  SJ,  Clarke  MF, Weissman  IL. Stem cells,  cancer, and cancer stem cells. Nature. 2001;414(6859):105‐11.  218. Vermeulen L, Sprick MR, Kemper K, Stassi G,  Medema  JP.  Cancer  stem  cells‐‐old concepts,  new  insights.  Cell  Death  Differ. 2008;15(6):947‐58.  219.  Medema  JP.  Cancer  stem  cells:  the challenges  ahead.  Nat  Cell  Biol. 2013;15(4):338‐44.  220.  Clarke MF, Dick  JE, Dirks  PB,  Eaves  CJ, Jamieson  CH,  Jones  DL,  et  al.  Cancer  stem cells‐‐perspectives  on  current  status  and future directions: AACR Workshop on cancer stem cells. Cancer Res. 2006;66(19):9339‐44.  221. Colak S, Medema JP. Cancer stem cells‐‐important  players  in  tumor  therapy resistance. FEBS J. 2014;281(21):4779‐91.  222. Colak S, Zimberlin CD, Fessler E, Hogdal L,  Prasetyanti  PR,  Grandela  CM,  et  al. Decreased mitochondrial priming determines chemoresistance of  colon  cancer  stem  cells. Cell Death Differ. 2014;21(7):1170‐7.  223.  Risinger  AL,  Giles  FJ,  Mooberry  SL. Microtubule dynamics as a target in oncology. Cancer Treat Rev. 2009;35(3):255‐61.  224.  Johnson  IS,  Armstrong  JG, Gorman M, Burnett  JP,  Jr.  The  Vinca  Alkaloids:  A  New Class  of  Oncolytic  Agents.  Cancer  Res. 1963;23:1390‐427.  225.  Chabner  BA,  Roberts  TG,  Jr.  Timeline: Chemotherapy  and  the war  on  cancer.  Nat Rev Cancer. 2005;5(1):65‐72.  

226. Schiff PB, Fant J, Horwitz SB. Promotion of  microtubule  assembly  in  vitro  by  taxol. Nature. 1979;277(5698):665‐7.  227. McChesney JD, Venkataraman SK, Henri JT. Plant natural products: back to the future or  into  extinction?  Phytochemistry. 2007;68(14):2015‐22.  228.  Hortobagyi  GN.  Anthracyclines  in  the treatment  of  cancer.  An  overview.  Drugs. 1997;54 Suppl 4:1‐7.  229. Pasquier E, Kavallaris M. Microtubules: a dynamic target in cancer therapy. IUBMB Life. 2008;60(3):165‐70.  230.  Tacar  O,  Sriamornsak  P,  Dass  CR. Doxorubicin:  an  update  on  anticancer molecular  action,  toxicity  and  novel  drug delivery  systems.  J  Pharm  Pharmacol. 2013;65(2):157‐70.  231. Gershenzon J, Dudareva N. The function of  terpene  natural  products  in  the  natural world. Nat Chem Biol. 2007;3(7):408‐14.  232. Connolly  JD, Hill RA. Triterpenoids. Nat Prod Rep. 2008;25(4):794‐830.  233.  Petronelli  A,  Pannitteri  G,  Testa  U. Triterpenoids  as  new  promising  anticancer drugs. Anticancer Drugs. 2009;20(10):880‐92.  234.  Bruckner  V,  Kovacs  J,  Koczka  I. Occurrence of betulinic acid in the bark of the plane tree. J Chem Soc. 1948;1:948‐51.  235.  Fujioka  T,  Kashiwada  Y,  Kilkuskie  RE, Cosentino LM, Ballas LM, Jiang JB, et al. Anti‐AIDS  agents,  11.  Betulinic  acid  and  platanic acid  as  anti‐HIV  principles  from  Syzigium claviflorum,  and  the  anti‐HIV  activity  of structurally related triterpenoids. J Nat Prod. 1994;57(2):243‐7.  236. Mayaux JF, Bousseau A, Pauwels R, Huet T,  Henin  Y,  Dereu  N,  et  al.  Triterpene derivatives  that  block  entry  of  human immunodeficiency virus type 1 into cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 1994;91(9):3564‐8. 

Page 52: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

50 

237.  Li  F, Goila‐Gaur R,  Salzwedel K, Kilgore NR, Reddick M, Matallana C, et al. PA‐457: a potent  HIV  inhibitor  that  disrupts  core condensation by targeting a  late step  in Gag processing.  Proc  Natl  Acad  Sci  U  S  A. 2003;100(23):13555‐60.  238. Dang Z, Lai W, Qian K, Ho P, Lee KH, Chen CH, et al. Betulinic acid derivatives as human immunodeficiency  virus  type  2  (HIV‐2) inhibitors. J Med Chem. 2009;52(23):7887‐91.  239. Smith PF, Ogundele A, Forrest A, Wilton J,  Salzwedel  K,  Doto  J,  et  al.  Phase  I  and  II study  of  the  safety,  virologic  effect,  and pharmacokinetics/pharmacodynamics  of single‐dose  3‐o‐(3',3'‐dimethylsuccinyl)betulinic  acid  (bevirimat) against  human  immunodeficiency  virus infection.  Antimicrob  Agents  Chemother. 2007;51(10):3574‐81.  240.  Adamson  CS,  Waki  K,  Ablan  SD, Salzwedel  K,  Freed  EO.  Impact  of  human immunodeficiency virus  type 1  resistance  to protease inhibitors on evolution of resistance to  the  maturation  inhibitor  bevirimat  (PA‐457). J Virol. 2009;83(10):4884‐94.  241.  Zhou  J,  Chen  CH,  Aiken  C.  Human immunodeficiency virus  type 1  resistance  to the small molecule maturation inhibitor 3‐O‐(3',3'‐dimethylsuccinyl)‐betulinic  acid  is conferred  by  a  variety  of  single  amino  acid substitutions  at  the  CA‐SP1  cleavage  site  in Gag. J Virol. 2006;80(24):12095‐101.  242.  Verheyen  J,  Verhofstede  C,  Knops  E, Vandekerckhove  L,  Fun  A,  Brunen  D,  et  al. High  prevalence  of  bevirimat  resistance mutations  in protease  inhibitor‐resistant HIV isolates. AIDS. 2010;24(5):669‐73.  243. Seclen E, Gonzalez Mdel M, Corral A, de Mendoza  C,  Soriano  V,  Poveda  E.  High prevalence of natural polymorphisms  in Gag (CA‐SP1) associated with reduced response to Bevirimat,  an  HIV‐1  maturation  inhibitor. AIDS. 2010;24(3):467‐9.  

244.  Dang  Z,  Qian  K,  Ho  P,  Zhu  L,  Lee  KH, Huang  L,  et  al.  Synthesis  of  betulinic  acid derivatives  as  entry  inhibitors  against HIV‐1 and bevirimat‐resistant HIV‐1 variants. Bioorg Med Chem Lett. 2012;22(16):5190‐4.  245. Qian K, Bori  ID, Chen CH, Huang L, Lee KH. Anti‐AIDS agents 90. novel C‐28 modified bevirimat  analogues  as  potent  HIV maturation  inhibitors.  J  Med  Chem. 2012;55(18):8128‐36.  246.  Dang  Z,  Ho  P,  Zhu  L,  Qian  K,  Lee  KH, Huang L, et al. New betulinic acid derivatives for  bevirimat‐resistant  human immunodeficiency virus type‐1. J Med Chem. 2013;56(5):2029‐37.  247.  Gautam  R,  Jachak  SM.  Recent developments  in  anti‐inflammatory  natural products. Med Res Rev. 2009;29(5):767‐820. 248. Enwerem NM, Okogun JI, Wambebe CO, Okorie DA, Akah PA. Anthelmintic activity of the stem bark extracts of Berlina grandiflora and one of its active principles, Betulinic acid. Phytomedicine. 2001;8(2):112‐4.  249.  Steele  JC,  Warhurst  DC,  Kirby  GC, Simmonds MS. In vitro and in vivo evaluation of betulinic acid as an antimalarial. Phytother Res. 1999;13(2):115‐9.  250. de Sa MS, Costa JF, Krettli AU, Zalis MG, Maia GL, Sette IM, et al. Antimalarial activity of  betulinic  acid  and  derivatives  in  vitro against Plasmodium falciparum and in vivo in P.  berghei‐infected  mice.  Parasitol  Res. 2009;105(1):275‐9.  251. Innocente AM, Silva GN, Cruz LN, Moraes MS, Nakabashi M, Sonnet P, et al. Synthesis and  antiplasmodial  activity  of  betulinic  acid and  ursolic  acid  analogues.  Molecules. 2012;17(10):12003‐14.  252. da Silva GN, Maria NR, Schuck DC, Cruz LN, de Moraes MS, Nakabashi M, et al. Two series  of  new  semisynthetic  triterpene derivatives:  differences  in  anti‐malarial activity,  cytotoxicity  and  mechanism  of action. Malar J. 2013;12:89. 

Page 53: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  51 

253. Dehelean CA, Feflea S, Ganta S, Amiji M. Anti‐angiogenic  effects  of  betulinic  acid administered  in  nanoemulsion  formulation using  chorioallantoic  membrane  assay.  J Biomed Nanotechnol. 2011;7(2):317‐24.  254. Shin J, Lee HJ, Jung DB, Jung JH, Lee HJ, Lee EO, et al. Suppression of STAT3 and HIF‐1 alpha  mediates  anti‐angiogenic  activity  of betulinic acid in hypoxic PC‐3 prostate cancer cells. PLoS One. 2011;6(6):e21492.  255. Yun Y, Han S, Park E, Yim D, Lee S, Lee CK, et al. Immunomodulatory activity of betulinic acid by producing pro‐inflammatory cytokines and  activation of macrophages. Arch Pharm Res. 2003;26(12):1087‐95.  256. Saaby L, Jager AK, Moesby L, Hansen EW, Christensen  SB.  Isolation  of immunomodulatory  triterpene  acids  from  a standardized  rose  hip  powder  (Rosa  canina L.). Phytother Res. 2011;25(2):195‐201.  257. Wan  Y, Wu  YL,  Lian  LH,  Xie WX,  Li  X, Ouyang BQ, et  al.  The  anti‐fibrotic effect of betulinic  acid  is  mediated  through  the inhibition  of  NF‐kappaB  nuclear  protein translocation.  Chem  Biol  Interact. 2012;195(3):215‐23.  258. Pisha E, Chai H, Lee  IS, Chagwedera TE, Farnsworth NR, Cordell GA, et al. Discovery of betulinic acid as a selective inhibitor of human melanoma  that  functions  by  induction  of apoptosis. Nat Med. 1995;1(10):1046‐51.  259. Fulda S, Friesen C, Los M, Scaffidi C, Mier W, Benedict M, et  al. Betulinic  acid  triggers CD95  (APO‐1/Fas)‐  and  p53‐independent apoptosis  via  activation  of  caspases  in neuroectodermal  tumors.  Cancer  Res. 1997;57(21):4956‐64.  260. Schmidt ML, Kuzmanoff KL, Ling‐Indeck L, Pezzuto  JM. Betulinic acid  induces apoptosis in  human  neuroblastoma  cell  lines.  Eur  J Cancer. 1997;33(12):2007‐10.  261. Wick  W,  Grimmel  C, Wagenknecht  B, Dichgans  J, Weller M. Betulinic acid‐induced 

apoptosis  in  glioma  cells:  A  sequential requirement  for  new  protein  synthesis, formation  of  reactive  oxygen  species,  and caspase  processing.  J  Pharmacol  Exp  Ther. 1999;289(3):1306‐12.  262. Fulda S, Jeremias I, Steiner HH, Pietsch T, Debatin  KM. Betulinic  acid:  a  new  cytotoxic agent  against  malignant  brain‐tumor  cells. IntJ Cancer. 1999;82(3):435‐41.  263.  Zuco V,  Supino R, Righetti  SC,  Cleris  L, Marchesi  E,  Gambacorti‐Passerini  C,  et  al. Selective  cytotoxicity  of  betulinic  acid  on tumor  cell  lines,  but  not  on  normal  cells. Cancer Lett. 2002;175(1):17‐25.  264.  Thurnher  D,  Turhani  D,  Pelzmann  M, Wannemacher B, Knerer B, Formanek M, et al. Betulinic  acid:  a  new  cytotoxic  compound against malignant head and neck cancer cells. Head Neck. 2003;25(9):732‐40.  265.  Kessler  JH,  Mullauer  FB,  de  Roo  GM, Medema  JP. Broad  in vitro efficacy of plant‐derived  betulinic  acid  against  cell  lines derived  from  the  most  prevalent  human cancer  types.  Cancer  Lett.  2007;251(1):132‐45.  266.  Eichenmuller  M,  von  Schweinitz  D, Kappler R. Betulinic acid treatment promotes apoptosis in hepatoblastoma cells. Int J Oncol. 2009;35(4):873‐9.  267.  Eichenmuller  M,  Hemmerlein  B,  von Schweinitz D, Kappler R. Betulinic acid induces apoptosis and inhibits hedgehog signalling in rhabdomyosarcoma.  Br  J  Cancer. 2010;103(1):43‐51.  268.  Liu  Y,  Luo  W.  Betulinic  acid  induces Bax/Bak‐independent cytochrome c release in human nasopharyngeal carcinoma cells. Mol Cells. 2012;33(5):517‐24.  269. Noda  Y,  Kaiya  T,  Kohda  K,  Kawazoe  Y. Enhanced  cytotoxicity  of  some  triterpenes toward  leukemia L1210 cells cultured  in  low pH media: possibility of a new mode of  cell 

Page 54: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 1 

52 

killing.  Chem  Pharm  Bull  (Tokyo). 1997;45(10):1665‐70.  270. Ehrhardt H, Fulda S, Fuhrer M, Debatin KM,  Jeremias  I.  Betulinic  acid‐induced apoptosis  in  leukemia  cells.  Leukemia. 2004;18(8):1406‐12.  271.  Raghuvar  Gopal  DV,  Narkar  AA, Badrinath  Y, Mishra  KP,  Joshi  DS.  Betulinic acid  induces  apoptosis  in  human  chronic myelogenous  leukemia  (CML) cell  line K‐562 without altering the levels of Bcr‐Abl. Toxicol Lett. 2005;155(3):343‐51.  272. Fulda S, Scaffidi C, Susin SA, Krammer PH, Kroemer  G,  Peter  ME,  et  al.  Activation  of mitochondria  and  release  of  mitochondrial apoptogenic  factors  by  betulinic  acid.  J BiolChem. 1998;273(51):33942‐8.  273.  Mullauer  FB,  Kessler  JH,  Medema  JP. Betulinic  acid  induces  cytochrome  c  release and  apoptosis  in  a  Bax/Bak‐independent, permeability  transition  pore  dependent fashion. Apoptosis. 2009;14(2):191‐202.  274.  Raisova  M,  Hossini  AM,  Eberle  J, Riebeling  C,  Wieder  T,  Sturm  I,  et  al.  The Bax/Bcl‐2  ratio determines  the  susceptibility of  human  melanoma  cells  to  CD95/Fas‐mediated  apoptosis.  J  Invest  Dermatol. 2001;117(2):333‐40.  275. Gonzalez P, Mader  I,  Tchoghandjian A, Enzenmuller  S,  Cristofanon  S,  Basit  F,  et  al. Impairment of  lysosomal  integrity by B10, a glycosylated derivative of betulinic acid, leads to  lysosomal  cell  death  and  converts autophagy  into  a  detrimental  process.  Cell DeathDiffer. 2012;19(8):1337‐46.  276. Yang LJ, Chen Y, He J, Yi S, Wen L, Zhao J, et  al.  Betulinic  acid  inhibits  autophagic  flux and  induces  apoptosis  in  human  multiple myeloma  cells  in  vitro.  Acta  PharmacolSin. 2012;33(12):1542‐8.  277. Selzer E, Pimentel E, Wacheck V, Schlegel W, Pehamberger H, Jansen B, et al. Effects of betulinic acid alone and  in combination with 

irradiation in human melanoma cells. J Invest Dermatol. 2000;114(5):935‐40.  278. Sawada N, Kataoka K, Kondo K, Arimochi H, Fujino H, Takahashi Y, et al. Betulinic acid augments the inhibitory effects of vincristine on  growth  and  lung  metastasis  of  B16F10 melanoma  cells  in  mice.  BrJCancer. 2004;90(8):1672‐8.  279.  Fulda  S,  Debatin  KM.  Sensitization  for anticancer  drug‐induced  apoptosis  by betulinic Acid. Neoplasia. 2005;7(2):162‐70.  280. Jung GR, Kim KJ, Choi CH, Lee TB, Han SI, Han  HK,  et  al.  Effect  of  betulinic  acid  on anticancer  drug‐resistant  colon  cancer  cells. Basic ClinPharmacolToxicol. 2007;101(4):277‐85.  281. Yamai H, Sawada N, Yoshida T, Seike  J, Takizawa  H,  Kenzaki  K,  et  al.  Triterpenes augment  the  inhibitory effects of anticancer drugs  on  growth  of  human  esophageal carcinoma  cells  in  vitro  and  suppress experimental metastasis  in  vivo.  IntJCancer. 2009;125(4):952‐60.  282. Parrondo R, de las Pozas A, Reiner T, Rai P,  Perez‐Stable  C.  NF‐kappaB  activation enhances  cell  death  by  antimitotic  drugs  in human  prostate  cancer  cells.  Mol  Cancer. 2010;9:182.  283. Bache M, Zschornak MP, Passin S, Kessler J, Wichmann H,  Kappler M,  et  al.  Increased betulinic  acid  induced  cytotoxicity  and radiosensitivity  in glioma cells under hypoxic conditions. Radiat Oncol. 2011;6:111.  284. Gao Y, Jia Z, Kong X, Li Q, Chang DZ, Wei D,  et  al.  Combining  betulinic  acid  and mithramycin  a  effectively  suppresses pancreatic cancer by  inhibiting proliferation, invasion,  and  angiogenesis.  Cancer  Res. 2011;71(15):5182‐93.  285.  Damle  AA,  Pawar  YP,  Narkar  AA. Anticancer activity of betulinic acid on MCF‐7 tumors  in  nude  mice.  Indian  J  Exp  Biol. 2013;51(7):485‐91. 

Page 55: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Introduction 

  53 

 286. Chintharlapalli S, Papineni S, Ramaiah SK, Safe S. Betulinic acid inhibits prostate cancer growth  through  inhibition  of  specificity protein  transcription  factors.  Cancer  Res. 2007;67(6):2816‐23.  287.  Rajendran  P,  Jaggi  M,  Singh  MK, Mukherjee  R,  Burman  AC.  Pharmacological evaluation  of  C‐3  modified  Betulinic  acid derivatives  with  potent  anticancer  activity. Invest New Drugs. 2008;26(1):25‐34.  288. Mullauer FB, van BL, Daalhuisen JB, Ten Brink MS, Storm G, Medema JP, et al. Betulinic acid delivered in liposomes reduces growth of human  lung  and  colon  cancers  in  mice without causing systemic toxicity. Anticancer Drugs. 2011;22(3):223‐33. 

 

Page 56: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 57: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

Chapter 2 

 Betulinic acid‐induced mitochrondria‐

dependent cell death is counter 

balanced by an autophagic salvage 

response  

Lisette Potze, Franziska B. Mullauer, Selcuk Colak, Jan H. Kessler, 

Jan Paul Medema 

 

Cell Death and Disease 2014 

 

 

 

 

 

 

"Tut, tut, child!" said the Duchess. "Every thing's got a moral, if only you can find it." 

Lewis Carroll, Alice in Wonderland 

Page 58: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 2 

56 

Abstract 

 

Betulinic  acid  (BetA)  is  a plant‐derived pentacyclic  triterpenoid  that  exerts  potent  anti‐

cancer effects in vitro and in vivo. It was shown to induce apoptosis via a direct effect on 

mitochondria. This is largely independent of proapoptotic BAK and BAX, but can be inhibited 

by cyclosporin A (CsA), an inhibitor of the permeability transition (PT) pore. Here we show 

that blocking apoptosis with general caspase inhibitors did not prevent cell death, indicating 

that alternative, caspase‐independent cell death pathways were activated. BetA did not 

induce necroptosis, but we observed a strong induction of autophagy in several cancer cell 

lines. Autophagy was functional as shown by enhanced flux and degradation of long‐lived 

proteins.  BetA‐induced  autophagy  could  be  blocked,  just  like  apoptosis,  with  CsA, 

suggesting that autophagy is activated as a response to the mitochondrial damage inflicted 

by  BetA.  As  both  a  survival  and  cell  death  role  have  been  attributed  to  autophagy, 

autophagy‐deficient tumor cells and mouse embryo fibroblasts were analyzed to determine 

the  role of  autophagy  in BetA‐induced  cell death. This  clearly established BetA‐induced 

autophagy as a  survival mechanism and  indicates  that BetA utilizes an as yet‐undefined 

mechanism to kill cancer cells. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 59: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Betulinic acid induces a rescue autophagy response 

  57 

Introduction 

Betulinic acid (BetA)  is a naturally occurring triterpenoid with potent cytotoxic effects on 

cancer cells.1–4 It was initially proposed to have a direct effect on the mitochondria and to 

induce apoptosis in a BCL‐2‐dependent fashion.5–7 However, BCL‐2 overexpression can only 

provide  short‐term  protection  and  eventually  these  cells  do  succumb  to  apoptosis.  In 

addition, BAK/BAX double deficiency does not protect against BetA‐induced  cell death,8 

indicating that cell death ensues  independently of the BCL‐2 family. Mitochondrial outer 

membrane  permeabilization  (MOMP),  however,  is  crucial  as  cyclosporin  A  (CsA)  and 

bongkrekic  acid, both  inhibitors of  the permeability  transition pore  (PT‐pore),  and  as  a 

consequence MOMP were able to protect BetA‐treated cells from releasing cytochrome c 

and subsequent apoptosis.7,8 Downstream of the mitochondria caspases are activated, but 

direct  inhibition  of  caspase  activity  with  the  pan‐caspase  inhibitor  zVAD.fmk  (N‐

benzyloxycarbonyl‐Val‐Ala‐Asp‐fluoromethylketone)  did  not  offer  protection  to  BetA‐

induced  cell death.4 Combined  this  indicates  that BetA does  induce  apoptosis, but  that 

additional mechanisms must exist by which cell death is induced by the compound. 

 

Alternative  cell  death  pathways  include  necrosis,  necroptosis,  lysosomal  membrane 

permeabilization  (LMP)  and  autophagy. Necrosis  is  a  form  of  passive  cell  death  that  is 

induced upon  strong  insults  such  as mechanical  injury of  cells.  Typical  features  include 

swelling, rupture of organelle membranes as well as the outer cell membrane and as a result 

the cell contents are released, often causing  inflammation  in vivo.9 Necroptosis, a highly 

regulated form of necrosis, can be induced by ligation of death receptors in the presence of 

caspase inhibitors.10 Necroptosis is regulated by distinct complexes called the necrosome 

or  ripoptosome  that  include  receptor  interacting  protein  (RIP)  kinases,  FAS‐associated 

death domain and caspase‐8.10,11 Necroptosis can be blocked by small molecules, such as 

necrostatin‐1, that allosterically block the kinase activity of RIP1.12,13 

 

Lysosomal cell death is induced by a destabilization of the lysosomal membrane.14 The cell 

death depends on the leakage of lysosomal components into the cytoplasm, and the activity 

of cathepsins that can induce a necrotic‐like or apoptotic cell death depending on the extent 

of  the  leakage. As  such  the  induction of  cell death  is  clearly distinct  from necrosis  and 

apoptosis; nevertheless, the execution phase is similar.  

 

Autophagy is a highly conserved cellular proteolytic degradation process in which cytosolic 

components  are  first  encapsulated  by  a membrane  and  subsequently  degraded  in  the 

lysosome, thereby providing new building blocks for the cell. Autophagy is typically induced 

upon  nutrient  starvation. However,  autophagy  also  involves  sequestration  of  damaged 

cytoplasmic  components  and  organelles,  via  induction  of  de  novo  double‐membrane 

vesicles  (autophagosomes)  that  surround  the  cargo. The autophagosome  transports  the 

Page 60: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 2 

58 

cargo  to  the  lysosome  where  fusion  of  the  autophagosome  and  lysosome  leads  to 

degradation of the cargo (autophagic flux).15 Autophagy, even though initially regarded as 

a cell survival mechanism, has also been suggested to serve a role in inducing cell death. It 

may therefore represent a balancing mechanism between cell survival and cell death.16–18 

Autophagy  can  target  cytosolic  components  specific  for  degradation,  known  as  specific 

autophagy.  Specific  autophagy  can  include  ubiquitinated  proteins,  peroxisomes  and 

mitochondria.19–21 Mitophagy  involves  the  selective  degradation  of mitochondria  and  is 

among others used  for  clearance of damaged mitochondria.17,22  Previously, BetA  and  a 

derivative of BetA, B10, have been shown to induce autophagosome formation in multiple 

myeloma  cells  and  glioblastoma  cells.23,24  In  these  studies  it  was  suggested  that  the 

autophagic flux was prevented, leading to an accumulation of undigested autophagosomes. 

Although  both  studies  observed  autophagy,  the  role  of  autophagy  as  a  cell  death 

mechanism was not addressed for BetA.23,24  

 

We hypothesized that autophagy/mitophagy is induced upon BetA treatment to clear the 

damaged mitochondria. We  show  that autophagy  is massively  induced  in  various BetA‐

treated tumor cells, but is prevented by CsA, suggesting that autophagy occurs downstream 

of  the  BetA‐induced mitochondrial  damage. With  the  use  of  knockout  and  knockdown 

studies of key regulators of the autophagy pathway, we demonstrate that autophagy serves 

as a rescue pathway and is not responsible for the cell death induced by BetA. 

Results 

 

BetA‐induced cell death is independent of apoptosis. 

 

BetA induced a very potent form of cell death in HeLa cells that displayed features like cell 

membrane  rupture  (Figure  1a),  apoptosis  (Figures  1b  and  c)  and  mitochondrial 

depolarization (Figures 1d and e). The effect of BetA was, as shown before, concentration 

dependent, starting at 7.5 µg/ml and reaching a plateau at 10 µg/ml (Supplementary Figure 

1). Previously we have shown, in Jurkat cells, that BetA‐induced apoptosis is blocked by co‐

treatment with zVAD.fmk, but that this pan‐caspase inhibitor does not prevent cell death 

as measured by propidium  iodide (PI) exclusion.4 Similarly, cell death  induced by BetA  in 

HeLa cells was only partly blocked with a more potent caspase inhibitor Q‐VD‐OPh (Figure 

1f), which did block apoptotic  features  like DNA  fragmentation  (results not shown). This 

indicates that caspase inhibition was effective, but not sufficient to block the induction of 

cell death. Thus, while apoptosis is induced by BetA, these findings indicate that alternative 

cell  death  pathways  are  activated  as well.  To  study whether  necroptosis  serves  as  an 

alternative cell death mechanism induced by BetA, we made use of necrostatin, a specific 

inhibitor of  this  cell death mechanism.  Either necrostatin  alone or  in  combination with 

caspase  inhibition  failed  to prevent  cell death  (Figure 1f). As a  control  for  the action of 

Page 61: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Betulinic acid induces a rescue autophagy response 

  59 

necrostatin, U937 cells were used, which have been reported to undergo necroptosis upon 

tumor  necrosis  factor‐α  (TNF‐  α)  treatment12  in  the  presence  caspase  inhibitors.  In 

accordance with literature12 this indeed led to a significant induction necroptosis, which was 

prevented by necrostatin  (Supplementary  Figure 2). As  this  combination did not  inhibit 

BetA‐induced cell death, our data point to a cell death mechanism that is independent of 

caspases and necroptosis. 

 Figure 1. BetA induces cell death independent of apoptosis and necroptosis. HeLa cells were subjected to 

10 µg/ml BetA for 48 h after which cell death by PI exclusion (a), DNA fragmentation (b), phosphatidylserine 

(PS) exposure (c), and loss of mitochondrial activity by mitotracker orange (d) or JC‐1 (e) were assessed (f) 

HeLa cells were pre‐treated for 1 h with or without 20 µM Q‐VD‐Oph and with or without 25 µM necrostatin‐

1 and subjected to 10 µg/ml BetA for 48 h after which cell death was assessed via PI exclusion. Mean ± S.D. 

of three independent experiments are shown, *P< 0.05; **P< 0.01; ***P<0.001; NS, not significant. 

BetA induces autophagy 

 

To  determine  whether  autophagy  is  responsible  for  the  cell  death  observed,  LC3 

conjugation was studied. Conjugated LC3 (LC3‐II) is associated with autophagic membranes 

and  therefore  fusion  of  LC3  to  green  fluorescent  protein  (GFP)  can  be  used  to  detect 

autophagosomes.25 In untreated cells, LC3–GFP is evenly dispersed in the cells, with a slight 

preference for the nucleus, whereas in cells where autophagy is induced, LC3 translocation 

is  evident  (Figure 2a).25 Both HeLa\LC3–GFP  and MCF‐7\LC3–GFP  cells  treated with  the 

classical autophagy inducer rapamycin displayed a clear induction of punctuated LC3–GFP 

structures.  Interestingly,  BetA  was  even more  potent  in  inducing  autophagy,  showing 

ba c d e

f

BetAQ-VD-OPh

--

-+

+- -

--+ +-

necrostatin - - - -+ ++

++

+++

***** *** *** ***

**

*ns

% P

Ipo

s

%A

nne

xin

Vp

os

% D

epo

lariz

atio

n

% M

itotr

acke

rn

eg

0

20

40

60

80

BetADMSO BetADMSO BetADMSO BetADMSO0

20

40

60

80

0

20

40

60

80

0

20

40

60

80

BetADMSO0

20

40

60

80

0

20

40

60

80

% D

NA

fra

gm

enta

tion

% P

Ipo

s

Page 62: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 2 

60 

enlarged punctae (Figure 2a). To validate that BetA indeed induced autophagy, a separate 

measure to monitor the induction of autophagy was used, namely the processing of LC3‐I 

to  its  PE‐conjugated  LC3‐II  using  immunoblotting.26  Rapamycin  treatment  resulted  in 

enhanced LC3‐II levels in HeLa\LC3–GFP, A549, MCF‐7\LC3–GFP and SW480\LC3‐GFP cells 

as  compared  with  their  DMSO‐treated  counterparts  (Figure  2b).  Analyzing  multiple 

independent  assays  consistently  revealed  this  induction,  but  due  to  the  variation  in 

background levels of LC3‐II it only reached significance in HeLa and A549 cells (Figure 2c). In 

contrast, BetA‐induced LC3‐II levels are significantly elevated in all cell lines and were clearly 

more  pronounced  as  compared  with  rapamycin  (Figures  2b  and  c),  similar  to  the 

observations with LC3–GFP staining. The effect of BetA on autophagy occurs relatively rapid 

upon BetA treatment and required concentrations that are also exerting a toxic effect (7.5–

10 µg/ml) (Supplementary Figures 3a and b).  

 

Both detection of LC3‐II via  immunoblotting and LC3–GFP translocation are measures for 

the  amount  of  autophagosomes  present  at  a  certain  time  point,  but  do  not  provide 

information about the cause of this phenotype. It is possible that an increased number of 

autophagosomes is caused by an inhibition of basal autophagic flux rather than by induction 

of  autophagy.27,28  Previously,  it was  reported  that  BetA  in  KM3  cells  dose‐dependently 

induces the expression of LC3‐II, but also of p62, a protein that is normally degraded during 

autophagy.  This  study  suggested  that  BetA  rather  inhibited  autophagic  flux  instead  of 

inducing autophagy.24 To analyze the effect of BetA on p62 we studied its expression in HeLa 

cells. This confirmed a strong induction of p62 upon BetA treatment (Supplementary Figure 

3c). However, this is due to induction of de novo synthesis and could be blocked with the 

addition  of  cycloheximide.  The  combination  of  cycloheximide  and  BetA  did  reveal 

degradation  of  p62,  pointing  to  a  functional  flux  (Supplementary  Figure  3c).  To  better 

evaluate  this  autophagic  flux,  degradation  of  long‐lived  proteins was measured, which 

reportedly are at least in part degraded by autophagy.27–29 In agreement, rapamycin clearly 

induced  degradation  of  these  long‐lived  proteins  after  14  h  (Figure  2d).  Moreover, 

degradation continued after this time point as was evident from analyzing the release of 

labeled amino acids in the time period between 14 and 20 h (Figure 2e). In contrast to the 

finding  of  Yang  et  al.24  That  BetA  prevents  autophagic  flux,  BetA  clearly  increased  the 

degradation of long‐lived proteins after 14 h and the following 6 h after medium change. 

This was also more pronounced as compared to rapamycin‐induced degradation (Figures 

2d and e). Because degradation of  long‐lived proteins  is not solely specific for autophagy 

and  cannot discriminate between proteasomal‐  and  autophagosomal degradation more 

specific  assays  using  tandem  RFP/eGFP‐tagged  LC3  as well  as  a  tandem mCherry/GFP‐

tagged p62 were used.30 As RFP and mCherry are pH stable, they remain fluorescent after 

fusion of the autophagosomes with the lysosomal compartment, while eGFP fluorescence 

is  lost. This allows detection of autophagic flux by simply observing the formation of red 

fluorescent  lysosomes  from  green/red  fluorescent  autophagosomes.  Using  either  LC3 

Page 63: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Betulinic acid induces a rescue autophagy response 

  61 

(Figure 2f) or p62 (Supplementary Figure 3d) we observed that rapamycin as well as BetA 

induced a functional autophagic flux using. This confirms that BetA is a potent inducer of 

autophagy resulting in an enhanced autophagic flux.  

 

 Figure 2. BetA  induces autophagy (a) HeLa\LC3‐GFP cells and MCF‐7\LC3‐GFP cells were treated with 10 

µg/ml BetA or 10 µM rapamycin and after 18 h cells were analyzed by confocal microscopy. Quantification 

of LC3 punta was perfomed using Image J. Mean of positive pixels/total pixel cell (%) ± S.D. of three fields of 

view per sample are shown.  (b) HeLa\LC3‐GFP, A549, MCF‐7\LC3‐GFP and SW480\LC3‐GFP were  treated 

with 10 µg/ml BetA or 10 µM rapamycin for 18 h. LC3 processing was assessed via immunoblotting. Results 

for endogenous LC3 are shown. LC3‐I (18 kDa) and LC3‐II (16 kDa). Tubulin  is used as a control. (c) Band 

intensity of western blot was quantified using Image J software. DMSO control is set to 1. Mean ± S.D. of 

three indendent experiments are shown, *P < 0.05; **P< 0.01; ***P<0.001; n.s., not significant. (d) MCF7 

cells were treated with the indicated concentrations of BetA or 1 µM rapamycin and after 14 h degradation 

of long‐lived proteins was measured or (e) after 14 h medium was refreshed and degradation in the following 

6 h was measured. Mean ± S.D. of triplicates are shown (f) HeLa and A549 cells with tandem fluorescent LC3 

(mRFP‐eGFP‐LC3) were treated with 10 µg/ml BetA or 10 µM rapamycin and after 18 h cells were analyzed 

by confocal microscopy. Quantification of red LC3 puncta was performed using Image J. Mean of positive 

pixels/total pixel cell (%) ± S.D. of three fields of view per sample are shown. 

 

 

DMSO rapamycinBetA

MC

F-7

\LC

3-G

FP

HeL

a\LC

3-G

FP

5.795 ±0.86

10.36 ±1.8 3.707 ±0.61

DMSO rapamycinBetA

1.452 ±2.1

a

d

0.5

1.0

1.5

2.0

Degra

dation (

ratio)

0 5 7.5 10 1µM

BetA (µg/ml) Rapa

0.5

1.0

1.5

2.0

0 5 7.5 10 1µMBetA (µg/ml) Rapa

De

gra

da

tio

n (

ratio

)

e

LC

3 I

I /

LC

3 I

0

2

4

6 ***

**

**ns

*ns

A549HeLa SW480MCF-7

0.042 ±0.04 8.415 ±2.8

0.16 ±0.2

c

He

La

0 µm 10 0 µm 10 0 µm 10

f

A5

49

0 µm 25 0 µm 25 0 µm 25

BetArapamycin

+- - - - - - - -+ + ++ + + + +-------

2.539 ±2.7 10.99 ±9.0 5.218 ±4.4

8.36 ±6.9 6.637 ±3.1

b

LC3 I

LC3 II

Tubulin

A549HeLa SW480MCF-7

BetArapamycin

+- - - - - - - -+ + ++ + + + +------

Page 64: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 2 

62 

Cyclosporin A blocks BetA‐induced autophagy.  

 

Permeability  transition pore  (PT‐pore) opening  results  in membrane depolarization  and 

leads to cytochrome c release and subsequent caspase activation.31 The proposed structure 

of  the  pore  is  formed  by  a  voltage‐dependent  anion  channel,  adenine  nucleotide 

translocator and cyclophilin D complex,32 and opening of  the PT‐pore can be blocked by 

inhibition  of  cyclophilin  D  using  CsA.33  Previously  we  have  shown  that  BetA‐induced 

apoptosis and cytochrome c release proceeded  in a PT‐pore‐dependent  fashion.8 As CsA 

inhibits BetA‐induced apoptotic features,8 the effect of CsA on BetA‐induced autophagy was 

investigated. HeLa\LC3–GFP cells were treated with BetA alone or in combination with CsA 

and analyzed via confocal microscopy. Autophagosome formation was clearly inhibited in 

the presence of CsA (Figure 3a). A similar CsA dependency was observed in MCF‐7\LC3 cells 

(Figure 3a). The effect of CsA was confirmed by  immunoblotting  for LC3  in BetA‐treated 

HeLa, but also in other cancer lines (A549, MCF‐7 and SW480). In all tested cell lines, BetA‐

induced  formation of  lipidated LC3‐II was  reduced when cells were pretreated with CsA 

(Figures 3b and c). These data suggest that BetA‐induced autophagy  is a consequence of 

mitochondrial damage  triggered by BetA and can be prevented by  inhibition of PT‐pore 

opening.  

 

Autophagy serves as a rescue pathway, not as an alternative cell death pathway 

in BetA‐treated cells.  

 

Autophagy, even though initially regarded as a cell survival pathway, can play a role in dying 

cells  as well  and  has  been  suggested  to  serve  as  a  balancing mechanism  between  cell 

survival and cell death.16,17 Autophagy is detectable already at low BetA concentrations (7.5 

µg/ml) and we reasoned that it is primarily induced as a rescue mechanism. However, it is 

feasible  that  at  higher  BetA  concentrations  autophagy  is  induced  beyond  a  certain 

threshold,  which  shifts  the  balance  from  cell  survival  to  cell  death.17,34  To  test  this 

hypothesis, we used cell lines with a deficiency in ATG5 or ATG7, which are crucial regulators 

in the induction of autophagy.35,36 First we used retroviral shRNA against ATG5 in HeLa and 

HeLa\LC3–GFP  cells. ATG5  knockdown  levels of 77 and 86% were obtained with  shRNA 

against ATG5 in HeLa and HeLa\LC3–GFP cells, respectively (Supplementary Figure 4a). The 

abrogation of autophagy in these cells was confirmed by confocal microscopy (Figure 4a). 

Importantly, when analyzing BetA‐induced cell death  in HeLa ATG5 knockdown cells, this 

was found,  if anything, to be enhanced as compared to the cell death  induced  in control 

knockdown cells (Figure 4b). The increase in BetA‐induced cell death in autophagy‐impaired 

cells was  also  observed  in MCF‐7\LC3–GFP  cells  (Supplementary  Figures  4a  and  b).  To 

formally confirm that impaired autophagy enhances BetA‐induced cell death, MEFs derived 

from Atg5 or Atg7 knockout mice were used. While these cells are completely autophagy 

deficient, they showed increased levels of BetA‐induced cell death (Figure 4c) and Annexin 

Page 65: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Betulinic acid induces a rescue autophagy response 

  63 

V exposure (Supplementary Figure 4c). Interestingly, caspase inhibition in these autophagy‐ 

deficient  cells did not prevent  cell death  either  (Figure 4d). However, both  autophagy‐

proficient and –deficient cells displayed a similar increase in mitochondrial depolarization 

(Figure  4e),  suggesting  that  the  initial  mitochondrial  insults  are  independent  of  the 

induction of autophagy. Combined these data indicate that autophagy serves primarily as a 

survival mechanism in BetA‐treated cells and that BetA‐induced cell death is independent 

of autophagy, necroptosis and caspases and follows an as yet‐undefined pathway. 

 Figure 3. CsA inhibits BetA‐induced autophagy (a) HeLa\LC3‐GFP cells and MCF‐7\LC3‐GFP cells were pre‐

treated with 10 µg/ml CsA for one hour and subjected to 10 µg/ml BetA for 18 h and analyzed by confocal 

microscopy. Quantification of LC3 puncta was performed using Image J. Mean of positive pixels/total pixel 

cell (%) + S.D. of three fields of view per sample are shown. (b) HeLa\LC3‐GFP, A549, MCF‐7\LC3‐GFP and 

SW480\LC3‐GFP were pre‐treated with 10 µg/ml CsA for one hour and subjected to 10 µg/ml BetA for 18 h. 

LC3 processing was assessed via immunoblotting. Results for endogenous LC3 are shown; LC3‐I (18 kDa) and 

LC3‐II  (16 kDa). Tubulin  is used as a control.  (c) Band  intensity of LC3 western blot was quantified using 

Image J software. DMSO control is set to 1. Mean + S.D. of three independent experiments are shown, *P < 

0.05; **P< 0.01; ***P<0.001; N.S., not significant. 

a

b

LC3 ILC3 II

A549HeLa SW480MCF-7

BetACsA

+- - - - - - - -+ + + + + + ++ + + + + + + +- - - - - - - -

LC3

II / L

C3

I

Tubulin

0.0

2.5

5.0

7.5

10.0

A549HeLa SW480MCF-7

BetACsA

+- - - - - - - -+ + + + + + ++ + + + + + + +- - - - - - - -

c

DMSO BetA CsA BetA + CsA

MC

F-7

\LC

3-G

FP

He

La\L

C3

-GF

P

*** * * ns

1.09 ±1.1 6.152 ±0.48 0.664 ±0.53 1.192 ±1.5

1.152 ±0.99 4.611 ±1.39 0.869 ±1.1 1.56 ±0.69

Page 66: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 2 

64 

 Figure 4. Autophagy serves as a rescue pathway (a) HeLa\LC3‐GFP cells with pSuper empty (control) or 

ATG5 #2 knockdown were treated with 10 µM rapamycin for 6 h and analyzed with confocal microscopy. 

Representative pictures of two experiments are shown. Quantification of LC3 puncta was performed using 

Image J software. Mean of positive pixels/total pixel cell (%) ± S.D. of three fields of view per sample are 

shown. (b) HeLa cells with ATG5 #2 knockdown and the control were subjected to different concentrations 

of BetA for 48 h after which cell death was measured via PI exclusion and DNA fragmentation was assessed. 

Mean ± S.D. of triplicates are shown. (c) Mouse embryonic fibroblasts lacking either ATG5 or ATG7 and their 

respective control cells were subjected to different concentrations of BetA and cell death (24 h) using (c) PI 

exclusion was measured. (d) Mouse embryonic fibroblasts lacking either ATG5 or ATG7 and their respective 

control cells were subjected to different concentrations of BetA for 24 h in the presence or absence of 20 

µM  zVAD.fmk  and  cell  death  using  PI  exclusion  was  measured.  Mean  ±  S.D.  of  three  independent 

experiments are shown. (e) Loss of mitochondrial activity measured by JC‐1 after 18 h was assessed. Mean 

± S.D. of three independent experiments are shown. 

Discussion 

 

BetA is a promising anti‐cancer agent with apoptosis‐inducing effects that acts on the PT‐

pore in a BAX/BAK‐independent fashion.8 Here we show that BetA highly efficiently induced 

autophagy  in several cancer cells. Autophagic flux was found to be functional and  led to 

a

c

DMSOco

ntro

lsh

RN

AA

TG

5 2

rapamycin

d

0

10

20

30

40

50

% D

NA

frag

men

tatio

n0 5 10 15

controlsh RNAATG5 #2

0

20

40

60

80

100

% P

Ipo

s

0 5 10 15

bcontrolsh RNAATG5 #2

e

0.088 ±0.07 0.2178 ±0.18

1.245 ±1.02 0.339 ±0.5

+ ZVAD-fmk

+ ZVAD-fmk0 5 10 15 20

0

20

40

60

80

100

% P

Ipo

s

0 5 10 15 200

20

40

60

80

100

% P

Ipo

s

BetA (µg/ml)

wtAtg5 -/-

BetA (µg/ml)

wtAtg5 -/-

Atg7 -/-Atg7 +/-

0 5 10 15 200

20

40

60

80

100

% P

Ipo

s

BetA (µg/ml)0 5 10 15 20

0

20

40

60

80

100

% P

Ipo

s

Atg7 +/-Atg7 -/-

wtAtg5 -/-

Atg7 +/-Atg7 -/-

0

20

40

60

80

100

% D

epol

ariz

atio

n0 5 10 15 20

0

20

40

60

80

100%

Dep

olar

izat

ion

0 5 10 15 20

Page 67: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Betulinic acid induces a rescue autophagy response 

  65 

enhanced degradation of long‐lived proteins and degradation of GFP in tandem fluorescent 

LC3  and  p62  proteins  (Figure  2  and  Supplementary  Figure  3). Our  observations  are  in 

contrast to previous findings by Yang et al.24 reporting that BetA inhibits autophagic flux in 

human multiple myeloma cells as measured by accumulation of p62 protein. Similar to BetA, 

B10,  a  semi‐synthetic  glycosylated  derivative  of  BetA,  induced  cell  death  in  both  an 

apoptosis‐dependent and apoptosis‐independent  fashion.  In response  to B10  treatment, 

LMP and subsequent release of lysosomal enzymes was observed in a human glioblastoma 

cell  line,  impairing  autophagy  in  later  stages.23  LMP  results  in  the  release  of  lysosomal 

hydrolases  and  cathepsins  into  the  cytosol.37  Massive  lysosomal  leakage  leads  to 

uncontrolled  necrosis,  whereas  minor  LMP  can  activate  either  the  intrinsic  caspase‐

dependent apoptosis pathway or caspase‐independent alternative cell death programs.38–

43 LMP could  therefore also be a possible mechanism by which BetA  induces cell death. 

However,  in  contrast  to  B10,  which  disrupts  the  autophagic  flux,  our  data  show  that 

autophagy is enhanced after BetA treatment. It could well be that at later time points the 

flux is halted, potentially due to an overload of cargo. This could explain the relatively large 

LC3–GFP structures that are observed at later time points. Nevertheless, we show that the 

initial enhanced autophagic flux also serves a protective function as it delays the execution 

of cell death, while it does not appear to limit the mitochondrial depolarization. Blocking 

autophagy completely is detrimental to the cells confirming that the observed increase in 

autophagosomes and LC3‐II is not simply due to a block in the flux.  

 

An interesting connection between BetA‐induced apoptosis and autophagy is the fact that 

both are efficiently  inhibited by CsA, an  inhibitor of the PT‐pore8 (Figure 3) CsA has been 

reported to block mitophagy induced by loss of MOMP in rat hepatocytes.44,45 Blocking of 

apoptosis and autophagy by CsA hints to a scenario in which both pathways are triggered 

by a common upstream event that is related to PT‐pore opening. How this is achieved by 

BetA  remains  yet  to  be  established.  It  is  consistent  though  with  the  observations  in 

autophagy‐deficient cells, which do show a decrease in cell death, but not in mitochondrial 

defects. This suggests  that  the primary  insult  is  independent of autophagy, but  that  the 

execution of cell death is dampened by an initial salvage response through the induction of 

autophagy. The fact that autophagy occurs relatively rapid upon BetA treatment is also in 

line with this notion.  

 

Even though our results suggest that autophagy does not primarily serve as a cell death 

mechanism, it is conceivable that it plays an indirect role in the toxicity exerted by BetA. At 

higher concentration of BetA, autophagy may keep the balance up for a period of time, after 

which either the mitochondrial damage is too massive to be counteracted by autophagy or 

that lysosomal exhaustion occurs, which as a consequence will prevent further autophagic 

flux. This may then result in release of cytochrome c, activation of caspases and subsequent 

apoptosis. This is supported by the observations that BetA‐induced cell death is higher in 

Page 68: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 2 

66 

autophagy‐deficient cells compared to control cells (Figure 4 and Supplementary Figure 4). 

Nevertheless, even under these conditions caspase inactivation is not sufficient to rescue 

the cells either, suggesting that the mitochondrial damage inflicted is not compatible with 

cellular survival.  

Taken together our findings show that BetA‐induced cell death is independent of caspases, 

necroptosis and autophagy and, thus, alternative cell death mechanisms must be involved.  

This potentially explains the high tumoricidal efficacy of BetA, as it induces cell death that 

is not prevented by classical antiapoptotic mechanisms. 

 

Materials and Methods 

 

Chemicals/antibodies.  

Betulinic acid (BioSolution Halle, Halle, Germany, (>99% purity) was dissolved in DMSO at 4 

mg/ml and stored at ‐80 °C. PI and CsA were purchased from Sigma‐Aldrich (St. Louis, MO, 

USA). Rapamycin was purchased from VWR (Amsterdam, The Netherlands) and C‐14 valine 

(CFB75‐50 µCi)  from Amersham Biosciences  (Amersham, UK). Q‐VD‐OPh was purchased 

from R&D Systems (Minneapolis, MN, USA). Necrostatin‐1 and TNF‐α were obtained from 

Enzo Life Sciences (Farmingdale, NY, USA). Anti‐LC3 antibody (51520) was obtained from 

Abcam  (Cambridge,  UK).  Anti‐ATG5  antibody  and  anti‐  SQSTM1/p62  were  from  Cell 

Signaling Technology  (Danvers, MA, USA). Anti  α Tubulin antibody was  from Santa Cruz 

Biotechnology  (Dallas,  TX,  USA).  Annexin  V‐APC  and  7‐AAD were  from  BD  Biosciences 

(Franklin Lakes, NJ, USA). Mitotracker Orange CMTMRos and JC‐1 were obtained from Life 

Technologies (Carlsbad, CA, USA). 

 

Cell culture.  

HeLa cells, A549 cells, MCF‐7 cells, SW480 and U937 cells were obtained  from the ATCC 

(Manassas, VA, USA). MCF‐7 cells overexpressing LC3– GFP were generated as described.46 

HeLa cells and SW480 cells overexpressing LC3‐GFP were made by stable transfection of 

plasmid pEGFP‐C1‐LC3, which was a gift from G. Kroemer (Institut Gustave Roussy, Villejuif, 

France). All LC3–GFP overexpressing cell lines were cultured with 500 µg/ml G418 in order 

to  select  for  LC3–GFP. ATG5 knockout and  the  corresponding  control MEFs were kindly 

provided by N Mizushima  (Department of Cell Biology, Okazaki,  Japan)25  and  the ATG7 

knockout and corresponding control MEFs were obtained from M Komatsu (Department of 

Molecular Oncology, Tokyo, Japan).35  

All cells were cultured  in  IMDM supplemented with 8% FCS, 2mM L‐glutamine, 40 U/ml 

penicillin and 40 µg/ml streptomycin.  

 

RNA interference.  

Retroviral vectors pSuper ATG5 #2, pSuper ATG5 #3 and pSuper empty, a gift from S.W. Tait 

(Beatson  Institute,  Institute  of  Cancer  Sciences,  Glasgow,  UK),47  were  transfected  into 

Page 69: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Betulinic acid induces a rescue autophagy response 

  67 

Phoenix Amphothrophic cells using the standard Ca²+‐phosphate procedure. After 48 h, the 

virus containing medium was centrifuged at 1200 r.p.m. to purify virus from cell debris and 

supernatant was supplemented with 10 µg/ml polybrene. Target cells were plated at 70% 

confluence and allowed to attach overnight in standard medium. For infections, the culture 

medium was replaced with the virus containing medium and  incubated  for 8 h at 37 °C. 

Transduced  cell  populations  were  subsequently  selected  with  1–2  µg/ml  puromycin, 

depending on cell type (2 µg/ml for HeLa cells and 1 µg/ml for MCF‐7 cells). After 1 week of 

selection, expression of the targeted proteins was determined by western blot.  

 

Cell death analysis.  

Cell death was determined by PI exclusion. In short, 50 000 cells were plated in a 24‐well 

plate and allowed to attach overnight. Cells were treated for 48 h and harvested. The cell 

pellet was  resuspended  in  200  µl medium  and  stained with  PI  at  1  µg/ml  just  before 

measuring by flow cytometry. Samples were analyzed using FlowJo software (Tree Star Inc., 

Ashland, OR, USA). For quantification of apoptotic DNA fragmentation (Nicoletti assay) cells 

were resuspended in Nicoletti buffer48 supplemented with 50 µg/ml PI for 12 h, subsequent 

flow  cytometric  measurement  of  PI‐stained  nuclei  was  performed.  Phosphatidylserine 

exposure during apoptosis was detected by annexin V assay.  In short, 50 000 cells were 

plated in a 24‐well plate and allowed to attach overnight. Cells were treated for 48 h and 

harvested. The  cell pellet was  stained with annexin V‐APC and 7‐AAD  for 15 min at RT, 

subsequently flow cytometric measurement of annexin V and 7‐AAD was performed. 

 

Mitochondrial membrane potential analysis.  

Mitochondrial  activity was measured with Mitotracker Orange  CMTMRos.  Treated  cells 

were  incubated for 30 min with 25 nM Mitotracker Orange at 37 °C. After staining, cells 

were washed and 7‐AAD was added followed by cytometric analysis.  

As a second mitochondrial membrane potential assay, JC‐1 staining was used. Cells were 

stained  for 30 min  at RT with 4 µM  JC‐1. Depolarization was measured  in  FITC  and PE 

channel by flow cytometry.  

 

LC3 fluorescence microscopy.  

HeLa and MCF‐7 cells overexpressing LC3–GFP were cultured on Poly‐D‐lysine‐coated 24 

mm diameter glass coverslips in six‐well plates and treated with BetA, rapamycin and CsA 

for  indicated  time points and  concentrations. The glass  coverslips were mounted  into a 

chamber of the microscope for live‐cell imaging and Z‐stack measurements and placed in a 

Leica DMI 6000 (TCS SP8) microscope (with adaptive focus, Motorized XY‐Stage and SuperZ 

Galvo) and a case incubator at 37 °C. Samples were analyzed using Leica Las AF software. 

Quantification was performed with  Image J49 generating a cut‐off for the basal dispersed 

LC3 fluorescence, allowing for the quantification of fluorescence in the concentrated areas 

(LC3–GFP‐associated autophagosomes).  

Page 70: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 2 

68 

Tandem fluorescence microscopy. 

HeLa  and A549  cells were  transiently  transfected with  tandem  fluorescent  LC3  (mRFP–

eGFP–LC3,  kindly  provided  by  T  Yoshimori30  using  polyethylenimine  (PEI)  transfection 

(Brunschwig, The Netherlands). 24 h after  transfection cells were  treated with 10 µg/ml 

BetA or 10 µM rapamycin  for 18 h. HeLa cells were transiently transfected with tandem 

fluoresecent  p62  (pDest‐mCherry‐EGFP‐p62,  kindly  provided  by  E  Reits,  AMC,  The 

Netherlands),  using  PEI  transfection.  Twenty‐four  hours  after  transfection,  cells  were 

treated with 10 µg/ml BetA or 10 µM rapamycin for 12 h.  

 

Degradation of long‐lived proteins.  

MCF‐7 cells were seeded in 12‐well plates. The next day cells were labeled with C‐14 valine 

(0.2 µCi/ml). After 24 h, a cold chase using cell culture medium only was performed before 

adding BetA or rapamycin for various time points. Supernatants and cells were collected 

separately and both were precipitated for 30 min on ice in 10% TCA (trichloroacetic acid). 

Precipitates were collected via centrifugation for 10 min at 10 000 r.p.m. and subsequently 

dissolved in 0.5M NaOH. Radioactivity in supernatant and cell samples was measured and 

the ratio determined. The relative degradation ratio in the control cells was set to ‘one’ and 

compared with the degradation ratios in BetA and rapamycin‐treated samples.  

 

Western blot analysis.  

Cells were  lysed  in  1x  RIPA  lysis  buffer  (Thermo  Fisher  Scientific, Waltham, MA,  USA) 

containing  complete proteinase  inhibitor  (Roche,  Penzberg, Germany)  and  subjected  to 

protein quantification using a BCA kit (Pierce, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA). 

A quantity of 25 µg protein per  lane was applied for SDS‐PAGE. Subsequent blotting was 

performed using a PVDF membrane (Amersham Biosciences, Amersham, UK). Membranes 

were  blocked  in  5%  milk  (blocking  buffer)  in  TRIS  phosphate‐buffered  saline  solution 

containing  TWEEN  20  (0.2%)  (TBST‐T)  for  1  h  at  room  temperature.  Primary  antibody 

incubations  were  performed  in  1% milk/TBS‐T  (LC3  antibody,  tubulin  antibody)  or  5% 

BSA/TBS‐T  (ATG5  antibody,  p62  antibody  and  ERK1/2  antibody)  overnight  at  4°C. 

Membranes were washed  three  times  and  incubated  in  blocking  buffer  for  1  h with  a 

secondary HRP  (horseradish peroxidase)‐labeled  antibody  (anti‐rabbit  IgG  (H+L) or  anti‐

mouse  IgG  (H+L);  Southern  Biotech,  Birmingham,  AL,  USA).  For  chemiluminescent 

visualization, Lumi‐Light plus substrate (Roche, Penzberg, Germany) was used. Blots were 

analyzed by ImageQuant LAS4000. Band intensities were quantified using Image J software 

(NIH, Bethesda, MD, USA).  

 

Statistical analysis.  

Statistical analyses were performed with Prism 5  (GraphPad Software, La  Jolla, CA, USA) 

applying Student’s t‐test. Differences were considered significant with P‐values <0.05 (*), 

<0.01 (**) and <0.001 (***).  

Page 71: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Betulinic acid induces a rescue autophagy response 

  69 

Conflict of Interest 

The authors declare no conflict of interest. 

 

Acknowledgements  

We would like to thank G Kroemer (Institut Gustave Roussy, Villejuif, France) for the LC3–

GFP construct, N Mizushima (Department of Cell Biology, Okazaki, Japan) and M Komatsu 

(Department of Molecular Oncology, Tokyo, Japan) for providing MEFs, SW Tait (Beatson 

Institute, Institute of Cancer Sciences Glasgow, UK) for the plasmids. The microscopy images 

were  taken  at  the  core  facility Cellular  Imaging/LCAM‐AMC. We would  like  to  thank DI 

Picavet for technical assistance, furthermore MF Bijlsma for his valuable scientific input and 

helpful discussions. This work was supported by a grant of the Stichting Nationaal Fonds 

tegen Kanker (SNFK), Amsterdam, The Netherlands. 

 

Page 72: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 2 

70 

References  1. Ehrhardt H, Fulda S, Fuhrer M, Debatin KM, Jeremias I. Betulinic acid‐induced apoptosis in leukemia  cells.  Leukemia  2004;  18:  1406–1412.  2.  Rzeski  W,  Stepulak  A,  Szymanski  M, Sifringer M, Kaczor J, Wejksza K et al. Betulinic acid decreases expression of bcl‐2 and cyclin D1,  inhibits  proliferation,  migration  and induces  apoptosis  in  cancer  cells.  Naunyn Schmiedebergs  Arch  Pharmacol  2006;  374: 11–20.  3.  Jung GR, Kim KJ, Choi CH, Lee TB, Han SI, Han  HK  et  al.  Effect  of  betulinic  acid  on anticancer  drug‐resistant  colon  cancer  cells. Basic Clin Pharmacol Toxicol 2007; 101: 277–285.  4.  Kessler  JH,  Mullauer  FB,  de  Roo  GM, Medema  JP. Broad  in vitro efficacy of plant‐derived  betulinic  acid  against  cell  lines derived  from  the  most  prevalent  human cancer types. Cancer Lett 2007; 251: 132–145.  5. Fulda S, Friesen C, Los M, Scaffidi C, Mier W, Benedict M et al. Betulinic acid triggers CD95 (APO‐1/Fas)‐ and p53‐independent apoptosis via activation of caspases in neuroectodermal tumors. Cancer Res 1997; 57: 4956–4964.   6. Fulda S, Susin SA, Kroemer G, Debatin KM. Molecular  ordering  of  apoptosis  induced  by anticancer  drugs  in  neuroblastoma  cells. Cancer Res 1998; 58: 4453–4460.  7. Fulda S, Scaffidi C, Susin SA, Krammer PH, Kroemer  G,  Peter  ME  et  al.  Activation  of mitochondria  and  release  of  mitochondrial apoptogenic  factors  by  betulinic  acid.  J  Biol Chem 1998; 273: 33942–33948.  8.  Mullauer  FB,  Kessler  JH,  Medema  JP. Betulinic  acid  induces  cytochrome  c  release and  apoptosis  in  a  Bax/Bak‐independent, permeability  transition  pore  dependent fashion. Apoptosis 2009; 14: 191–202.  

9. Vandenabeele P, Vanden Berghe T, Festjens N. Caspase inhibitors promote alternative cell death pathways. Sci STKE 2006; 2006: e44.  10.  Vandenabeele  P,  Galluzzi  L,  Vanden Berghe T, Kroemer G. Molecular mechanisms of necroptosis: an ordered cellular explosion. Nat Rev Mol Cell Biol 2010; 11: 700–714.  11. Tenev T, Bianchi K, Darding M, Broemer M,  Langlais  C,  Wallberg  F  et  al.  The Ripoptosome,  a  signaling  platform  that assembles in response to genotoxic stress and loss of IAPs. Mol Cell 2011; 43: 432–448.  12. Degterev A, Huang Z, Boyce M, Li Y, Jagtap P, Mizushima N  et  al.  Chemical  inhibitor  of nonapoptotic  cell  death  with  therapeutic potential for ischemic brain injury. Nat Chem Biol 2005; 1: 112–119.  13.  Degterev  A,  Hitomi  J,  Germscheid  M, Ch’en IL, Korkina O, Teng X et al. Identification of RIP1 kinase as a specific cellular  target of necrostatins. Nat Chem Biol 2008; 4: 313–321.  14. Aits S, Jaattela M. Lysosomal cell death at a glance. J Cell Sci 2013; 126(Pt 9): 1905–1912.  15. Parzych KR, Klionsky DJ. An Overview of Autophagy:  Morphology,  Mechanism,  and Regulation.  Antioxid  Redox  Signal  2014;  20: 460–473.  16. Saeki K, Yuo A, Okuma E, Yazaki Y, Susin SA,  Kroemer G  et  al.  Bcl‐2  down‐regulation causes  autophagy  in  a  caspase‐independent manner  in  human  leukemic  HL60  cells.  Cell Death Differ 2000; 7: 1263–1269.  17.  Baehrecke  EH.  Autophagy:  dual  roles  in life and death? Nat Rev Mol Cell Biol 2005; 6: 505–510.  18.  Chen  N,  Karantza  V.  Autophagy  as  a therapeutic target in cancer. Cancer Biol Ther 2011; 11: 157–168.  19. Weidberg H, Shvets E, Elazar Z. Biogenesis and  cargo  selectivity  of  autophagosomes. Annu Rev Biochem 2011; 80: 125–156. 

Page 73: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Betulinic acid induces a rescue autophagy response 

  71 

20.  Lee  J,  Giordano  S,  Zhang  J.  Autophagy, mitochondria, and oxidative stress: cross‐talk and  redox  signalling.  Biochem  J  2012;  441: 523–540.  21. Till A, Lakhani R, Burnett SF, Subramani S. Pexophagy:  the  selective  degradation  of peroxisomes.  Int  J  Cell  Biol  2012;  2012: 512721.  22. Kim I, Rodriguez‐Enriquez S, Lemasters JJ. Selective  degradation  of  mitochondria  by mitophagy. Arch Biochem Biophys 2007; 462: 245–253.  23.  Gonzalez  P, Mader  I,  Tchoghandjian  A, Enzenmuller  S,  Cristofanon  S,  Basit  F  et  al. Impairment of  lysosomal  integrity by B10, a glycosylated derivative of betulinic acid, leads to  lysosomal  cell  death  and  converts autophagy  into  a  detrimental  process.  Cell Death Differ 2012; 19: 1337–1346.  24. Yang LJ, Chen Y, He J, Yi S, Wen L, Zhao J et al. Betulinic acid  inhibits autophagic flux and induces  apoptosis  in  human  multiple myeloma  cells  in  vitro.  Acta  Pharmacol  Sin 2012; 33: 1542–1548.  25.  Mizushima  N.  Methods  for  monitoring autophagy.  Int  J Biochem Cell Biol 2004; 36: 2491–2502.  26.  Mizushima  N,  Yoshimori  T.  How  to interpret  LC3  immunoblotting.  Autophagy 2007; 3: 542–545.  27.  Klionsky  DJ,  Abeliovich  H,  Agostinis  P, Agrawal  DK,  Aliev  G,  Askew  DS  et  al. Guidelines  for  the use and  interpretation of assays  for  monitoring  autophagy  in  higher eukaryotes. Autophagy 2008; 4: 151–175.  28.  Klionsky  DJ,  Abdalla  FC,  Abeliovich  H, Abraham RT, Acevedo‐Arozena A, Adeli K et al. Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy. Autophagy 2012; 8: 445–544.  29.  Mortimore  GE,  Poso  AR.  Intracellular protein  catabolism  and  its  control  during 

nutrient  deprivation  and  supply.  Annu  Rev Nutr 1987; 7: 539–564.  30. Kimura S, Noda T, Yoshimori T. Dissection of the autophagosome maturation process by a novel reporter protein, tandem fluorescent‐tagged LC3. Autophagy 2007; 3: 452–460.  31. Scorrano L, Ashiya M, Buttle K, Weiler S, Oakes  SA,  Mannella  CA  et  al.  A  distinct pathway remodels mitochondrial cristae and mobilizes cytochrome c during apoptosis. Dev Cel 2002; 2: 55–67.  32.  Newmeyer  DD,  Ferguson‐Miller  S. Mitochondria:  releasing  power  for  life  and unleashing  the  machineries  of  death.  Cell 2003; 112: 481–490.  33.  Tsujimoto  Y,  Shimizu  S.  Role  of  the mitochondrial  membrane  permeability transition  in  cell death. Apoptosis 2007; 12: 835–840.  34. Galluzzi L, Vicencio JM, Kepp O, Tasdemir E, Maiuri MC,  Kroemer G.  To  die  or  not  to die:that is the autophagic question. Curr Mol Med 2008; 8: 78–91.   35.  Komatsu M, Waguri  S, Ueno  T,  Iwata  J, Murata  S,  Tanida  I  et  al.  Impairment  of starvationinduced  and  constitutive autophagy  in Atg7‐deficient mice.  J Cell Biol 2005; 169: 425–434.  36. Kuma A, Hatano M, Matsui M, Yamamoto A, Nakaya H,  Yoshimori  T  et  al.  The  role  of autophagy  during  the  early  neonatal starvation  period. Nature  2004;  432:  1032–1036.  37. Petersen NH, Olsen OD, Groth‐Pedersen L, Ellegaard  AM,  Bilgin  M,  Redmer  S  et  al. Transformation‐associated  changes  in sphingolipid  metabolism  sensitize  cells  to lysosomal cell death  induced by  inhibitors of Acid sphingomyelinase. Cancer Cell 2013; 24: 379–393.  

Page 74: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 2 

72 

38. Brunk UT, Neuzil  J, Eaton  JW. Lysosomal involvement in apoptosis. Redox Rep 2001; 6: 91–97.  39.  Leist M,  Jaattela M.  Four  deaths  and  a funeral:  from  caspases  to  alternative mechanisms. Nat Rev Mol Cell Biol 2001; 2: 589–598.  40.  Guicciardi  ME,  Leist  M,  Gores  GJ. Lysosomes in cell death. Oncogene 2004; 23: 2881–2890.  41.  Kroemer  G,  Jaattela M.  Lysosomes  and autophagy  in  cell  death  control.  Nat  Rev Cancer 2005; 5: 886–897.  42. Boya P, Kroemer G. Lysosomal membrane permeabilization  in  cell  death.  Oncogene 2008; 27: 6434–6451.  43. Groth‐Pedersen L, Jaattela M. Combating apoptosis and multidrug resistant cancers by targeting  lysosomes. Cancer  Lett 2013; 332: 265–274.  44. Elmore SP, Qian T, Grissom SF, Lemasters JJ. The mitochondrial permeability  transition initiates autophagy in rat hepatocytes. FASEB J 2001; 15: 2286–2287.  45. Rodriguez‐Enriquez S, He L, Lemasters JJ. Role of mitochondrial permeability transition pores  in  mitochondrial  autophagy.  Int  J Biochem Cell Biol 2004; 36: 2463–2472.  46.  Hoyer‐Hansen  M,  Bastholm  L, Szyniarowski P, Campanella M, Szabadkai G, Farkas T et al Control ofmacroautophagy by calcium,  calmodulin‐dependent  kinase kinase‐beta,  and  Bcl‐2.  Mol  Cell  2007;  25: 193–205.  47. Colell A, Ricci JE, Tait S, Milasta S, Maurer U,  Bouchier‐Hayes  L  et  al.  GAPDH  and autophagy  preserve  survival  after  apoptotic cytochrome  c  release  in  the  absence  of caspase activation. Cell 2007; 129: 983–997.  48.  Nicoletti  I,  Migliorati  G,  Pagliacci  MC, Grignani  F,  Riccardi  C.  A  rapid  and  simple 

method  for measuring  thymocyte  apoptosis by  propidium  iodide  staining  and  flow cytometry.  J  Immunol Methods  1991;  139: 271–279.  49. Hoogendijk AJ, Roelofs JJ, Duitman J, van Lieshout MH, Blok DC, van der Poll T et al. R‐roscovitine  reduces  lung  inflammation induced  by  lipoteichoic  acid  and Streptococcus  pneumoniae. Mol Med  2012; 18: 1086–1095. 

 

Page 75: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Betulinic acid induces a rescue autophagy response 

  73 

Supplementary figures 

 

Supplementary Figure 1. BetA induces cell death in a concentration dependent fashion. HeLa cells were 

treated  for  48  hours with  indicated  concentrations  of  BetA  after which  cell  death was  assessed  by  PI 

exclusion.  

 

 

Supplementary Figure 2. Necrostatin blocks TNF‐induced necroptosis. U937 cells were pre‐treated with or 

without 10 µM zVAD.fmk and with or without 25 µM necrostatin‐1 for one hour and subjected to 40 ng/ml 

TNF‐α for 48 h after which cell death was assessed through PI exclusion. Mean + S.D. of three indendent 

experiments are shown, ***P<0.001. 

0

20

40

60

80

100

% P

Ipos

0 5 7.5 10

μg/ml BetA

***

***%

PIpo

s

Q-VD-OPh--

-+

+

- --

-

necrostatin - - ++

++

++

TNF-α

***

0

20

40

60

+

***

Page 76: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 2 

74 

 

Supplementary Figure 3. BetA  induces autophagy and autophagic flux. HeLa cells were treated with (a) 

indicated concentrations of BetA for 18 hours or (b) indicated time points. LC3 processing was assessed via 

immunoblotting. Results for endogenous LC3 are shown. LC3 I (18 kDa) and LC3 II (16 kDa). Tubulin is used 

as a control. Band  intensity of western blot was quantified using  Image J software. Mean + S.D. of three 

independent experiments are shown, *P < 0.05; **P< 0.01; ***P<0.001; n.s., not significant. (c) HeLa cells 

were pre‐treated for 1 hour with 10 µg/ml cycloheximide followed by 48 h of BetA treatment. P62 levels 

were determined via western blot. ERK1/2 is used as a control. Band intensity was quantified using Image J 

software. Single experiment  is shown. (d) HeLa cells and A549 cells with tandem fluorescent P62 (pDest‐

mCherry‐EGFP‐p62) were treated with 10 µg/ml BetA or 10 µM rapamycin and after 18 h cells were analyzed 

by confocal microscopy. Representative pictures are shown of three experiments. 

a

LC3 I

LC3 II

Tubulin

0 5 7.5 10 μg/ml BetA2.5 - + - + - + μg/ml BetA6h 12h 18h

b

LC3 I

LC3 II

Tubulin

0

1

2

3

LC

3 I

I /

LC

3 I

μg/ml BetA0 5 7.5 102.50

2.5

5

LC

3 I

I /

LC

3 I

- + - + - + μg/ml BetA6h 12h 18h

nsns

*****

ns * *

c

DMSO rapamycinBetA

0 µm 10 0 µm 10 0 µm 10

0 µm 10 0 µm 10 0 µm 10

0 25µm 0 25µm 0 25µm

HeL

aA

549

d

0

1

2

rel. p

62

p62

Erk1/2

rapamycin-- -

++

- --

-cycloheximide - -+

+ +

+BetA

+- -

Page 77: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Betulinic acid induces a rescue autophagy response 

  75 

 

Supplementary Figure 4. ATG deficiency results  in  increased BetA‐induced cell death (a) Knockdown of 

ATG5 in HeLa, HeLa\LC3‐GFP and MCF‐7\LC3‐GFP cells with shRNA control, shRNA ATG5 #1 and shRNA ATG5 

#3 was assessed via immunoblotting. (b) MCF‐7\LC3‐GFP cells with ATG5 knockdown #1 and #2 and control 

cells were subjected to different concentrations of BetA. After 48 h after cell death was measured via PI 

exclusion and DNA fragmentation was assessed. Mean + S.D. of three independent experiments are shown. 

(c) Mouse  embryonic  fibroblasts  lacking  either  AtTG5  or  ATG7  and  their  respective  control  cells were 

subjected to different concentrations of BetA for 18 h and phosphatidylserine (PS) exposure was measured. 

Mean + S.D. of three independent experiments are shown. 

 

a

+

+-

-control

ATG5 #2

Atg5

level ATG5

ATG5 #1

+

++

+

--

- --

- -

- --

HeLaMCF-7LC3-GFP

HeLaLC3-GFP

+

++

-- -

- --

1.00 0.28 0.22 0.251.00 1.000.14 0.42 0.29

controlshRNAATG5 #1shRNAATG5 #2

0 5 10 150

20

40

60

80

100

BetA (µg/ml) BetA (µg/ml)0 5 10 15

0

10

20

30

40

50

% D

NA

fra

gmen

tatio

nb

c

% P

Ipos

BetA (µg/ml) BetA (µg/ml)

controlshRNAATG5 #1shRNAATG5 #2

0

20

40

60

80

100

% A

nnex

in V

pos

0 5 10 15 20 0 5 10 15 200

20

40

60

80

100

% A

nnex

in V

pos

wtAtg5 -/-

Atg7 +/-Atg7 -/-

Page 78: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 79: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

Chapter 3 

 Betulinic acid induces a novel cell death 

pathway that depends on cardiolipin 

modification  

Lisette Potze, Simone di Franco, Mia Pras‐Raves, Daisy I. Picavet, 

Henk A. van Veen, Henk van Lenthe, Franziska B. Mullauer, 

Nicole N. van der Wel, Angela Luyf, Antoine H. C. van Kampen, 

Stephen Kemp, Vincent Everts, Jan H. Kessler, Frédéric M. Vaz, 

Jan Paul Medema 

 

Oncogene 2015 

 

 

 

 

 

“The more there is of mine, the less there is of yours” 

  Lewis Carroll, Alice in Wonderland 

Page 80: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 3 

78 

Abstract 

Cancer is associated with strong changes in lipid metabolism. For instance, normal cells take 

up fatty acids (FAs) from the circulation, while tumour cells generate their own and become 

dependent on de novo FA synthesis, which could provide a vulnerability to target tumour 

cells. Betulinic acid (BetA) is a natural compound that selectively kills tumour cells through 

an  ill‐defined  mechanism  that  is  independent  of  BAX  and  BAK,  but  depends  on 

mitochondrial  permeability  transition‐pore  opening. Here we  unravel  this  pathway  and 

show  that BetA  inhibits  the  activity  of  stearoyl‐CoA‐desaturase  (SCD‐1).  This  enzyme  is 

overexpressed  in  tumour  cells  and  critically  important  for  cells  that  utilize  de  novo  FA 

synthesis as  it converts newly synthesized saturated FAs to unsaturated FAs. Intriguingly, 

we  find  that  inhibition of SCD‐1 by BetA or, alternatively, with a specific SCD‐1  inhibitor 

directly and rapidly impacts on the saturation level of cardiolipin (CL), a mitochondrial lipid 

that  has  important  structural  and metabolic  functions  and  at  the  same  time  regulates 

mitochondria‐dependent cell death. As a result of the enhanced CL saturation mitochondria 

of cancer cells, but not normal cells that do not depend on de novo FA synthesis, undergo 

ultrastructural changes, release cytochrome c and quickly  induce cell death.  Importantly, 

addition  of  unsaturated  FAs  circumvented  the  need  for  SCD‐1  activity  and  thereby 

prevented  BetA‐induced  CL  saturation  and  subsequent  cytotoxicity,  supporting  the 

importance of this novel pathway in the cytotoxicity induced by BetA. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 81: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death by cardiolipin saturation 

  79 

Introduction 

Cancer is characterized by cell growth and proliferation, which requires an enormous surge 

in  novel  building  blocks,  such  as  nucleic  acids,  lipids  and  amino  acids.  To meet  these 

requirements, cancer cells undergo major changes in their metabolism. For instance, lipid 

metabolism  undergoes  a  dramatic  shift  towards  lipid  synthesis.1–3  For  cellular  lipid 

production, fatty acids (FAs) are needed as building blocks, which are either derived from 

exogenous sources or from de novo FA synthesis. Whereas normal cells prefer exogenous 

sources,  tumour cells  favour de novo synthesis.4–6 This differential usage of FA source  is 

supported by observations that enzymes involved in FA synthesis, such as ATP‐citrate lyase 

and FA synthase, are required for transformation of cells and upregulated in several tumour 

types.7–10  The  main  products  of  FA  synthesis  are  palmitic  acid  (PA)  and  stearic  acid, 

saturated  FAs  that are  toxic  for  the  cell at high  levels and  therefore  converted  to  their 

monounsaturated forms (palmitoleic acid (POA) and oleic acid) by stearoyl‐CoA‐desaturase 

(SCD‐1). This enzyme, located in the endoplasmatic reticulum, catalyses the introduction of 

a double bond at the ω‐9 position of saturated FAs and is overexpressed in cancer cells.11–

16 Unsaturated FAs are abundantly present in mammalian cells, as their structural properties 

are needed to maintain optimal fluidity of cellular membranes. Due to its tumour‐selective 

activation, de novo FA synthesis has been suggested as an attractive target of anticancer 

therapy.8  

Betulinic acid  (BetA)  is a cytotoxic plant‐derived compound  that  is  tumour selective and 

does not kill normal cells.17–19 It induces apoptosis in a wide variety of tumour types through 

a not completely understood, but mitochondria‐dependent mechanism.20–23  Importantly, 

this  involves mitochondrial permeability transition (PT)‐pore opening, but  is  independent 

of BAX and BAK, pointing to a distinct mechanism as compared with classical mitochondrial‐

dependent  apoptosis.  The  general  anti‐cancer  applicability  of  BetA  and  its  selectivity 

suggests that it targets an essential and common pathway in tumour cells. Here we show 

that BetA affects mitochondrial morphology by changing the FA composition of cardiolipin 

(CL).  CL  is  a  unique mitochondrial  phospholipid  that  contains  four  FA  side  chains.  It  is 

associated with  several mitochondrial  proteins  and  respiratory  chain  complexes  and  is 

essential for mitochondrial function and structural integrity of the organelle.24–27 In addition, 

CL is known to have an important role in apoptosis due to its interaction with core apoptotic 

machinery components, such as cytochrome c, caspase‐ 8, BCL‐2 family members and PT‐

pore components.25, 28–31  

Our study demonstrates that BetA treatment increases the incorporation of saturated FAs 

in CL  through  inhibition of SCD‐1. This  is detrimental  for mitochondrial morphology and 

leads to apoptotic cancer cell death. 

 

Page 82: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 3 

80 

Results 

Mitochondrial morphology  is  changed  and CL  saturation  increased  upon BetA 

treatment  

In untreated cancer cells and normal cells, mitochondria appeared as a  tubular network 

evenly divided throughout the cell (Figure 1a and Supplementary Figure 1). In contrast, in 

cancer  cells  treated with  BetA  the mitochondrial  network  changed  in  a  concentration 

dependent manner and became more fragmented (Figure 1a and Supplementary Figure 1). 

Strikingly, this fragmentation is not observed in non‐transformed human fibroblasts (Co18; 

Supplementary  Figure 1). To  gain more  insight  into  these mitochondrial  changes at  the 

ultrastructural  level,  transmission  electron  microscopy  was  employed.  Untreated  cells 

contained  mitochondria  with  a  typical  longitudinal  cristae.  Upon  BetA  treatment, 

mitochondria were more electron dense and displayed significant ultrastructural changes, 

in particular, concentric  (circular  shaped)  cristae were evident  (Figure 1b).  Interestingly, 

such  cristae  abnormalities have previously been observed  in  tissues of Barth  syndrome 

(BTHS) patients,32 a disease  that  is caused by a germline mutation  in  the Tafazzin gene, 

which encodes a  transacylase  involved  in CL  remodelling and maturation. Cells of BTHS 

patients display characteristic changes in CL, which cause mitochondrial ultrastructural as 

well as functional abnormalities.33  

To determine whether the observed BetA‐induced mitochondrial changes were also due to 

changes in the composition of CL, analysis of CL in several cancer cell lines was performed 

using high‐performance  liquid chromatography–mass spectrometry. A  large variety of CL 

molecules is normally detected, which is due to a difference in the length and saturation of 

the four FA side chains in CL. In untreated tumour cells, CL appeared as six major clusters 

containing FA side chains of increasing length (from C64 to C74). The individual clusters are 

then further subdivided based on the level of saturation of their FA side chains (indicated 

by CL(64:X) to CL(74:X), where X denotes the number of unsaturations, that is, double bonds 

in  the FA side chains; Figure 2a). The major CL cluster detected contained 68 side chain 

carbons (C68) and one to five double bonds (C68:1 to C68:5; Figure 2a and c). Importantly, 

BetA treatment of several cancer cell lines resulted in significant changes in the composition 

of  CL  that  is  evident  from  a  shift  in  CL  clusters  to  higher m/z  values  and  hence  less 

unsaturated CL species (Figure 2b). Zooming in on the major C68 cluster in these cell lines 

revealed a strong decrease in CL species with four or five double bonds and a concomitant 

increase of more saturated C68 CL species with only two or three unsaturations (Figure 2c 

and e, Supplementary Figure 2A, B and Supplementary Figure 6B and C). This profile is very 

similar to the one observed in fibroblasts from BTHS patients (Figure 2f and h), which as a 

consequence have major defects in their mitochondria, suggesting that the BetA‐induced 

CL modification is instrumental in the mitochondrial changes.  

Page 83: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death by cardiolipin saturation 

  81 

The changes in FA composition of CL can be brought about by either de novo synthesis of 

complete  CL  molecules  or  by  direct  modification  of  the  FA  side  chains  by  specific 

remodelling enzymes.34 To monitor the effect of BetA on de novo FA incorporation in CL, 

cells were incubated with heptadecanoic acid (C17:0), which is a low‐abundant FA in normal 

physiology. Within a day, C17‐containing CL clusters (odd numbered CL species) made up a 

significant proportion of the CL present in cells, indicating that this odd‐chain FA was rapidly 

incorporated  into CL  (Figure  2i  and  k).  These  observations  indicate  that  CL  is  relatively 

rapidly  metabolized  in  cancer  cells.  In  addition,  the  degree  of  unsaturation  of  C17‐

containing CL clusters was comparable to the existing (even numbered) clusters (Figure 2m), 

which suggested that exogenous C17:0 was taken up into the FA pool and also converted to 

its monounsaturated  form, C17:1.  Importantly,  in BetA‐treated  cells  rapid CL  side  chain 

turnover was also observed. However, in the presence of BetA the C17‐containing clusters 

were more  saturated  (Figure  2j  and  l),  a  shift  that was  similar  to  the  even‐numbered 

counterparts (Figure 2e and n). This indicated that BetA‐induced CL modification is a direct 

result  from  incorporation of novel FA side chains  that  in the presence of BetA are more 

saturated.  Importantly,  phosphaditylglycerol,  which  is  the  precursor  of  CL,  also 

accumulated in a relatively saturated form in BetA‐treated cells (Supplementary Figure 3A 

and B). Modification of CL was  therefore dependent on a  step  further upstream  in  the 

biosynthesis of CL. 

SCD‐1 activity is instrumental in BetA‐induced mitochondrial damage  

In cells, de novo synthesized and exogenous saturated FAs are converted to unsaturated 

FAs  via  the  enzyme  SCD‐1  (Figure  3a).  In  cancer  cells  SCD‐1  RNA  levels  are  higher  as 

compared  with  normal  fibroblasts  (Supplementary  Figure  4A).  This  is  consistent  with 

literature  reports  and  suggests  that  cancer  cells  are  more  dependent  on  desaturase 

activity13,16  due  to  the  activation  of  de  novo  FA  synthesis  in  favour  of  FA  uptake. 

Accumulation of saturated FAs in phosphaditylglycerol and CL could therefore be a direct 

result of dysfunctional FA conversion by SCD‐1. To measure SCD‐1 activity, stable isotope 

labelled  2H3‐C16:0  and  2H5‐C18:0  were  added  to  live  cells  and  conversion  rates  to 

unsaturated FAs were measured. Untreated cancer cells displayed a rapid conversion to the 

monounsaturated  FAs,  which  was  blocked  by  a  specific  SCD‐1  inhibitor  or  genetic 

knockdown of SCD‐1, confirming that SCD‐1 was responsible for this conversion (Figure 3b 

and d and Supplementary Figure 4B and C). In line with the RNA levels, the SCD‐1 activity is 

significantly lower in Co18 as compared with cancer cells.  

Importantly, generation of unsaturated FAs by SCD‐1 was strongly reduced by addition of 

BetA in all lines tested. This indicates that BetA inhibited SCD‐1 activity (Figure 3b and c and 

Supplementary  Figure  4C)  and directly  affects  the pool of  intracellular  FAs, which  then 

impacts on the saturation level of CL. In agreement, inhibition of SCD‐1 with a commercial 

inhibitor also resulted in a rapid change in the composition of CL (Figure 3g) as well as in a 

Page 84: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 3 

82 

significant change  in the size, ultrastructure and network of mitochondria (Figure 3h and 

Supplementary Figure 5). These data suggest that blocking FA desaturation is detrimental 

for the mitochondria through a rapid modification of CL side chains.  

 

Figure 1. BetA‐induced mitochondrial morphology changes (a) HeLa cells with MitoRFP were treated with 

vehicle (DMSO), 5 µg/ml or 10 µg/ml BetA and after 18h cells were analysed by confocal microscopy. (b) 

HeLa cells were treated with vehicle (DMSO) or 10 µg/ml BetA for 18 h after which cells were fixed and 

processed for TEM analysis. Pictures representative for 3 experiments are shown. 

Unsaturated FAs revert CL modification and mitochondrial changes  

High levels of saturated FAs are known to be cytotoxic and our current data point to a direct 

impact  on  the mitochondria.35,36  If  this model  is  correct  then  addition  of  a  surplus  of 

saturated FAs would aggravate, while addition of unsaturated FAs would rather revert BetA‐

induced mitochondrial damage. Cells were therefore first treated with either PA (C16:0) or 

POA  (C16:1).  Addition  of  PA  had  relatively  little  impact  on  the  composition  of  CL,  as 

exemplified  by  the  C68  cluster  (Figure  3e  and  f  and  Supplementary  Figure  6A  and  C), 

indicating that the added FA did not change normal CL metabolism. Single addition of POA 

slightly enhanced the level of unsaturation in CL as compared with untreated tumour cells 

(Figure 3e and f and Supplementary Figure 6A and C). However, the most striking effect was 

A DMSO 5 μg/ml BetA 10 μg/ml BetA

ZO

OM

B

ZO

OM

ZO

OM

DM

SO

Bet

A

0 μm 25 0 μm 25 0 μm 25

500nm 500nm

Page 85: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death by cardiolipin saturation 

  83 

observed when POA was added together with BetA as this prevented the induction of CL 

saturation significantly (Figure 3e and f and Supplementary Figure 6A and C). Similar effects 

were  observed  when  CL  saturation  was  induced  by  SCD‐1  inhibitor  (Figure  3g  and 

Supplementary Figure 6D), indicating that the desaturase inhibition indeed directly impacts 

on CL due to a decrease in the production of unsaturated FAs. In contrast, PA addition rather 

enhanced the effect that BetA and SCD‐1 inhibition exerted on CL saturation (Figure 3e and 

g  and  Supplementary  Figure  6A  and  D).  This  confirmed  that  blocking  SCD‐1  activity  is 

instrumental in BetA‐induced CL changes as saturation can be prevented by the addition of 

unsaturated FAs, which bypasses the need for SCD‐1 activity. The causal link between SCD‐

1  activity  and  CL  saturation  prompted  us  to  investigate  whether  BetA‐induced 

mitochondrial morphology changes were a direct result of CL saturation or whether they 

are induced through alternative pathways. Addition of either saturated (PA) or unsaturated 

(POA)  FAs had no effect on  the  tubular mitochondrial network  and  cristae  structure of 

mitochondria (Supplementary Figure 7A and B). However, the BetA‐induced mitochondrial 

changes were clearly potentiated by addition of saturated FAs (PA) and more importantly 

prevented by unsaturated  FAs  (POA;  Figure  3i  and  j),  establishing  a  causal  relationship 

between SCD‐1 activity, CL FA composition and mitochondrial morphology. 

CL modification evokes cell death and decreases clonogenic survival  

Previously, we provided evidence that BetA induces mitochondrial leakage, cytochrome c 

release in a PT‐pore dependent fashion and subsequent cell death.23 Cytochrome c release 

was indeed observed upon BetA treatment and with SCD‐1 inhibitor treatment (Figure 4a 

and  c),  but  interestingly,  this  release was  significantly  reduced when  treatments were 

combined with  POA. Vice  versa,  addition of  PA  enhanced  the  amount  of  cells  showing 

cytochrome c release (Figure 4a and c), indicating that the inhibitory effects of BetA on SCD‐

1  activity  directly  impact  on mitochondrial  damage  and  lead  to  cytochrome  c  release. 

Moreover, these observations extend to the actual induction of cell death as measured by 

propidium iodide exclusion (Figure 4d and e). The validity of this novel cell death pathway 

was further substantiated with the use of SCD‐1 inhibitor or genetic knockdown, which, next 

to mitochondrial  defects,  also  induced  cell  death  that  could  be  blocked  by  exogenous 

addition of POA (Figure 4f and Supplementary Figure 8A and B). These data suggest that 

BetA‐induced cell death by  inhibiting SCD‐1.  It  is  important  to  realize  though  that BetA‐

induced death is more rapid than SCD‐1‐induced cell death, whereas the effects on SCD‐1 

activity are  if anything more effective with SCD‐1  inhibitors. This suggests that BetA may 

have  additional  effects  that  enhance  the  dependency  on  SCD‐1  activity.  In  agreement, 

combining BetA with SCD‐1 inhibitor resulted in enhanced cell death as compared with SCD‐

1 inhibitor alone, confirming that BetA has a stronger impact on cells. We hypothesize that 

BetA enhances the need for unsaturated FA by increasing the turnover of lipids and as  

Page 86: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 3 

84 

 

m/z

m/z

670 680 690 700 710 720 730 740

20

100

0

40

60

80

rela

tive

inte

nsity

(%

)

672.4673.4

674.4

686.5685.5

687.5

698.5

699.5

700.5

701.5

711.5

712.5

713.5

714.5

715.5724.5

725.5

726.5 727.5

728.5

737.5

738.5

739.5

C74

C72PG(32:x)

C70C68

20

100

0

40

60

80

rela

tive

inte

nsity

(%

)

672.4

673.4674.4

675.4

668.5

686.5

687.5

688.5

689.5

698.5

699.5

701.5

702.5

700.5

711.5

712.5

713.5 714.5

715.5

716.5

PG(32:x)

724.5

725.5

726.5727.5

728.5

737.5

738.5739.5

698 699 700 701 702 703

100

80

60

40

20

0

Rel

ativ

e in

tens

ity (

%)

698 699 700 701 702 703

100

80

60

40

20

0

Rel

ativ

e in

tens

ity (

%)

DMSO BetA

698 699 700 701 702 703

100

80

60

40

20

0

Re

lativ

e in

tens

ity (

%)

704 698 699 700 701 702 703

100

80

60

40

20

0

Rel

ativ

e in

tens

ity (

%)

704m/z

m/z m/z

AAA

B

C D E

F G H

fo

ld in

crea

se/d

ecre

ase

Bet

A v

s. a

vg.

DM

SO

( 2lo

g)

f

old

incr

eas

e/d

ecre

ase

BH

TS

vs.

avg

. co

ntro

l ( 2lo

g)

1.0

1.5

0.0

0.5

-1.0

-1.5

-0.5

0.0

2.0

4.0

-2.0

-4.0

Control BTHS

DMSO

BetA

C64

C66

C74

C72

C70

C68

C64

C66

C68:5

C68:4

C68:3C68:2

C68:1

C68:5

C68:4

C68:3

C68:2

C68:1

C68:5

C68:4

C68:3

C68:2

C68:1C68:5

C68:4

C68:2

C68:1

C68:5C68:4

C68:3

C68:2

C68:1

CL(68:2)

CL(68:3)

CL(68:4)

CL(68:5)

CL(68:2)

CL(68:3)

CL(68:4)

CL(68:5)

C68:3

Page 87: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death by cardiolipin saturation 

  85 

 

Figure 2. BetA‐induced cardiolipin saturation  (a) HeLa cells were  treated  for 18 h with vehicle  (DMSO) 

followed by CL analysis by HPLC mass spectrometry. (b) HeLa cells were treated for 18 h with 10 µg/ml BetA 

followed by CL analysis by HPLC mass spectrometry. (c) Zoom in of CL C68 cluster (containing 2 x C16 and 2 

x C18 fatty acids) of DMSO treated cells 18 h (d) Zoom in of CL C68 cluster of 10 µg/ml BetA treated cells. 

(e) Quantification of fold change of C68:X species in BetA treated (18 h) HeLa cells (n=8) compared to vehicle 

treated HeLa cells (n=8). (f) Zoom in of CL C68 cluster of control fibroblasts. (g) Zoom in of CL C68 cluster of 

BTHS  patients.  (h) Quantification  of  fold  change  of  C68:X  species  in  BTHS  patients  (n=3)  compared  to 

controls (n=3). HeLa cells were pre‐treated for 4 hours with vehicle (DMSO) (i, j) or 50 µM heptadecanoic 

acid (C17:0) (k, l) after which vehicle (DMSO) i, k) or 10 µg/ml BetA (j, l) was applied for 18h. Zoom in of CL 

clusters of C68 and C69 (containing C17) are shown. (m) Quantitative analysis of CL content in C68 and C69 

CL cluster of DMSO C17:0 treated cells (n=2). (n) Quantification of change of C68:X species in BetA treated 

HeLa cells compared to vehicle (DMSO) treated HeLa cells (n=2) 

100

80

60

40

20

0

5

4

3

2

1

54 3

21

698 700 702 704 706 708 710

5

43

2

1

5

4 32

1

698 700 702 704 706 708 710

5

4

3

2

1

5

4

3

2

1

100

80

60

40

20

0698 700 702 704 706 708 710

5

43

2

15

4

3

2

1

698 700 702 704 706 708 710

DMSO BetA

DMSO + C17 BetA + C17

Rel

ativ

e in

tens

ity (

%)

Rel

ativ

e in

tens

ity (

%)

m/zm/z

m/zm/z

nmol

CL/

mg

pro

tein

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

C68 C69

4

5

3

2

fold

incr

ease

/decr

ease

BetA

vsavg

.D

MS

O (

2lo

g)

C68 C69 C68 C69

C68 C69C68 C69

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

I J

K L

M N

100

80

60

40

20

0

100

80

60

40

20

0

4

5

3

2

Page 88: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 3 

86 

 

0.00

0.05

0.10

0.15

ratio

2H

3-

C16

:1/2

H3-

C16

:0 ***

***

0.0

0.2

0.4

0.6***

***

SCD-1 inhibBetA

+-- -

-+

SCD-1 inhibBetA

+-- -

-+

CO

S

CoA

CO

S

CoA

C9 C10

SCD-1

Saturated fatty acids

Unsaturated fatty acids

A B C

DMSO

PO

AD

MS

O

100

80

60

40

20

0

C68:1

C68:2

C68:3

C68:4

C68:5

698 699 700 701 702 703

100

80

60

40

20

0

Re

lativ

e in

ten

sity

(%

)

C68:1

C68:2

C68:3

C68:4

C68:5

698 699 700 701 702 703

C68:1

C68:2

C68:3

C68:4

C68:5

698 699 700 701 702 703

m/z

C68:1

C68:2

C68:3

C68:4

C68:5

698 699 700 701 702 703

C68:1

C68:2

C68:3C68:4

C68:5

698 699 700 701 702 703

C68:1

C68:2

C68:3C68:4

C68:5

698 699 700 701 702 703

PA

BetAD

0

1

2

3

rela

tive

CL

satu

ratio

nPOA

PABetA

+- - - -- -- -- - -

+

+ +++

+

*

nsE

ratio

2H

5-

C18

:1/2

H5-

C18

:0

100

80

60

40

20

0

m/z

1.5

0.0

0.5

1.0

rela

tive

CL

satu

ratio

n

**

***

POAPA

+- - - -- -- -- - -

+

+ +++

+SCD-1 inhib

F

500nm

DMSO SCD-1 inhibitor

500nm

G

Re

lativ

e in

ten

sity

(%

)R

ela

tive

inte

nsi

ty (

%)

Page 89: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death by cardiolipin saturation 

  87 

 

Figure 3. Desaturase activity  is  instrumental  in BetA‐induced mitochondrial damage (a) SCD‐1 enzyme, 

introduces a double bond in saturated fatty acids at the n‐9 position producing unsaturated fatty acids. (b) 

HeLa cells were treated with vehicle (DMSO), 150 nM SCD‐1 inhibitor or 10 µg/ml BetA for 18 h after which 2H3‐C16:0  was  applied  for  additional  6  h.  Conversion  to  2H3‐C16:1  was  measured.  Mean  ±  SD  of  3 

experiments are shown. ***P<0.001. (c) HeLa cells were treated with vehicle, 150 nm SCD‐1 inhibitor or 10 

µg/ml BetA  for 18 h after which  2H5‐C18:0 was applied  for additional 6 h. Conversion  to  2H5‐C18:1 was 

measured. Mean ± SD of 3 experiments are shown. ***P<0.001. (d) Zoom in of CL C68 clusters. HeLa cells 

were incubated with vehicle (DMSO), 10 µg/ml BetA , 50 µM POA, 50 µM PA or a combination of 10 µg/ml 

BetA with 50 µM POA or 50 µM PA  for 18 h  after which CL  analysis was performed using HPLC mass 

spectrometry (e) Quantification of CL saturation as measured  in (d). Relative C68 CL saturation  is shown 

which is calculated as (C68:2 + C68:3) / (C68:4 + C68:5). Mean ± SD of 2 experiments are shown. * P< 0.05; 

ns, not significant. (f) HeLa cells were subjected to vehicle (DMSO) or 200 nM SCD‐1 inhibitor with or without 

50 µM POA or 50 µM PA for 40 h after which CLs were analysed by HPLC mass spectrometry. Relative C68 

CL saturation is shown which was calculated as (C68:2 + C68:3) / (C68:4 + C68:5). Mean ± SD of 3 experiments 

are  shown. **P< 0.01; ***P<0.001.  (g) HeLa  cells were  treated with  vehicle  (DMSO) or 200 nM  SCD‐1 

inhibitor for 40h after which cells were analysed via TEM. (h) HeLa cells with MitoRFP were subjected to 

vehicle (DMSO) or 10 µg/ml BetA with or without 50 µM POA or 50 µM PA and after 18 h cells were analysed 

via confocal microscopy. Pictures representative for 3 experiments are shown. (i) HeLa cells were subjected 

to vehicle (DMSO), 10 µg/ml BetA with or without 50 µM POA or 50 µM PA and after 18 h cells were analysed 

via TEM. Pictures representative for 3 experiments are shown. 

DMSO BetA BetA + POA BetA + PAZ

OO

M

ZO

OM

ZO

OM

ZO

OM

0 μm 25 0 μm 25 0 μm 25 0 μm 25

DMSO BetA BetA + POA BetA + PA

500nm 500nm 500nm 500nm

H

I

Page 90: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 3 

88 

such increases the incorporation of toxic saturated FA into lipids. Sustaining a stable pool of 

unsaturated FAs, by exogenous addition, therefore maintains the unsaturation grade of CL, 

mitochondrial  integrity  and  thereby  allows  for  cell  survival.  The  maintenance  of  the 

unsaturated FA pool exerted long‐term protection as it even resulted in the recurrence of 

clonogenic  potential  of  BetA  or  SCD‐1  inhibitor‐treated  cells.  Single  addition  of  these 

compounds resulted in a complete loss of clonogenic growth (Figure 4g and h), which was 

regained by the simple addition of POA. This effect was selective for this pathway and for 

instance  not  observed  when  cells  were  treated  with  classical  chemotherapy  such  as 

etoposide (Supplementary Figure 8D). Taken together these data indicate that tumour cells 

carry an intrinsic mitochondrial vulnerability that can be effectively targeted by inhibition 

of SCD‐1, using either specific inhibitors or the natural compound BetA and is not observed 

in normal fibroblasts. This vulnerability depends on enhancing the saturation of CL leading 

to  altered mitochondrial  structure, membrane  permeability  and  as  a  consequence  cell 

death and loss of clonogenic growth occur.  

Discussion  

Altered  lipid metabolism  is  a  key  feature  of  tumour  cells  and  required  to  sustain  the 

constant  need  for  new  biomass.  Our  current  study  provides  strong  evidence  for  an 

unexpected mitochondrial vulnerability of tumour cells that depends on this de novo lipid 

synthesis. De novo FA synthesis generates intrinsically toxic FAs, which need to be converted 

by SCD‐1 into monounsaturated FAs. Here we show that inhibition of this final step in the 

generation of preferred FAs results in cell death and loss of clonogenic growth. Interestingly, 

we confirmed that normal cells do not contain high  levels of SCD‐1 expression or activity 

consistent with  the  idea  that  these cells do not utilize de novo FA synthesis but  instead 

acquire unsaturated FA from the surrounding. Although this effect of SCD‐1 inhibition on 

tumour  cells  has  been  documented  before,  our  data  now  provides  an  unexpected 

mechanistic explanation of  this observed  toxicity. Firstly, we  show  that SCD‐1  inhibition 

quickly  impacts  on  the  composition  of  CL  FA  side  chains,  resulting  in  mitochondrial 

abnormalities, cytochrome c release and subsequent cell death. Secondly, we demonstrate 

that BetA, which is a potent anti‐cancer agent, does so by inhibiting SCD‐1 and therefore 

utilizes this tumour cell vulnerability. Together these data point to an upstream effect of 

BetA on CL biosynthesis. The fact that SCD‐1  inhibitors mimic the effect of BetA and the 

observation that both can be reverted by the simple addition of unsaturated FAs all point 

to SCD‐1 as the vulnerability in the CL biosynthesis pathway of tumour cells. Previously, we 

observed  that BetA‐induced cell death  is  tumour selective and  that normal cells are not 

affected at doses that kill tumour cells both in vitro and in vivo. 22,37 In agreement, the BetA 

or SCD‐1‐induced mitochondrial  fragmentation  in  cancer  cells  is not detected  in normal 

cells. The here proposed mechanism of action could  

 

Page 91: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death by cardiolipin saturation 

  89 

 

Figure 4. CL modification evokes cell death and decreases clonogenic survival  (a) HeLa cells were pre‐treated for 24h with 50 µM POA after which vehicle (DMSO) or 10 µg/ml BetA was applied for 40 h. Other 

samples were  left untreated for 24 h after which 50 µM PA with or without 10 µg/ml BetA for 40 h was 

applied. After treatment cytochrome c release was assessed via FACS. Data of 3 independent experiments 

are shown. * P< 0.05, ns not significant.  (b, c) HeLa cells were pre‐treated with 50 µM POA after which 

vehicle (DMSO) or 10 µg/ml BetA was applied for 48 h. Other samples were left untreated for 24 h after 

which 50 µM PA with or without 10 µg/ml BetA for 48h was applied. Cell death was assessed via PI exclusion. 

Mean ± SD of 3 experiments are shown. * P< 0.05, ns not significant. (d) HeLa cells were subjected to vehicle 

or 75 nM SCD‐1  inhibitor with or without 50 µM POA or 50 µM PA  for 72 h after which cell death was 

assessed via PI exclusion. Mean ± SD of 3 experiments are shown. **P< 0.01; ***P<0.001 (e) HeLa cells were 

treated for 48 h with vehicle (DMSO) or 10 µg/ml BetA with or without 50 µM POA or 50 µM PA after which 

fresh medium was  applied  for 72h. Cells were  stained with  crystal  violet blue  for 6h. Mean ±  SD of 3 

experiments are shown. **P< 0.01. (f) HeLa cells were treated for 72 h with 75 nM SCD‐1 inhibitor with or 

without 50 µM POA or 50 µM PA after which fresh medium was applied for 48h. Cells were stained with 

crystal violet blue for 6h. Mean ± SD of 2 experiments are shown. ***P<0.001. 

POAPA

BetA

+- - - -- -- -- - -

+

+ +++

+

0

20

40

60

80

100

% P

Ipos

*

ns

FCS-H

DMSO POA PA

PIpo

s

BetA BetA + POA BetA + PA

3.1% 2.6% 3.3%

53.8% 23.9% 72.6%

0

20

40

60

80

% C

ytoc

hro

me

c re

lea

se

POAPA

BetA

+- - - -- -- -- - -

+

+ +++

+

1

0

2

3

POAPA

BetA

+- - - -- -- -- - -

+

+ +++

+

**

**

*

ns

A B

C D

E

**

***

0

20

40

60

80

100%

PIpo

s

POAPA

+- - - -- -- -- - -

+

+ +++

+SCD-1 inhib

abs

590

- 6

30

0

0.5

1.0

1.5

2.0

******

F

POAPA

+- - - -- -- -- - -

+

+ +++

+SCD-1 inhib

abs

590

- 6

30

Page 92: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 3 

90 

provide an explanation to this tumour selectivity. First, tumour cells appear addicted to de 

novo  FA  synthesis2–5 and  as  such  continuously  generate  saturated  FAs  that  need  to  be 

converted  to  unsaturated  FAs.  It  is  not  completely  clear why  tumour  cells  prefer  this 

synthetic  pathway  even  in  the  presence  of  exogenous  FAs.  Except  for  adipocytes,  this 

pathway is not utilized by normal cells, which acquire their FAs from exogenous sources.38 

The latter provides a stable source of unsaturated FAs, and as such alleviates the need for 

desaturase activity  in normal cells. Second,  tumour cells have previously been shown  to 

already  contain CL  species  that are  relatively more  saturated as  compared with normal 

cells.39 This could be a consequence of the apparently higher turnover of CL in tumour cells 

allowing for a less intense side chain modification or, alternatively, may be caused by the 

fact  that  mainly  monounsaturated  FAs  are  generated  by  de  novo  synthesis.  Indeed, 

saturated  FAs  are  abundantly  found  in  cancer  cells  and  also  an  increased  content  of 

monounsaturated at the expense of poly‐unsaturated FAs is observed in transformed and 

cancer cells.40–42  

The higher saturation of CL suggests that tumour cells are closer to an unacceptable level 

of saturation than normal cells and therefore appear to be nearer to the tipping point of 

detrimental  mitochondrial  ultrastructural  modifications  and  subsequent  mitochondrial 

permeability. In agreement, BTHS patients contain a similarly low level of unsaturated FA 

side chains in CL and contain the same ultrastructural changes. However, this modification 

by itself is not sufficient for the actual mitochondrial leakage to occur as most cells in BTHS 

patients do not undergo cell death, suggesting that additional changes are needed. These 

could  involve  increased ROS production, which  is often observed  in tumour cells43,44 or a 

change in the way mitochondria are utilized in tumour cells, in particular in relation to the 

so‐called Warburg effect.45,46 In agreement, our data show that BetA exerts cell death more 

rapidly and more vigorously  than SCD‐1  inhibition, which  supports  the  idea  that BetA  is 

more potent  in  inducing cell death despite  the  fact  that we observe more potent SCD‐1 

activity  inhibition  with  SCD‐1  inhibitors. We  believe  this  is  due  to  the  fact  that  BetA 

enhances the need for new FA production. In essence we think that BetA not only stops the 

production of unsaturated FA, but on the other end  increases the turnover of  lipids and 

thereby the incorporation of saturated FA, which in the case of CL results in the toxic effects 

on mitochondria.  This  could  explain  the  tumour  selectivity  as  normal  cells  are  not  as 

dependent on SCD‐1 and can maintain a relatively stable pool of unsaturated FA by uptake 

from the environment. The nature of this enhanced lipid turnover is not completely clear, 

but could  for  instance be a  result of  the massive  induction of autophagy observed with 

BetA,67 which generates an enormous need for de novo membrane formation and thus lipid 

synthesis. Further  insight  into  these additional changes may  reveal another vulnerability 

that converges on the same pathway. Clues for these changes may come from neutrophils 

in  BTHS  patients  as  these  display  a  relatively  high  level  of  apoptosis  and  indeed  these 

patients frequently suffer from neutropenia.32,47  

Page 93: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death by cardiolipin saturation 

  91 

The  direct  link  between  BetA‐induced  cell  death  and mitochondria  is  consistent  with 

previous  data  which  indicate  that  cell  death  ensues  in  a  BAX  and  BAK‐independent 

manner,23  but  requires  mitochondria  and  opening  of  the  PT‐pore.  In  agreement, 

cyclosporine A, an inhibitor of the PT‐pore, blocks cell death induced by BetA23 and data not 

shown. Interestingly, recent data suggested that the FO c‐subunit ring of F1FO ATP synthase 

can form a channel, which can lead to uncontrolled depolarisation and MOMP when opened 

persistently.48 Whether  this  represents  the  PT‐pore  remains  to  be  confirmed,  but  it  is 

important  to mention  that  F1FO ATP  synthase  as well  as  several of  the other proposed 

constituents of  the PT‐pore  associate with CL49  and CL  can  regulate PT‐pore opening.31 

Similarly, cytochrome c, which is released upon BetA treatment, interacts directly with CL 

through two independent binding sites.29,50–53 Moreover, Kagan et al.54 found that CL‐bound 

cytochrome c acts as a peroxidase capable of catalysing H2O2‐dependent peroxidation of CL 

and  that  this  CL  oxidation  is  an  essential  step  in  the  release  of  cytochrome  c  during 

apoptosis. Whether  the  increased  CL  saturation  has  similar  effects  on  the  release  of 

cytochrome c needs to be determined, but is a reasonable possibility. However, this initial 

release of cytochrome c from the inner membrane is not sufficient for apoptosis to occur. 

This  requires  mitochondrial  outer  membrane  permeabilization  either  through  BAX‐

dependent pore  formation or  through opening of  the PT‐pore.31 As BetA‐induced death 

depends on the latter it seems likely to assume that CL saturation also affects the opening 

of the PT‐pore.  

In  addition  to  the  release  of  cytochrome  c,  mitochondrial  fragmentation  was  rapidly 

observed in cells that have impaired SCD‐1 activity and therefore modified CL FA side chains. 

The mitochondrial network is maintained by a continuous process of fusion (elongation of 

mitochondria)  and  fission  (fragmentation  of  mitochondria).  It  is  debated  whether 

fusion/fission is important for cytochrome c release, but during apoptosis mitochondria are 

remodelled  via  activation of  the  fission machinery  and  synchronal neutralization of  the 

fusion machinery.55,56 Importantly, this favoured mitochondrial fission occurs at the same 

time as BAX activation and permeabilization of the outer mitochondrial membrane, leading 

to  cytochrome  c  release,57  suggesting  that  the  events  could  be  coupled. Mitochondrial 

fusion/fission  itself  is  orchestrated  by  proteins  such  as  Drp1  and  Opa1,  but  also  the 

structural, flexible, properties of CL.26,56,58 The observed mitochondrial fragmentation could 

therefore  also be  a direct effect of  increased CL  saturation, but how  this would  favour 

fragmentation  is unclear and will require further analysis. Combined, our data point to a 

rapid  effect  of  SCD‐1  inhibition  on  the  structural  flexibility  of  CL  and  subsequently  the 

mitochondrial  integrity.  Previous  observations  highlighted  the  importance  of  SCD‐1  in 

tumours. Neoplastic cells contain higher levels of SCD‐1 as compared with normal human 

skin  fibroblasts13  and  SCD‐1  expression  and  activity  are  increased  in  several  types  of 

cancer.16 Moreover, normal cells appear  to be  resistant  to  the cytotoxic effect of SCD‐1 

inhibition.15 These observations suggests that a constantly active SCD‐1 must be present in 

Page 94: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 3 

92 

cancer cells in order to maintain the level of unsaturated FAs to be incorporated in major 

cell  lipids  and  thereby  protect  the  tumour  cells  from  excess  saturated  FAs.13,15,59–62  In 

agreement, knockdown of SCD‐1 or inhibition with a specific small molecule inhibitor led to 

impaired  biosynthesis  of  FAs,  cholesteryl  ester,  triacylglycerol  and  phospholipid 

synthesis12,15,63,64 and induced death, confirming a pivotal role for SCD‐1 in cancer.63 Several 

studies  have  reported  the  use  of  pharmacologic  inhibitors  of  SCD‐1  to  reduce  tumour 

growth in preclinical cancer models.65,66 In line with our data, toxicity induced by impaired 

SCD‐1 expression sensitized cancer cells  to  the pro‐apoptotic effects of PA.12,64 Our data 

now provide mechanistic insight and indicate that inhibition of SCD‐1 rapidly changes the 

side chain saturation of CL and impairs normal mitochondrial structure. We conclude that 

CL  is a crucial player  in mitochondrial  integrity that  is strongly dependent on the  level of 

saturation of its side chains. Targeting of this saturation or potentially even CL synthase in 

cancer cells provides a tumour‐selective cell death mechanism that is induced by BetA.  

MATERIALS AND METHODS  

Chemicals/antibodies  

BetA  (BioSolution, Halle, Germany, >99% purity) was dissolved  in dimethylsulfoxide at 4 

mg/ml and stored at − 80 °C. POA, PA, heptadecanoic acid and etoposide were purchased 

from  Sigma‐Aldrich  (St  Louis, MO, USA). SCD‐1  inhibitor  (cat# 1716) was  from Biovision 

Chemscene (Milpitas, CA, USA). Primary antibody to cytochrome c (6H2B4) was obtained 

from  BD  Pharmingen  (Franklin  Lakes,  NJ,  USA),  secondary  antibody  fluorescein 

isothiocyanate  conjugated antibody was obtained  from Beckman Coulter  (Fullerton, CA, 

USA).  Crystal  violet  blue  and  glutaraldehyde  were  purchased  from Merck  (Darmstadt, 

Germany).  

 

Cell culture  

HeLa  cells,  A549  cells, MCF‐7  cells,  RKO  cells  and  Co18 were  obtained  from  the  ATCC 

(Manassas,  VA,  USA).  Cells  were  cultured  in  Iscove's  modified  Dulbecco's  medium 

supplemented with 8% fetal calf serum, 2 mM L‐glutamine, 40 U/ml penicillin and 40 μg/ml 

streptomycin.  

 

RNA interference  

Lentiviral  vectors  TRIPZ  SCD  small  hairpin  RNAs  (GE Healthcare,  cod.  RHS4740‐EG6319, 

Buckinghamshire,  UK),  or  the  non‐silencing  small  hairpin  RNA  (GE  Healthcare,  cod. 

RHS4743) were transfected into HEK‐293 T cells using polyethylenimine (Brunschwig, The 

Netherlands) according to vendor’s instructions. After 48 h and 72 h, the virus containing 

medium  was  collected  and  filtered  using  Amicon  Ultra‐15  Centrifugal  Filter  Unit  with 

Ultracel‐100 membrane  (Millipore,  Billerica, MA,  USA).  The  virus were  resuspended  in 

medium and HeLa cells were infected 24–48 h with virus containing medium supplemented 

with 10 μg/ml polybrene. Transduced cell populations were subsequently selected with 1 

Page 95: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death by cardiolipin saturation 

  93 

μg/ml puromycin and knockdown was induced by 72 h 2 μg/ml doxycycline treatment after 

which expression of the targeted proteins were determined via quantitative real‐time PCR.  

 

RNA isolation and quantitative PCR  

RNA was isolated using the Superscript III Reverse Transcriptase Kit (Invitrogen, Waltham, 

MA, USA).  Total  RNA was  retrotranscribed  using Nucleospin  RNA  Kit  (Macherey‐Nagel, 

Düren, Germany). Quantitative PCR analysis was performed using  the  following primers: 

SCD‐1‐F (5′‐TCTAG CTCCTATACCACCACCA‐3′), SCD‐1‐R (5′‐TCGTCTCCAACTTATCTCCTCC‐3′), 

GAPDH‐F  (5′‐AATCCCATCACCATCTTCCA‐3′) and GAPDH‐R  (5′‐TGGACTCC ACGACGTACTCA‐

3′). 

 

Cell death analysis and cytochrome c release  

Cell  death  was  determined  by  propidium  iodide  exclusion  as  described  before.67 

Cytochrome c release was performed according to the protocol of N. Waterhouse.68 Briefly, 

cells were permeabilized with  50  μg/ml digitonin/phosphate‐buffered  saline/KCl buffer, 

fixed for 30 min with paraformaldehyde and incubated in blocking buffer (3% BSA, 0.05% 

saponin, 0.02% azide and 1:200 normal goat  serum  in phosphate‐buffered  saline). Anti‐

cytochrome  c  incubation  was  performed  overnight  at  4  °C,  after  washing,  fluorescein 

isothiocyanate conjugated secondary antibody was applied for 1 h at room temperature. 

 

Electron microscope  

After  the  indicated  treatment,  cells  were  fixed  in  1%  glutaraldehyde  and  4% 

paraformaldehyde  in 0.1 M  sodium  cacodylate buffer  (McDowell  fixative) and postfixed 

with  1%  osmiumtetroxide  (OsO4,  Electron microscopy  sciences, Hatfield,  PA, USA)  and 

kaliumhexacyanoferrate  (K3FE(CN)6), VWR, Amsterdam,  The Netherlands)  in  cacodylate 

buffer. Subsequently, the cells were dehydrated  in an alcohol series and embedded  into 

Epon (LX‐112 resin Ladd Research, Williston, VT, USA). Ultrathin sections were collected on 

formvar‐coated grids, counterstained with uranil acetate and  lead citrate and visualized 

with transmission electron microscope (FEI technai 12). 

 

Confocal fluorescence microscopy 

HeLa  cells  transiently  transfected  using  polyethylenimine  according  to  vendor’s 

instructions, with MitoRFP were grown on Poly‐D‐lysine coated 24 mm diameter glass cover 

slips  in  six‐well  plates.  Cells were  treated with  BetA  alone  or  in  combination with  the 

indicated concentrations of PA or POA  for 18 h. A549, MCF‐7, RKO and Co18 cells were 

grown on Poly‐Dlysine coated 24 mm diameter glass cover slips in six‐well plates. Cells were 

treated with vehicle or 10 μg/ml BetA for 18 h and stained 30 min with 100 nM mitotracker 

red CMXROS. The glass cover slips were mounted and placed in a Leica DMI 6000 (TCS SP8) 

microscope  (with  adaptive  focus,  Motorized  XY‐Stage  and  SuperZ  Galvo)  and  a  case 

Page 96: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 3 

94 

incubator at 37  °C  for Z‐stack measurements. Samples were analysed using Leica Las AF 

software (Leica Microsystems, Wetzlar, Germany). 

 

Mass spectrometry measurements of CL  

HeLa and A549 cells were harvested by trypsin and centrifugation at 300 g for 5 min at room 

temperature, washed once with phosphate‐buffered saline, pelleted by centrifugation at 

300 g for 5 min at room temperature. CL was analysed essentially as described previously.33 

The relative abundances of the species  in the sample‐extracts were determined by high‐

performance  liquid  chromatography‐mass  spectrometry  using  a  Surveyor  high‐

performance  liquid chromatography system hyphenated  to a TSQ Quantum AM  tandem 

mass  spectrometer  (Thermo  Finnigan  Corporation,  San  Jose,  CA,  USA).  The  MS  was 

operated  in  the  negative  ion  electrospray  ionisation mode.  Data  were  analysed  using 

Xcalibur software (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA).  

 

Desaturase activity measurements  

Cells were treated for 18 h with 10 μg/ml BetA or 150 nM SCD‐1 inhibitor after which 50 

μM 2H3‐palmitate (2H3‐C16:0; Cambridge Isotope Laboratories) or for HeLa cells, 50 μM 2H5‐

stearate  (2H5‐C18:0;  Cambridge  Isotope  Laboratories) was  added  for  an  additional  6  h. 

Conversion of these saturated deuterium‐containing FAs to unsaturated 2H3‐C16:1 or 2H5‐

C18:1 was measured as described before.69,70  

 

Clonogenic growth  

HeLa  cells were  seeded  in  a  24‐well  plate  and  treated with  10  μg/ml  BetA,  indicated 

concentrations of SCD‐1 inhibitor or with 1 μg/ml etoposide, with or without 50 μM POA or 

50 μM PA for 48 h (BetA) or 72 h (SCD‐1 inhibitor). After treatment, medium was changed 

and cells were left to grow for an additional 2 days. Cells were fixed in 6% glutaraldehyde 

and stained with crystal violet blue. Staining was dissolved  in 0.5 ml 99% ethanol for 1 h 

with mild shaking. 100 μl of dissolved crystal violet staining was transferred to a 96‐well 

plate and absorbance (590–630 nm) was measured (BioTek, Winooski, VT, USA).  

 

Statistical analysis  

Statistical analyses were performed with Prism 5  (GraphPad software, La  Jolla, CA, USA) 

applying a 2‐tailed unpaired Student t‐test. Differences were considered significant when 

P‐values, *P<0.05; **P<0.01; ***P<0.001.  

 

 

 

 

Page 97: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death by cardiolipin saturation 

  95 

Conflict of interest 

The authors declare no conflict of interest. 

Acknowledgements 

We thank  Inge Dijkstra, Rob Ofman, Femke Beers‐Stet  for  technical assistance and Louis 

Vermeulen for his valuable scientific input and helpful discussions. This work was supported 

by  a  grant  of  the  Stichting  Nationaal  Fonds  tegen  Kanker  (SNFK),  Amsterdam,  The 

Netherlands (LP). 

Page 98: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 3 

96 

References 

1. Swinnen JV, Brusselmans K, Verhoeven G. Increased  lipogenesis  in  cancer  cells:  new players,novel  targets.  Curr  Opin  Clin  Nutr Metab Care 2006 Jul;9(4):358‐65. 

2.  DeBerardinis  RJ,  Thompson  CB.  Cellular metabolism and disease: what do metabolic outliers  teach  us?  Cell  2012  Mar 16;148(6):1132‐44.  3. Santos CR, Schulze A. Lipid metabolism  in cancer. FEBS J 2012 Aug;279(15):2610‐23.  4.  Medes  G,  Thomas  A,  Weinhouse  S. Metabolism of neoplastic tissue. IV. A study of lipid  synthesis  in  neoplastic  tissue  slices  in vitro. Cancer Res 1953 Jan;13(1):27‐9.  5. Ookhtens M,  Kannan  R,  Lyon  I,  Baker N. Liver  and  adipose  tissue  contributions  to newly formed fatty acids in an ascites tumor. Am J Physiol 1984 Jul;247(1 Pt 2):R146‐R153.  6. Menendez JA, Lupu R. Fatty acid synthase and  the  lipogenic  phenotype  in  cancer pathogenesis.  Nat  Rev  Cancer  2007 Oct;7(10):763‐77.  7.  Li  JN, Mahmoud MA, Han WF, Ripple M, Pizer  ES.  Sterol  regulatory  element‐binding protein‐1  participates  in  the  regulation  of fatty  acid  synthase  expression  in  colorectal neoplasia.  Exp  Cell  Res  2000  Nov 25;261(1):159‐65.  8. Swinnen JV, Vanderhoydonc F, Elgamal AA, Eelen M, Vercaeren I, Joniau S, et al. Selective activation of the fatty acid synthesis pathway in human prostate cancer.  Int J Cancer 2000 Oct 15;88(2):176‐9.  9.  Bauer  DE,  Hatzivassiliou  G,  Zhao  F, Andreadis C, Thompson CB. ATP citrate lyase is an important component of cell growth and transformation.  Oncogene  2005  Sep 15;24(41):6314‐22.  10.  Hatzivassiliou  G,  Zhao  F,  Bauer  DE, Andreadis C, Shaw AN, Dhanak D, et al. ATP 

citrate  lyase  inhibition  can  suppress  tumor cell growth. Cancer Cell 2005 Oct;8(4):311‐21.  11.  Kumar‐Sinha  C,  Ignatoski  KW,  Lippman ME, Ethier SP, Chinnaiyan AM. Transcriptome analysis  of  HER2  reveals  a  molecular connection to fatty acid synthesis. Cancer Res 2003 Jan 1;63(1):132‐9.  12.  Scaglia  N,  Igal  RA.  Stearoyl‐CoA desaturase  is  involved  in  the  control  of proliferation,  anchorage‐independent growth,  and  survival  in  human  transformed cells.  J Biol Chem 2005  Jul 8;280(27):25339‐49.  13.  Scaglia  N,  Caviglia  JM,  Igal  RA.  High stearoyl‐CoA desaturase protein and activity levels  in simian virus 40 transformed‐human lung  fibroblasts. Biochim Biophys Acta  2005 Feb 21;1687(1‐3):141‐51.  14.  Paton  CM, Ntambi  JM. Biochemical  and physiological  function  of  stearoyl‐CoA desaturase.  Am  J  Physiol  Endocrinol Metab 2009 Jul;297(1):E28‐E37.  15. Scaglia N, Chisholm JW, Igal RA. Inhibition of  stearoylCoA  desaturase‐1  inactivates acetyl‐CoA  carboxylase  and  impairs proliferation  in  cancer  cells:  role  of  AMPK. PLoS One 2009;4(8):e6812.  16.  Igal  RA.  Stearoyl‐CoA  desaturase‐1:  a novel  key  player  in  the mechanisms  of  cell proliferation,  programmed  cell  death  and transformation  to  cancer.  Carcinogenesis 2010 Sep;31(9):1509‐15.  17.  Zuco  V,  Supino  R,  Righetti  SC,  Cleris  L, Marchesi  E,  Gambacorti‐Passerini  C,  et  al. Selective  cytotoxicity  of  betulinic  acid  on tumor  cell  lines,  but  not  on  normal  cells. Cancer Lett 2002 Jan 10;175(1):17‐25.  18.  Rzeski  W,  Stepulak  A,  Szymanski  M, Sifringer  M,  Kaczor  J,  Wejksza  K,  et  al. Betulinic  acid  decreases  expression  of  bcl‐2 and cyclin D1, inhibits proliferation, migration and induces apoptosis in cancer cells. Naunyn 

Page 99: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death by cardiolipin saturation 

  97 

Schmiedebergs  Arch  Pharmacol  2006 Oct;374(1):11‐20.  19.  Mullauer  FB,  Kessler  JH,  Medema  JP. Betulinic  acid,  a  natural  compound  with potent  anticancer  effects.  Anticancer  Drugs 2010 Mar;21(3):215‐27.  20. Fulda S, Friesen C, Los M, Scaffidi C, Mier W, Benedict M, et  al. Betulinic  acid  triggers CD95  (APO‐1/Fas)‐  and  p53‐independent apoptosis  via  activation  of  caspases  in neuroectodermal  tumors.  Cancer  Res  1997 Nov 1;57(21):4956‐64.  21. Fulda S, Susin SA, Kroemer G, Debatin KM. Molecular  ordering  of  apoptosis  induced  by anticancer  drugs  in  neuroblastoma  cells. Cancer Res 1998 Oct 1;58(19):4453‐60.  22.  Kessler  JH,  Mullauer  FB,  de  Roo  GM, Medema  JP. Broad  in vitro efficacy of plant‐derived  betulinic  acid  against  cell  lines derived  from  the  most  prevalent  human cancer  types.  Cancer  Lett  2007  Jun 18;251(1):132‐45.  23.  Mullauer  FB,  Kessler  JH,  Medema  JP. Betulinic  acid  induces  cytochrome  c  release and  apoptosis  in  a  Bax/Bak‐independent, permeability  transition  pore  dependent fashion. Apoptosis 2009 Feb;14(2):191‐202.  24. Fry M, Green DE. Cardiolipin requirement for electron transfer in complex I and III of the mitochondrial  respiratory chain.  J Biol Chem 1981 Feb 25;256(4):1874‐80.  25.  Gonzalvez  F,  Gottlieb  E.  Cardiolipin: setting the beat of apoptosis. Apoptosis 2007 May;12(5):877‐85.  26. Houtkooper RH, Vaz FM. Cardiolipin, the heart of mitochondrial metabolism. Cell Mol Life Sci 2008 Aug;65(16):2493‐506.  27.  Patil  VA,  Greenberg  ML.  Cardiolipin‐mediated cellular signaling. Adv Exp Med Biol 2013;991:195‐213.  

28. Gonzalvez  F,  Schug  ZT,  Houtkooper  RH, MacKenzie ED, Brooks DG, Wanders RJ, et al. Cardiolipin  provides  an  essential  activating platform for caspase‐8 on mitochondria. J Cell Biol 2008 Nov 17;183(4):681‐96.  29. Schug ZT, Gottlieb E. Cardiolipin acts as a mitochondrial  signalling  platform  to  launch apoptosis.  Biochim  Biophys  Acta  2009 Oct;1788(10):2022‐31.  30. Zhang T, Saghatelian A. Emerging roles of lipids  in  BCL‐2  family‐regulated  apoptosis. Biochim  Biophys  Acta  2013 Oct;1831(10):1542‐54.  31. Paradies G, Paradies V, De B, V, Ruggiero FM, Petrosillo G. Functional role of cardiolipin in  mitochondrial  bioenergetics.  Biochim Biophys Acta 2014 Apr;1837(4):408‐17.  32. Barth PG, Scholte HR, Berden JA, Van der Klei‐Van Moorsel JM, Luyt‐Houwen IE, Van  't Veer‐Korthof  ET,  et  al.  An  X‐linked mitochondrial  disease  affecting  cardiac muscle,  skeletal  muscle  and  neutrophil leucocytes. J Neurol Sci 1983 Dec;62(1‐3):327‐55.  33. Houtkooper RH, Rodenburg RJ, Thiels C, van LH, Stet F, Poll‐The BT, et al. Cardiolipin and  monolysocardiolipin  analysis  in fibroblasts,  lymphocytes,  and  tissues  using high‐performance  liquid  chromatography‐mass  spectrometry  as  a  diagnostic  test  for Barth  syndrome.  Anal  Biochem  2009  Apr 15;387(2):230‐7.  34. Ren M, Phoon CK, Schlame M. Metabolism and  function  of  mitochondrial  cardiolipin. Prog Lipid Res 2014 Apr 24;55C:1‐16.  35. Shimabukuro M, Zhou YT, Levi M, Unger RH. Fatty acid‐induced beta cell apoptosis: a link between obesity and diabetes. Proc Natl Acad Sci U S A 1998 Mar 3;95(5):2498‐502.  36. Listenberger LL, Han X, Lewis SE, Cases S, Farese  RV,  Jr.,  Ory  DS,  et  al.  Triglyceride accumulation  protects  against  fatty  acid‐

Page 100: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 3 

98 

induced lipotoxicity. Proc Natl Acad Sci U S A 2003 Mar 18;100(6):3077‐82.  37. Mullauer FB, van BL, Daalhuisen  JB, Ten Brink MS, Storm G, Medema JP, et al. Betulinic acid delivered in liposomes reduces growth of human  lung  and  colon  cancers  in  mice without causing systemic toxicity. Anticancer Drugs 2011 Mar;22(3):223‐33.  38.  Coleman  RA,  Lee  DP.  Enzymes  of triacylglycerol synthesis and their regulation. Prog Lipid Res 2004 Mar;43(2):134‐76.  39. Kiebish MA, Han X, Cheng H, Chuang JH, Seyfried  TN.  Cardiolipin  and  electron transport chain abnormalities in mouse brain tumor  mitochondria:  lipidomic  evidence supporting  the Warburg  theory  of  cancer.  J Lipid Res 2008 Dec;49(12):2545‐56.  40.  Ruggieri  S,  Roblin  R,  Black  PH.  Lipids  of whole  cells and plasma membrane  fractions from Balb/c3T3, SV3T3, and concanavalin A‐selected  revertant  cells.  J  Lipid  Res  1979 Aug;20(6):760‐71.  41. Bougnoux P, Chajes V, Lanson M, Hacene K,  Body  G,  Couet  C,  et  al.  Prognostic significance  of  tumor  phosphatidylcholine stearic acid  level  in breast carcinoma. Breast Cancer Res Treat 1992 Mar;20(3):185‐94.  42.  Horie  Y,  Suzuki  A,  Kataoka  E,  Sasaki  T, Hamada K, Sasaki J, et al. Hepatocyte‐specific Pten deficiency results in steatohepatitis and hepatocellular carcinomas. J Clin Invest 2004 Jun;113(12):1774‐83.  43. Pelicano H, Carney D, Huang P. ROS stress in  cancer  cells  and  therapeutic  implications. Drug Resist Updat 2004 Apr;7(2):97‐110.  44. Nogueira V, Hay N. Molecular pathways: reactive  oxygen  species  homeostasis  in cancer  cells  and  implications  for  cancer therapy.  Clin  Cancer  Res  2013  Aug 15;19(16):4309‐14.  

45. Warburg O. On respiratory impairment in cancer  cells.  Science  1956  Aug 10;124(3215):269‐70.  46.  Ward  PS,  Thompson  CB.  Metabolic reprogramming:  a  cancer  hallmark  even warburg did not anticipate. Cancer Cell 2012 Mar 20;21(3):297‐308.  47. Clarke SL, Bowron A, Gonzalez IL, Groves SJ, Newbury‐Ecob R,  Clayton N,  et  al. Barth syndrome. Orphanet J Rare Dis 2013;8:23.  48.  Alavian  KN,  Beutner  G,  Lazrove  E, Sacchetti  S,  Park HA,  Licznerski  P,  et  al.  An uncoupling channel within the c‐subunit ring of the F1FO ATP synthase is the mitochondrial permeability  transition pore. Proc Natl Acad Sci U S A 2014 Jul 22;111(29):10580‐5.  49. Acehan D, Malhotra A, Xu Y, Ren M, Stokes DL,  Schlame  M.  Cardiolipin  affects  the supramolecular organization of ATP synthase in  mitochondria.  Biophys  J  2011  May 4;100(9):2184‐92.  50.  Cory  S,  Adams  JM.  The  Bcl2  family: regulators of the cellular life‐or‐death switch. Nat Rev Cancer 2002 Sep;2(9):647‐56.  51.  Tuominen  EK, Wallace  CJ,  Kinnunen  PK. Phospholipid‐cytochrome  c  interaction: evidence for the extended  lipid anchorage. J Biol Chem 2002 Mar 15;277(11):8822‐6.  52.  Orrenius  S,  Zhivotovsky  B,  Nicotera  P. Regulation  of  cell  death:  the  calcium‐apoptosis  link.  Nat  Rev Mol  Cell  Biol  2003 Jul;4(7):552‐65.  53. Huttemann M,  Pecina  P,  Rainbolt  et  al. The multiple  functions of  cytochrome  c and their regulation in life and death decisions of the  mammalian  cell:  From  respiration  to apoptosis.  Mitochondrion  2011 May;11(3):369‐81.  54. Kagan VE, Tyurin VA,  Jiang  J, Tyurina YY, Ritov VB, Amoscato AA, et al. Cytochrome c acts  as  a  cardiolipin  oxygenase  required  for 

Page 101: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death by cardiolipin saturation 

  99 

release of proapoptotic factors. Nat Chem Biol 2005 Sep;1(4):223‐32.  55.  Jourdain  A, Martinou  JC. Mitochondrial outer‐membrane  permeabilization  and remodelling  in apoptosis.  Int  J Biochem Cell Biol 2009 Oct;41(10):1884‐9.  56.  Landes  T,  Martinou  JC.  Mitochondrial outer  membrane  permeabilization  during apoptosis:  the  role  of mitochondrial  fission. Biochim Biophys Acta 2011 Apr;1813(4):540‐5.  57. Martinou  JC, Youle RJ. Which came  first, the  cytochrome  c  release  or  the mitochondrial fission? Cell Death Differ 2006 Aug;13(8):1291‐5.  58.  Pellegrini  L,  Scorrano  L.  A  cut  short  to death:  Parl  and  Opa1  in  the  regulation  of mitochondrial  morphology  and  apoptosis. Cell Death Differ 2007 Jul;14(7):1275‐84.  59. Li J, Ding SF, Habib NA, Fermor BF, Wood CB, Gilmour RS. Partial  characterization of a cDNA for human stearoyl‐CoA desaturase and changes  in  its  mRNA  expression  in  some normal  and malignant  tissues.  Int  J  Cancer 1994 May 1;57(3):348‐52.  60. Lu J, Pei H, Kaeck M, Thompson HJ. Gene expression  changes  associated  with chemically  induced  rat  mammary carcinogenesis.  Mol  Carcinog  1997 Oct;20(2):204‐15.  61. Thai SF, Allen  JW, DeAngelo AB, George MH,  Fuscoe  JC.  Detection  of  early  gene expression  changes by differential display  in the  livers of mice exposed  to dichloroacetic acid. Carcinogenesis 2001 Aug;22(8):1317‐22.  62. Yahagi N, Shimano H, Hasegawa K, Ohashi K, Matsuzaka T, et al. Co‐ordinate activation of  lipogenic  enzymes  in  hepatocellular carcinoma. Eur J Cancer 2005 Jun;41(9):1316‐22.  63. Morgan‐Lappe  SE,  Tucker  LA,  Huang  X, Zhang  Q,  Sarthy  AV,  Zakula  D,  et  al. 

Identification of Ras‐related nuclear protein, targeting  protein  for  xenopus  kinesin‐like protein 2, and  stearoyl‐CoA desaturase 1 as promising cancer targets from an RNAi‐based screen. Cancer Res 2007 May 1;67(9):4390‐8.  64. Scaglia N,  Igal RA.  Inhibition of Stearoyl‐CoA Desaturase 1 expression  in human  lung adenocarcinoma cells  impairs tumorigenesis. Int J Oncol 2008 Oct;33(4):839‐50.  65. Fritz V, Benfodda Z, Rodier G, Henriquet C, Iborra  F, Avances C, et  al. Abrogation of de novo  lipogenesis by stearoyl‐CoA desaturase 1  inhibition  interferes  with  oncogenic signaling  and  blocks  prostate  cancer progression  in mice. Mol  Cancer  Ther  2010 Jun;9(6):1740‐54.  66. Roongta UV, Pabalan JG, Wang X, Ryseck RP,  Fargnoli  J,  Henley  BJ,  et  al.  Cancer  cell dependence  on  unsaturated  fatty  acids implicates stearoyl‐CoA desaturase as a target for  cancer  therapy.  Mol  Cancer  Res  2011 Nov;9(11):1551‐61.   67. Potze L, Mullauer FB, Colak S, Kessler JH, Medema  JP.  Betulinic  acid‐induced mitochondria‐dependent  cell  death  is counterbalanced  by  an  autophagic  salvage response. Cell Death Dis 2014;5:e1169.  68.  Waterhouse  NJ,  Trapani  JA.  A  new quantitative assay for cytochrome c release in apoptotic  cells.  Cell  Death  Differ  2003 Jul;10(7):853‐5.  69. Valianpour F, Selhorst JJ, van Lint LE, van Gennip AH, Wanders RJ, Kemp S. Analysis of very long‐chain fatty acids using electrospray ionization  mass  spectrometry.  Mol  Genet Metab 2003 Jul;79(3):189‐96.  70. Engelen M, Ofman R, Mooijer PA, Poll‐The BT,  Wanders  RJ,  Kemp  S. Cholesteroldeprivation  increases  mono‐unsaturated very long‐chain fatty acids in skin fibroblasts  from  patients  with  X‐linked adrenoleukodystrophy. Biochim Biophys Acta 2008; 3: 105–111.

Page 102: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 3 

100 

Supplementary figures 

  

Supplementary  Figure  1: BetA‐induced mitochondrial morphology  changes  in  cancer  cells  and  not  in 

normal cells. Indicated cell lines were treated with vehicle (DMSO) or 10 µg/ml BetA for 18 h after which 

cells were stained with 100 nM mitotracker red CMXROS and analysed by confocal microscopy. 

  

 

Supplementary Figure 2: Induction of CL saturation upon BetA treatment. MCF‐7 cells were subjected to 

vehicle (DMSO) or 10 µg/ml BetA for 24 h after which CL content was measured. Relative C68 CL saturation 

is shown, which is calculated as (C68:2 + C68:3) / (C68:4). Mean ± SD of 2 experiments are shown. * P< 0.05; 

ns, not significant. (B) MCF‐7 cells were subjected to vehicle (DMSO) or 10 µg/ml BetA for 24 h after which 

CL content was measured. Quantification of CL C68 cluster is shown. Mean ± SD of 2 experiments are shown. 

A549 MCF-7 RKO CO18

Bet

AD

MS

O

rela

tive

CL

satu

ratio

n

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

BetA - +0.0

0.5

1.0

1.5 CL (68:4)

CL (68:3)

CL (68:2)

DMSO BetA

nmol

/mg

prot

ein

BA*

Page 103: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death by cardiolipin saturation 

  101 

 

Supplementary Figure 3: Heptadecanoic acid incorporates into CL. HeLa cells were pre‐treated with vehicle 

(DMSO) or 50 µM heptadecanoic acid  for 4 h after which vehicle  (DMSO)  (A) or 10 µg/ml BetA  (B) was 

applied for 18 h followed by CL analysis by HPLC mass spectrometry. Note the higher abundance of the C17 

containing PG (33:0) compared to that of PG (33:1) in BetA treated cells. 

Supplementary  Figure  4: 

Desaturase  activity  and  levels  in 

cancer cells. (A) Indicated cell lines 

were  analysed  for  their  relative 

SCD‐1  mRNA  levels  by  qPCR.  (B) 

HeLa cells with SCD‐1 shRNA were 

treated with doxycycline for 72 h to 

induce knockdown of SCD‐1. Levels 

of  SCD‐1  mRNA  levels  were 

measured  by  qPCR.  (C)  Indicated 

cell lines were treated with vehicle 

(DMSO), 150 nM SCD‐1 inhibitor or 

10 µg/ml BetA for 18 h after which 2H3‐C16:0  was  applied  for 

additional 6 h. Conversion  to  2H3‐

C16:1 was measured. Mean ± SD of 

3  experiments  are  shown. 

***P<0.001, **P<0.01. 

 

670 680 690 700 710 720 730 740

20

100

0

40

60

80

rela

tive

inte

nsity

(%

)

686.5685.5 687.5

698.5694.4

693.4

699.5700.5

701.5

711.5

712.5

713.5

714.5

715.5

718.5

719.5

720.5721.5

722.5728.5

725.5

726.5

727.5

C74

C72

C70

C68

C69C71

C6620

100

0

40

60

80

rela

tive

inte

nsity

(%

)

DMSO + C17AAA

B BetA+ C17

C64

C67

C65

707.5706.5

708.5

705.5692.4

686.5685.5 687.5

698.5694.4

693.4

699.5

700.5

701.5 711.5

712.5

713.5

714.5

715.5

718.5

719.5

720.5

721.5

722.5728.5

725.5

726.5

727.5

C74

C72

C70

C68

C69 C71

C66

C64

C67

C65

707.5

706.5

708.5

705.5

692.4

PG(33:0)

PG(33:1)

PG(33:1)PG(33:0)

ratio

2 H3-

C16

:1/2 H

3- C

16:0

SCD-1 inhibBetA

+-- -

-+

0.20

0.00

0.05

0.10

0.15

0.25

+-- -

-+

+-- -

-+

+-- -

-+

A549 MCF-7 RKO CO18

******

******

*****

******

0.0

0.5

1.0

1.5

f

old

cha

nge

inS

CD

-1 m

RN

A le

vels

shSCD1H12dox

++-

+

non silencing

- +- +-

-- - - -

- -- -- -

++++

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

A54

9

HeL

a

MC

F-7

RK

O

CO

18

rela

tive

mR

NA

leve

ls

(SC

D-1

/GA

PD

H)

shSCD1D6

A B

C

Page 104: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 3 

102 

 

Supplementary  Figure  5:  SCD‐1  inhibitor  induced mitochondrial morphology  changes. HeLa  cells with 

MitoRFP were subjected to vehicle (DMSO), 200 nM SCD‐1 inhibitor with or without 50 µM POA or 50 µM 

PA  for  40  h  after  which  cells  were  analysed  by  confocal  microscopy.  Representative  pictures  of  2 

experiments are shown.  

 

0 25µm 0 25µm 0 25µm

DMSO POA PA

SCD-1 inhib

0 μm 25 0 μm 25 0 μm 25

ZO

OM

ZO

OM

ZO

OM

SCD-1 inhib + POA SCD-1 inhib + PA

ZO

OM

ZO

OM

ZO

OM

Page 105: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death by cardiolipin saturation 

  103 

 

 

 

Supplementary Figure 6: CL levels of BetA and SCD‐1 inhibitor treated cells (A) HeLa cells were subjected 

to vehicle (DMSO) or 10 µg/ml BetA with or without 50 µM POA or 50 µM PA for 18 h after which CL content 

was measured. Quantification of CL C68 cluster is shown. Mean ± SD of 5 experiments are shown (B) A549 

cells were subjected to vehicle (DMSO) or 10 µg/ml BetA with or without 50 µM POA or 50 µM PA for 18 h 

after which CL content was measured. Relative C68 CL saturation of A549 cells is shown, which is calculated 

as (C68:2 + C68:3) / (C68:4 + C68:5). Mean ± SD of 3 experiments are shown. * P< 0.05; ns, not significant. 

(C) A549 cells were subjected to vehicle (DMSO) or 10 µg/ml BetA with or without 50 µM POA or 50 µM PA 

for 18 h after which CL content was measured. Quantification of CL C68 cluster is shown. Mean ± SD of 2 

experiments are shown. (D) HeLa cells were subjected to vehicle (DMSO) or 200 nM SCD‐1 inhibitor with or 

without 50 µM POA or 50 µM PA for 40 h after which CL content was measured. Quantification of the CL 

C68 cluster is shown. Mean ± SD of 3 experiments are shown.  

 

CL (68:5)

CL (68:4)

CL (68:3)

CL (68:2)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

nm

ol/m

g pr

ote

in

BetA

POA

PA

- + ++ +

+ + +

- - -----

- - -

A

C

D

0

20

40

60CL (68:5)

CL (68:4)

CL (68:3)

CL (68:2)

%C

Lfr

omto

talC

L

POA

PA

- + ++ +

+ + +

- - -----

- - -SCD-1 inhib

nm

ol/m

g pr

ote

in

BetA

POA

PA

- + ++ +

+ + +

- - -----

- - -

CL (68:5)

CL (68:4)

CL (68:3)

CL (68:2)

0.0

0.5

1.0

1.5

B

0.0

0.5

1.0

1.5

rela

tive

CL

satu

ratio

n

POAPA

BetA

+- - - -- -- -- - -

+

+ +++

+

*

ns

Page 106: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 3 

104 

 

Supplementary Figure 7: Effect of POA and PA on mitochondria (A) HeLa cells with MitoRFP were subjected 

to vehicle (DMSO), 50 µM POA or 50 µM PA for 18h after which cells were analysed via confocal microscopy. 

Pictures of 3 individual experiments are shown. (B) HeLa cells were treated with 50 µM POA or 50 µM PA 

for 18h after which cells were analysed via TEM.  

 

0 25µm 0 25µm 0 25µm

DMSO POA PAZ

OO

M

ZO

OM

ZO

OM

DMSO POA PA

500nm500nm500nm

A

B

Page 107: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death by cardiolipin saturation 

  105 

 

Supplementary Figure 8: CL modification evokes cell death and decreases clonogenic survival (A) HeLa 

cells with induced knockdown of SCD‐1 D6 and H12 were left for 5 days, after which cell death was assessed 

via PI exclusion. (B) HeLa cells were treated with indicated concentrations of SCD‐1 inhibitor for 96 h after 

which cell death was assessed via PI exclusion. (C) HeLa cells were treated with vehicle (DMSO), 10 µg/ml 

BetA, 75nM SCD‐1 inhibitor (+), 200 nM SCD‐1 inhibitor (++) or combinations of BetA and SCD‐1 inhibitor 

for 96h after which cell death was assessed via PI exclusion. (D) HeLa cells were treated for 48 h with vehicle 

(DMSO) or 1 µg/ml etoposide with or without 50 µM POA or 50 µM PA after which fresh medium was applied 

for 72 h. Cells were stained with crystal violet blue for 6 h. Mean ± SD of 3 experiments are shown. 

A

1

0

2

3

POAPA

+- - - -- -- -- - -

+

+ +++

+etoposide

abs

590

- 630

B

BetASCD-1 inhib

+- - - +- ++- +

++++

0

20

40

60

80

100

% P

Ipo

s

0

20

40

60

80

100

% P

Ipo

s

0 0.075 0.2 0.5 1μM SCD-1 inhibitor

CD

% P

Ipo

s

shSCD1H12dox

++

+

non silencing

- +-

- -- - ++

0

5

10

15

20

25

Page 108: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 109: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

   

Chapter 4 

 Betulinic acid induces a rapid form of cell 

death in colon cancer stem cells  

Lisette Potze, Simone di Franco, Jan H. Kessler, Giorgio Stassi, 

Jan Paul Medema 

 

Under revision at Stem Cell International 

 

 

 

 

 

 

Door: Why it’s simply impassible! 

Alice: Why? Don’t you mean impossible? 

Door: No, I do mean impassible (chuckles) Nothing’s impossible! 

Lewis Carroll, Alice in Wonder land 

Page 110: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 4 

108 

Abstract 

Cancer stem cells (CSCs) are considered to be the origin of cancer and it is suggested that 

they  are  resistant  to  chemotherapy.  Current  therapies  fail  to  eradicate  the  CSCs  and 

therefore select a resistant cell subset that is able to induce tumor recurrence. Betulinic acid 

(BetA) is a broad acting natural compound, shown to induce cell death via inhibition of the 

stearoyl‐CoA‐  desaturase  (SCD‐1).  This  enzyme  converts  saturated  fatty  acids  into 

unsaturated  fatty  acids  and  is  over‐expressed  in  tumor  cells. Here we  show  that  BetA 

induces rapid cell death  in all colon CSCs tested and  is able to affect the CSCs directly as 

shown via the loss of clonogenic capacity. Similar results were observed with inhibition of 

SCD‐1, suggesting that SCD‐1 activity is indeed a vulnerable link in colon CSCs and can be 

considered an ideal target for therapy in colon cancer. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 111: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death in colon cancer stem cells 

  109 

Introduction 

Colorectal  cancer  (CRC)  is one of  the major  causes of death worldwide(1)  and  the  third 

leading cause of cancer death in the western world (WHO 2014, World Cancer Report 2014). 

Despite different and intensive treatments, current therapies are inadequate in eradicating 

the disease due to the occurrence of resistance. It has been suggested that such resistance 

depends on the intra‐tumoral heterogeneity, in which the so‐called cancer stem cells (CSCs) 

play  a  fundamental  role.(2)  This  cell  subset  is  characterized  by  self‐renewal  and 

differentiation capacity(3, 4) and  it  is regulated by a coordination of several pathways and 

signals  responsible  for  the maintenance  of  such  phenotype,  as WNT(5‐8),  BMP(9‐12)  and 

Notch.(13‐15)  CSCs  presence was  confirmed  by  several  studies  in  different  solid  tumors, 

including colon cancer.(16‐19) 

The resistance of colon CSCs to conventional therapy(17, 20‐22) makes these cells an obvious 

target to optimize current therapies. Strategies to identify and target specific cell surface 

markers  are  currently  under  investigation,  with  a  particular  focus  on  a  functional 

characterization of  the CSCs.(3,  23‐26) Despite more  than  two decades of  research on  the 

genetics of CRC(27),  it appears that we have only uncovered the tip of the  iceberg.(28) The 

extensive  inter‐  and  intra‐tumor heterogeneity both  genetically  and  therapeutically  still 

forms an enormous challenge. We are only starting to understand the role and nature of 

genetic and epigenetic changes, the tumor microenvironment and the effects of different 

cell subsets within the tumor mass.(29‐32) 

Current therapeutic approaches in colon cancer mainly utilize the proliferative capacity of 

tumor cells as a means to target the cancer. As cells can escape this type of therapy through 

multiple mechanisms, novel broad‐acting compounds that target a distinct, but essential 

feature  of  the  cancer  cells  are  required.  Such  a  therapy  is  able  to  target  all  the  cells 

belonging to the tumor bulk, including the CSCs. A promising compound is represented by 

Betulinic Acid (BetA), which is a plant‐derived compound that shows selective cytotoxicity 

for tumor cells sparing healthy cells.(33‐35) We have previously shown that BetA is very potent 

and  effective  in  a wide  range  of  tumor  cells.(24,  34,  36,  37) More  importantly, we  recently 

showed that BetA induces cell death via the inhibition of stearoyl‐CoA desaturase (SCD‐1) 

activity, an enzymatic activity that appears crucial to cancer but not normal cells.(38) This 

enzyme  converts  saturated  fatty  acids  derived  from  the  de  novo  fatty  acid  synthesis 

pathway  into monounsaturated  fatty acids and as such provides building blocks  for new 

lipid biomass.  The  saturation  grade of  fatty  acids  in  cells  is  crucial  to maintain optimal 

fluidity of cellular membranes and it has been shown that inhibition of SCD‐1 induces cell 

death in a variety of cells including lung CSCs.(39‐41) Due to its broad and potent activity we 

investigated the role of BetA in colon CSCs and also evaluated the effect of SCD‐1 inhibition 

on these cells. Here we show that BetA and SCD‐1  inhibition both  induces cell death and 

loss of  clonogenicity  in  colon CSCs. BetA  induces  a more  rapid  cell death  in  these  cells 

Page 112: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 4 

110 

compared  to  SCD‐1  inhibitor,  thus  suggesting  that BetA  is  a  very potent  compound  for 

cancer therapy. 

Results 

BetA induces a rapid cell death in colon cancer stem cells. 

BetA has been shown to be very potent in killing several cancer cells after 48h with 60‐90 % 

cell  death  in  a  p53  and  BAX/BAK‐independent manner(36,  38)  (see  Table  1  for mutation 

analysis of colon CSCs). To determine whether BetA was also effective against colon CSCs, 

we used a panel of CSC cultures that were characterized for the most common stemness 

markers CD166, CD133(16) and CD44v6(3), and CK20, a colonic differentiation marker(42) (Fig. 

1A). We treated these spheroid cultures with BetA and observed a very rapid and potent 

induction of cell death. Within 2 h about 60 % of cell death was detected in BetA‐treated 

GTG7  cells, while  this  resulted  in  30 %  and  40 %  cell  death  in  CC09  and  Co147  cells 

respectively. Colon CSCs death  induction  is concentration‐ and time‐ dependent with cell 

death increasing to 60‐80 % cell death after 8 h using the highest BetA concentration (Fig. 

1B‐G). Importantly, the rapid cell death is not dependent on culture conditions, but seemed 

to be selective for these spheroid cultured CSC cultures as normal colon cancer cell lines, 

such  as  RKO  cells,  only  showed  around  20%  cell  death  at  these  early  time  points 

(Supplementary Fig. 1A‐B). According with previous findings(43), we observed BetA‐induced 

cell death in both p53 mutant and p53 wild‐type cell lines (Table 1). 

 

Colon cancer stem cells lose their clonogenic capacity upon BetA treatment 

One  of  the  hallmarks  of  CSCs  is  represented  by  their  resistance  to  therapy.  Most 

conventional therapies induce cell death in differentiated tumor cells, but not in CSCs.(44) As 

our spheroid cultures represent a mixture of CSCs and more differentiated tumor cells, we 

set out to directly analyze the effect of BetA on CSCs using WNT signaling activity as a read‐

out for stemness.(5) Spheroid cells were therefore sorted for 10% low GFP, representing the 

more differentiated tumor cells, 10% high GFP, representing CSCs, and the total population. 

In all three cell populations BetA  induced a rapid cell death suggesting that BetA targets 

both the more differentiated cancer cells as well as the CSCs (Figure 2A‐D).  

Table 1. Mutation status of colon CSCs

PI3KCA APC BRAF SMAD4 KRAS P53

GTG7c.1258T>C

(p.Cys420Arg)c.2413C>T

(p.Arg805Ter)wt

c.1607T>G(p.Leu536Arg)

c.38G>A(p.Gly13Asp)

wt

CC09c.344G>A

(p.Arg115Gln)c.2557G>T

(p.Glu853Ter)c.1799T>A

(p.Val600Glu)c.931C>T

(p.Gln311Ter)wt

c.818G>A(p.Arg273His)

CO147c.1090G>C

(p.Gly364Arg)c.2839T>C

(p.Cys947Arg)c.1799T>A

(p.Val600Glu)wt wt

c.733G>A(p.Gly245Ser)

Page 113: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death in colon cancer stem cells 

  111 

To  confirm  the  cytotoxic  effect  on  CSCs we  looked  into  the  functional  impact  of  BetA 

treatment. One of the important features of CSCs is their ability to self‐renew and to give 

arise to a heterogeneous population of CSCs and more differentiated cells. In other words, 

a single CSC is capable of forming a new colony with all cell types present.(16) This capacity 

is present  in the TOP‐GFP high cells within  the spheroids and defines the  true CSCs. We 

therefore  analyzed  three  distinct  colon  CSC  cultures  for  their  clonogenic  capacity  after 

treatment with different concentrations of BetA. BetA pre‐treatment (2 h, single hit) clearly 

showed a strong reduction on stem cell frequency (60‐80 % of reduction) in all the colon 

CSC cultures, in a dose‐dependent manner (Figure 2E‐G). In contrast, these short treatments 

did not affect the clonogenicity of RKO cells, confirming that BetA  indeed targeted colon 

CSCs  very  effectively.  (Supplementary  Fig.  2)  A  separate  measure  of  stemness  is  to 

determine the effect of therapy at later time points. We therefore analyzed the long‐term 

effect of conventional chemotherapy (oxaliplatin)  in comparison with BetA treatment on 

survival and regrowth of colon CSCs, using a CellTiter‐Blue® cell viability assay over a longer 

period.  Treatment of  two  independent  colon CSC  cultures with oxaliplatin  showed  that 

despite an initial decrease in cell number, cultures eventually overcame the negative impact 

of chemotherapy and expanded over time, indicating that CSCs did not succumb to therapy 

even when higher doses of oxaliplatin were used (Figure 2H‐I and Supplementary Fig. 3A‐

D). In contrast, treatment with increasing doses of BetA for only two hours revealed that 

long  term  expansion was  completely  annihilated  at  the  highest  concentrations  of BetA 

(Figure 2H‐I). Differential sensitivity was observed between the two CSC cultures, similar to 

the short‐term toxicity assays with GTG7 being the most BetA sensitive cell line tested. In 

these cultures BetA concentrations of 5 µg/ml completely prevented outgrowth of cells, 

whereas in CC09, which were less sensitive to BetA, only the highest concentration of BetA 

(10 µg/ml) prevented outgrowth completely  (Figure 2H‐  I and Supplementary Fig. 3 E‐F). 

These  data  suggest  that  BetA  affects  colon  CSCs  viability  and  consequently  long‐term 

clonogenicity,  while  conventional  therapy,  such  as  oxaliplatin,  gave  rise  to  CSC‐based 

resistance phenomena and subsequent recurrences in terms of growth. 

 

Inhibition of stearoyl CoA desaturase leads to cell death and loss of clonogenicity 

in colon CSCs 

We recently showed that BetA functions through inhibition of the enzymatic activity of SCD‐

1.(38)  In agreement, BetA  treatment, SCD‐1  inhibition or genetic knock down of SCD‐1  in 

cancer cells, affect the saturation grade of fatty acids and specifically cardiolipin, resulting 

in  impairment of  the mitochondrial  structure with  consequent cell death.(38) To validate 

whether BetA‐induced death of colon CSCs is due to a similar SCD‐1‐dependent mechanism, 

Page 114: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 4 

112 

 

Figure 1. BetA‐induced cell death in colon cancer stem cells. Flow cytometry analysis (A) of CD166, CD166, 

CD44v6 and CK20 in GTG7, CC09 and CO147 colon CSC lines (black histograms represent isotype control). 

GTG7  (B, C), CC09  (D, E) and CO147  (F, G)  colon CSCs were  treated  for 2 h, 4 h or 8 h with  indicated 

concentrations of BetA after which cell death was assessed via PI exclusion. In B, D, F representative FACS 

plots of GTG7, CC09 and CO147 colon CSCs are shown which were treated for 8 hours with DMSO or 10 

µg/ml BetA. Mean ± SD of 3 experiments are shown. P < 0.05 (*); P < 0.01 (**); P< 0.001 (***). 

 

100

0

20

40

60

80

100

% P

Ipos

2 h 4 h 8 h

0 µg/ml BetA2.5 µg/ml BetA5 µg/ml BetA7.5 µg/ml BetA10 µg/ml BetA

0

20

40

60

80

100

% P

Ipos

2 h 4 h 8 h

0 µg/ml BetA2.5 µg/ml BetA5 µg/ml BetA7.5 µg/ml BetA10 µg/ml BetA

B C

D

GTG7

CC09

***

*****

**

********

0

20

40

60

80

% P

Ipos

2 h 4 h 8 h

0 µg/ml BetA2.5 µg/ml BetA5 µg/ml BetA7.5 µg/ml BetA10 µg/ml BetA

CO147

**

% P

Ipos

FCS-H

7.8% 75.2%

6.6% 54.1%

8.3% 56.3%

DMSO BetA

% P

Ipos

% P

Ipos

E

F G

DMSO BetA

DMSO BetA

*********

******

***** ***

***

CD166

2.7% 17.9%

CD133 CD44v6

13.1%

CK20

3.7%

61.2% 5.81% 33.5% 2%

91.7% 67.5% 73.4% 1.7%

AC

C0

9C

O14

7G

TG

7

Page 115: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death in colon cancer stem cells 

  113 

cells  were  treated  with  a  commercially  available  SCD‐1  inhibitor.  Interestingly,  SCD‐1 

inhibition led to a time‐ and concentration‐dependent cell death in both GTG7 and CC09. 

The timing of cell death was different in these cells, as GTG7 reaches a maximum cell death 

at 72 h, while this appears to take longer in CC09 (Figure 3A‐B). In agreement with the effect 

observed with BetA treatment, SCD‐1 inhibition dramatically reduced clonogenic potential 

of GTG7 and CC09 cells  (Figure 3C‐D). Henceforth, we conclude that BetA  is an effective 

compound for the targeting of colon CSCs and this can be explained at least in part by the 

effect of BetA on SCD‐1 activity in CSCs. 

Discussion 

CSCs are known  to be more  resistant  to conventional  treatment due  to  their  (acquired) 

resistance mechanisms, such as high levels of ATP‐binding cassette (ABC) transporters and 

anti‐apoptotic molecules, active DNA‐repair,  in some cases reduced proliferation and the 

production of growth  factors  that confer  refractoriness  to anti‐neoplastic  treatments.(44) 

The escape mechanisms from standard therapies were shown both in vitro and in vivo.(17, 44) 

In  particular  chemotherapy  treatment  of  colon  cancer  results  in  an  increase  in  CD133+ 

(oxaliplatin  treatment),  or  ESA+/CD44+/CD166+  (irinotecan  treatment)  cell  populations, 

suggesting that these markers identify the CSC population, which are more resistant than 

their differentiated counterpart.(21) CSC resistance mechanisms are frequently suggested to 

provide an explanation for minimal residual disease in which an initial response is followed 

by recurrences due to survival and subsequent expansion of colon CSC. Here we show that 

BetA and SCD‐1 inhibition can both circumvent this CSC resistance and induced cell death 

and  loss  of  clonogenicity  in  colon  CSCs.  Our  current  study  provides  evidence  for  a 

vulnerability in colon CSCs in the SCD‐1 pathway. Previously, we have also shown that this 

BetA‐induced  killing  depends  on  the  mitochondria,  but  occurs  in  a  BCL‐2  family‐

independent manner.(38, 45) This may be essential for its capacity to kill CSCs as we and others 

recently provided evidence that CSCs protect themselves from classical chemotherapy using 

BCLXL‐dependent mechanisms. As BetA kills cells in a BCL‐2 family independent manner it 

is expected to also target these CSCs. BetA has previously been shown to be tumor specific 

and not targeting healthy cells. No toxicity to BetA was observed in mice treated with BetA 

as well as vehicle liposomes, as both had the same amount of proliferating cells in the small 

intestine(46). On top of this, we showed that non‐transformed fibroblasts are insensitive to 

BetA as well as SCD‐1  inhibition. Cancer cells have reprogrammed their metabolism with 

increased glycolysis and lipogenesis (de novo fatty acid synthesis) to maintain the need for 

new biomaterials.(47) This reprogramming needs to already be present in the tumor initiating 

cell,  either  pushing  the  cell  fate  toward  transformation  or  creating  an  appropriate 

“metabolic state” required for  

Page 116: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 4 

114 

 

 

 

0

20

40

60

80

100

% P

Ipos

CC09

0

20

40

60

80 DMSOBetA

GTG7

% P

Ipos

low high total

6.0% 6.6% 6.0%

57.4% 51.9% 57.7%

FSC-A

low high total%

PIpo

s DM

SO

Bet

A

11.4% 7.6% 11.2%

74.4% 55.3% 76.3%

low high total

% P

Ipos D

MS

OB

etA

FSC-A

A B

C D

E F G

H I

low high total

DMSOBetA

*** ******

*** ******

****

***

***

0.0

0.5

1.0

1.5

fold

cha

nge

0 2.5 5 7.5 µg/ml BetA

100 2.5 5 7.5 µg/ml BetA

0.0

0.5

1.0

1.5

0.0

0.5

1.0

1.5

100 2.5 5 7.5 µg/ml BetA

GTG7 CC09 CO147

fold

cha

nge

fold

cha

nge

***

GTG7 CC09 OXA

0

2.5

5

7.5

10

cell

titer

blu

e (O

D)

5000

4000

3000

2000

1000

00 5 10 15 20

days0 5 10 15 20

days

10000

8000

6000

cell

titer

blu

e (O

D)

4000

2000

0

Page 117: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death in colon cancer stem cells 

  115 

Figure 2. BetA‐induced loss of clonogenicity in colon cancer stem cells. (A, B) GTG7 colon CSCs were sorted 

into three fractions, high GFP (indicating the stem cells), low GFP (indicating more differentiated cells) and 

total cells. Overnight adhered cells were treated with vehicle (DMSO) or 10 µg/ml BetA for 2 h, after which 

cell  death was measured  via  PI  exclusion. Representative  FACS plots  are  shown  in A. Mean  ±  SD  of  3 

experiments are shown. P< 0.001 (***). (C, D) CC09 colon CSCs were sorted into three fractions, high GFP 

(indicating the stem cells), low GFP (indicating more differentiated cells) and total cells. Overnight adhered 

cells were treated with vehicle (DMSO) or 10 µg/ml BetA for 2 h, after which cell death was measured via PI 

exclusion. Representative FACS plots are shown in C. Mean ± SD of 3 experiments are shown. P< 0.001 (***). 

Limiting dilutions experiments were performed and stem cell frequency was calculated in GTG7 (E), CC09 

(F) and CO147 (G) colon CSCs that were pre‐treated for 2 h with indicated concentrations BetA. Mean ± SD 

of 3 experiments are shown. P < 0.05 (*); P < 0.01 (**); P< 0.001 (***). GTG7 (H) and CC09 (I) colon CSCs 

were treated with indicated concentrations BetA for 2h or with 0.5 µM oxaliplatin for 24 h after which cell 

numbers were measured at different time points using cell titer blue. 

 

 

Figure 3. SCD‐1 inhibitor‐induced cell death and loss of clonogenicity in colon cancer stem cells. GTG7 (A) 

and CC09 (B) colon CSCs were treated for 24 h, 48 h, 72 h or 96 h with indicated concentrations of SCD‐1 

inhibitor after which cell death was assessed via PI exclusion. Mean ± SD of 3 experiments are shown. P < 

0.05  (*);  P  <  0.01  (**);  P<  0.001  (***).  Limiting  dilutions  experiments were  performed  and  stem  cell 

frequency was calculated in GTG7 (C) and CC09 (D) colon CSCs that were pre‐treated for 48 h (GTG7) or 72 

h (CC09) with 1µM SCD‐1 inhibitor. Mean ± SD of 3 experiments are shown. P< 0.001 (***). 

0

20

40

60

80

100

% P

Ipos

24 h 48 h 72 h 96 h

00.20.51

0 µM inhib0.2 µM inhib0.5 µM inhib1 µM inhib

0

20

40

60

80

100

% P

Ipos

24 h 48 h 72 h 96 h

A

B

00.20.51

0 µM inhib0.2 µM inhib0.5 µM inhib1 µM inhib

0.0

0.4

1.0

0.2

0.6

0.8

fold

cha

nge

DM

SO

SC

D-1

0.0

0.4

1.0

0.2

0.6

0.8

fold

cha

nge

DM

SO

SC

D-1

C

D

GTG7GTG7

CC09

***

***

*

****

**

***

**

****

****

***CC09

***

***

Page 118: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 4 

116 

Tumorigenesis.(48) Although there is no direct proof, a growing body of evidence suggests 

that metabolic reprogramming is at the core of cancer and it may provide a vulnerability of 

cancer cells.(48‐50) To maintain a pool of healthy  fatty acids needed  for new biomaterials, 

tumor cells start to depend on de novo fatty acid synthesis, while normal cells hardly utilize 

this  pathway  as  they  acquire  unsaturated  fatty  acids  from  their  surroundings.  Newly 

generated fatty acids are fully saturated and are relatively toxic to the cells necessitating 

their conversion  to unsaturated  fatty acids by  introduction of a double bond at  the ω‐9 

position by the enzyme SCD‐1.(40, 51‐54) This points out the need for SCD‐1 activity in cancer 

cells, but could also hint to a vulnerability of cancer cells to this pathway. In several types 

of  cancer,  including  colon  cancer,  SCD‐1  expression  and  activity  are  increased  (38,  54,  55), 

moreover  SCD‐1  levels  were  found  elevated  in  in  vivo  models  that  were  genetically 

predisposed to develop certain cancers.(56) These observations suggest that SCD‐1 activity 

is needed in cancer cells in order to maintain the levels of unsaturated fatty acids and by 

doing so protecting tumor cells from a surplus of toxic saturated fatty acids.(40, 55, 57) Indeed 

when inhibiting SCD‐1 by small molecule inhibitors or genetic knockdown induction of cell 

death was  observed  in  cancer  cells(38,  57)  and  this  is  a  result  of  a  strong  switch  in  the 

saturation grade of the mitochondrial lipid cardiolipin and as a consequence the induction 

of mitochondrial fragmentation and induction of cell death. 

Here we show  that colon CSCs are also sensitive  to  inhibition of  the SCD‐1 enzyme. The 

vulnerability  to  inhibition of  SCD‐1 activity was also  recently observed  in another  study 

where inhibition of SCD‐1 in lung CSCs resulted in a reduced stem cell marker expression 

and induced cell death.(41) These data are in agreement with what we observed in our colon 

CSCs model. One striking observation is the velocity of cell death induction, which appears 

to be much higher as compared to classical colon cancer cell lines. This is specific for BetA 

and not observed with SCD‐1 inhibition, which appears as effective in cancer cells and colon 

CSC cultures.(38) We previously have hypothesized that the rapid effect of BetA is due to a 

combined effect of BetA, on one hand blocking the production of unsaturated fatty acids, 

but  on  the  other  hand  increasing  turnover  of  lipids  and  thereby  the  incorporation  of 

saturated fatty acids.(38) This concept therefore may point to an additional effect of BetA on 

colon CSC cultures that strongly enhances the impact on these cells. At this point we have 

no definitive proof as  to  this effect, but  it  is  interesting  to note  that colon CSCs can be 

identified by their high level of lipid droplets when compared with differentiated tumor and 

even  more  so  when  compared  to  cancer  cell  lines.(58)  Lipid  droplets  are  fat  storing 

organelles, that are suggested to be involved in the storage, transport and metabolism of 

lipids, in signaling, and as a specialized microenviroment for metabolism.(59, 60) SCD‐1 plays 

an important role in lipid droplets formation and size. In SCD‐1 WT C. elegans, large‐sized 

lipid droplets were observed, while in SCD‐1 mutant C. elegans small‐sized lipid droplets are 

found.(61)  Small‐sized  lipid  droplets  are  also  found  in  patients  with  Berardinelli‐Seip 

congenital  lipodystrophy,  which  have  decreased  SCD‐1  activity.(62)  These  lipid  droplets 

Page 119: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death in colon cancer stem cells 

  117 

appear to be crucial for the CSCs and we hypothesize that BetA might interfere with these 

lipid droplets and therefore induces a very rapid induction of mitochondrial damage.(38) 

We conclude that SCD‐1 is a crucial player in the maintenance of stemness of cancer cells 

and inhibition is incompatible with long‐term survival. Targeting the activity of this enzyme 

in CSCs provides an effective means to target these cells and can be achieved either with 

direct chemical inhibitors or even more effectively with BetA.  

Material &Methods 

Chemicals/antibodies 

Betulinic acid (BioSolution Halle, Germany, >99% purity) was dissolved in DMSO at 4 mg/ml 

and stored at  ‐80°C. Oxaliplatin was purchased  from Sigma‐Aldrich  (St. Louis, MO, USA). 

Stearoyl‐CoA desaturase inhibitor (cat# 1716) was from Biovision (Milpitas, CA, USA). 

 

Isolation, Culture and Characterization of Colon Cancer Cells 

Colon cancer tissues were collected at the Department of Surgical and Oncological Sciences, 

and  CEMM  Department,  in  accordance with  the  ethical  standards  of  the University  of 

Palermo  and AMC  institutional  committees. Colon  spheroid  cultures were derived  from 

colorectal  cancer  patients  and maintained  in  stem  cell medium  (advanced  DMEM/F12 

(Gibco) supplemented with N2 Supplement (Gibco), 6 mg/ml glucose, 5 mM HEPES, 2 mM 

L‐glutamine,  4 μg/ml  heparin,  50 ng/ml  epidermal  growth  factor  and  10 ng/ml  basic 

fibroblast growth  factor) as previously described  (16). The colon CSC  lines obtained were 

subjected to genotypic characterization in order to validate each cell line’s individuality and 

their mutational  status  (Table 1),  and  further  tested  for  their  ability  to  generate  tumor 

xenografts that replicated the parental histology. Colon CSCs were characterized by their 

expression  of  the  putative  cancer  stem  cell markers  CD166‐PE  (3A6; mouse  IgG1k;  BD 

Biosciences), CD133‐APC (293C3; mouse IgG2bk; Miltenyi) and CD44v6‐APC (2F10; mouse 

IgG1; R&D systems), and CK20 (Ks20.8; mouse;  IgG2ak), a colonic differentiation marker, 

data were acquired by flow cytometry using a BD ACCURI C6 and analyzed using the FlowJo 

software (Tree Star Inc., Ashland, OR, USA). CK20 was detected by using a goat anti‐Mouse 

IgG (H+L) secondary antibody, Alexa Fluor®‐488 conjugate. RKO cells were obtained from 

ATCC (Manassas, VA, USA) and maintained in IMDM supplemented with 8% FCS, 2 mM L‐

glutamine, 40 U/ml penicillin and 40 mg/ml streptomycin.GTG7 and CC09 cells bear the TCF 

Optimal Promoter (TOP)‐green fluorescent protein (GFP) construct.(5) These cells, derived 

from  single‐cell  cloned TOPGFP  cultures,  still  show a big heterogeneity  in Wnt  signaling 

levels, which positively correlates with cancer stemness in colon CSCs.(63) 

 

Cell death analysis 

Cell death was determined by PI exclusion. In short, 50 000 single colon CSCs were seeded 

in a 24‐well plate and allowed to attach overnight. Cells were treated for  indicated time‐

Page 120: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 4 

118 

points with BetA or SCD‐1 inhibitor and harvested. The cell pellet was resuspended in 200 μl 

medium  and  stained  with  PI  at  0.5 μg/ml  just  before  measuring  by  flow  cytometry 

(FACSCanto, BD Biosciences). Samples were analyzed using FlowJo software (Tree Star Inc., 

Ashland, OR, USA).  

 

Cell Proliferation Assay 

For determination of cell viability, 1000 cells per well were plated in repellent surface for 

low  attachment  96‐well  plates  (CELLSTAR®  Cell‐Repellent  Surface, Greiner  Bio‐ One)  in 

medium containing vehicle (DMSO), 0.5 µM oxaliplatin or increasing doses of BetA. Viable 

cells were determined at  indicated time‐points using Cell Titer Blue (Promega, Fitchburg, 

WI, USA) by measurement of absorbance at 540 nm in a Synergy plate reader (Biotek). Cell 

viability at each concentration was expressed as OD cells – OD background. 

 

Limiting dilution assay 

The  self‐renewal  capacity  of  colon  CSCs  was  assayed  by  dissociation  of  colon  cancer 

spheroids. Colon CSCs were cultured  in adhesion o/n and pre‐treated 2 h with  indicated 

concentrations BetA or pre‐treated 48 h or 72 h with SCD‐1 inhibitor after which cells were 

collected and plated at serial dilution (1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 and 128 cells/ well) in 96 well 

microplates with  flat bottom and  repellent surface  for  low attachment  (CELLSTAR® Cell‐

Repellent  Surface,  Greiner  Bio‐  One),  using  a  FACS  Aria  II.  Results  were  statistically 

evaluated after 3 weeks by using the Extreme Limiting Dilution Analysis (ELDA) software.(64) 

 

Statistical analysis. 

Results are shown as the mean ± SD for at least three repeated independent experiments 

for each group. The mean and SD were obtained by analyzing three replicates using Prism 

5  (GraphPad  Software,  La  Jolla,  CA,  USA)  applying  a  2‐tailed  unpaired  Student  t‐test. 

Differences were considered significant when p values P < 0.05 (*); P < 0.01 (**); P< 0.001 

(***). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 121: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death in colon cancer stem cells 

  119 

Conflict of interest 

The authors declare no conflict of interest. 

Acknowledgements 

This work was supported by a grant of the Stichting Nationaal Fonds tegen Kanker (SNFK), 

Amsterdam, The Netherlands (L.P), by Associazione Italiana per la Ricerca sul Cancro (AIRC) 

to G.S. (AIRC IG 8730 and AIRC 19 5x1000) and Dutch Cancer Society Grants (UvA2012‐5425) 

to J.P.M. We would like to thank Louis Vermeulen for his valuable scientific input and helpful 

discussions and Kate Cameron  for her assistance with  fluorescence‐activated cell sorting 

experiments.  

Page 122: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 4 

120 

References  1. Jemal, A., et al., Global cancer statistics. CA Cancer J Clin, 2011. 61(2): p. 69‐90.  2.  Valent,  P.,  et  al.,  Cancer  stem  cell definitions and terminology: the devil is in the details. Nat Rev Cancer, 2012. 12(11): p. 767‐75.  3. Todaro, M., et al., CD44v6  is a marker of constitutive and reprogrammed cancer stem cells  driving  colon  cancer  metastasis.  Cell Stem Cell, 2014. 14(3): p. 342‐56.  4. Kemper, K., C. Grandela, and J.P. Medema, Molecular  identification  and  targeting  of colorectal  cancer  stem  cells.  Oncotarget, 2010. 1(6): p. 387‐95.  5. Vermeulen, L., et al., Wnt activity defines colon cancer stem cells and is regulated by the microenvironment. Nat Cell Biol, 2010. 12(5): p. 468‐76.  6.  Kinzler,  K.W.  and  B.  Vogelstein,  Lessons from hereditary colorectal cancer. Cell, 1996. 87(2): p. 159‐70.  7.  Fearon,  E.R.,  Molecular  genetics  of colorectal cancer. Annu Rev Pathol, 2011. 6: p. 479‐507.  8. Clevers, H., Wnt/beta‐catenin  signaling  in development and disease. Cell, 2006. 127(3): p. 469‐80.  9. Whissell, G., et al., The transcription factor GATA6  enables  self‐renewal  of  colon adenoma stem cells by repressing BMP gene expression. Nat Cell Biol, 2014. 16(7): p. 695‐707.  10. Lombardo, Y., et al., Bone morphogenetic protein 4 induces differentiation of colorectal cancer stem cells and increases their response to chemotherapy  in mice. Gastroenterology, 2011. 140(1): p. 297‐309.  11.  Kosinski,  C.,  et  al.,  Gene  expression patterns of human colon tops and basal crypts 

and BMP  antagonists  as  intestinal  stem  cell niche factors. Proc Natl Acad Sci U S A, 2007. 104(39): p. 15418‐23.  12.  He,  X.C.,  et  al.,  BMP  signaling  inhibits intestinal  stem  cell  self‐renewal  through suppression  of  Wnt‐beta‐catenin  signaling. Nat Genet, 2004. 36(10): p. 1117‐21.  13.  Sikandar,  S.S.,  et  al., NOTCH  signaling  is required  for  formation  and  self‐renewal  of tumor‐initiating  cells  and  for  repression  of secretory cell differentiation in colon cancer. Cancer Res, 2010. 70(4): p. 1469‐78.  14. Prasetyanti, P.R., et al., Regulation of stem cell  self‐renewal  and  differentiation  by Wnt and  Notch  are  conserved  throughout  the adenoma‐carcinoma  sequence  in  the  colon. Mol Cancer, 2013. 12(1): p. 126.  15.  Bu,  P.,  et  al.,  A  microRNA  miR‐34a‐regulated  bimodal  switch  targets  Notch  in colon cancer stem cells. Cell Stem Cell, 2013. 12(5): p. 602‐15.  16. Vermeulen, L., et al., Single‐cell cloning of colon cancer stem cells reveals a multi‐lineage differentiation capacity. Proc Natl Acad Sci U S A, 2008. 105(36): p. 13427‐32.  17. Todaro, M., et al., Colon cancer stem cells dictate tumor growth and resist cell death by production  of  interleukin‐4.  Cell  Stem  Cell, 2007. 1(4): p. 389‐402.  18. Ricci‐Vitiani,  L.,  et  al.,  Identification  and expansion  of  human  colon‐cancer‐initiating cells. Nature, 2007. 445(7123): p. 111‐5.  19. O'Brien, C.A., et al., A human colon cancer cell  capable  of  initiating  tumour  growth  in immunodeficient  mice.  Nature,  2007. 445(7123): p. 106‐10.  20.  Vermeulen,  L.,  et  al.,  The  developing cancer  stem‐cell  model:  clinical  challenges and opportunities. Lancet Oncol, 2012. 13(2): p. e83‐9.  

Page 123: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death in colon cancer stem cells 

  121 

21. Dylla,  S.J., et al., Colorectal  cancer  stem cells  are  enriched  in  xenogeneic  tumors following  chemotherapy.  PLoS  One,  2008. 3(6): p. e2428.  22. Colak, S., et al., Decreased mitochondrial priming determines chemoresistance of colon cancer  stem  cells.  Cell  Death  Differ,  2014. 21(7): p. 1170‐7.  23.  Medema,  J.P.,  Cancer  stem  cells:  the challenges ahead. Nat Cell Biol, 2013. 15(4): p. 338‐44.  24.  Jung,  P.,  et  al.,  Isolation  and  in  vitro expansion of human  colonic  stem  cells. Nat Med, 2011. 17(10): p. 1225‐7.  25.  Huang,  E.H.,  et  al.,  Aldehyde dehydrogenase 1  is a marker for normal and malignant human colonic stem cells (SC) and tracks  SC  overpopulation  during  colon tumorigenesis.  Cancer  Res,  2009.  69(8):  p. 3382‐9.  26.  Dalerba,  P.,  et  al.,  Phenotypic characterization of human  colorectal  cancer stem  cells.  Proc Natl  Acad  Sci U  S  A,  2007. 104(24): p. 10158‐63.  27. Fearon, E.R. and B. Vogelstein, A genetic model  for  colorectal  tumorigenesis.  Cell, 1990. 61(5): p. 759‐67.  28. Zeuner, A., et al., Colorectal cancer stem cells:  from  the  crypt  to  the  clinic. Cell  Stem Cell, 2014. 15(6): p. 692‐705.  29. Sadanandam, A., et al., A colorectal cancer classification  system  that  associates  cellular phenotype  and  responses  to  therapy.  Nat Med, 2013. 19(5): p. 619‐25.  30.  Kreso,  A.,  et  al.,  Variable  clonal repopulation  dynamics  influence chemotherapy response in colorectal cancer. Science, 2013. 339(6119): p. 543‐8.  31.  De  Sousa,  E.M.F.,  et  al.,  Cancer heterogeneity‐‐a  multifaceted  view.  EMBO Rep, 2013. 14(8): p. 686‐95. 

32.  De  Sousa,  E.M.F.,  et  al.,  Poor‐prognosis colon  cancer  is  defined  by  a  molecularly distinct subtype and develops  from serrated precursor  lesions. Nat Med,  2013.  19(5):  p. 614‐8.  33.  Zuco, V.,  et  al.,  Selective  cytotoxicity  of betulinic acid on tumor cell  lines, but not on normal cells. Cancer Lett, 2002. 175(1): p. 17‐25.  34. Rzeski, W., et al., Betulinic acid decreases expression  of  bcl‐2  and  cyclin  D1,  inhibits proliferation,  migration  and  induces apoptosis  in  cancer  cells.  Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol, 2006. 374(1): p. 11‐20.  35.  Mullauer,  F.B.,  J.H.  Kessler,  and  J.P. Medema, Betulinic acid, a natural compound with  potent  anticancer  effects.  Anticancer Drugs, 2010. 21(3): p. 215‐27.  36. Kessler, J.H., et al., Broad in vitro efficacy of  plant‐derived  betulinic  acid  against  cell lines derived from the most prevalent human cancer  types.  Cancer  Lett.,  2007.  251(1):  p. 132‐145.  37. Ehrhardt, H., et al., Betulinic acid‐induced apoptosis  in  leukemia cells. Leukemia, 2004. 18(8): p. 1406‐12.  38. Potze,  L., et al., Betulinic acid  induces a novel  cell  death  pathway  that  depends  on cardiolipin modification. Oncogene, 2015.  39.  Scaglia,  N.  and  R.A.  Igal,  Inhibition  of Stearoyl‐CoA  Desaturase  1  expression  in human  lung  adenocarcinoma  cells  impairs tumorigenesis.  Int  J  Oncol,  2008.  33(4):  p. 839‐50.  40. Scaglia, N.,  J.W. Chisholm, and R.A.  Igal, Inhibition  of  stearoylCoA  desaturase‐1 inactivates  acetyl‐CoA  carboxylase  and impairs  proliferation  in  cancer  cells:  role  of AMPK. PLoS One, 2009. 4(8): p. e6812.  

Page 124: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 4 

122 

41. Noto, A., et al., Stearoyl‐CoA desaturase‐1 is a key factor for lung cancer‐initiating cells. Cell Death Dis, 2013. 4: p. e947.  42.  Chan,  C.W.,  et  al.,  Gastrointestinal differentiation  marker  Cytokeratin  20  is regulated by homeobox gene CDX1. Proc Natl Acad Sci U S A, 2009. 106(6): p. 1936‐41.  43.  Fulda,  S.,  et  al.,  Betulinic  acid  triggers CD95  (APO‐1/Fas)‐  and  p53‐independent apoptosis  via  activation  of  caspases  in neuroectodermal  tumors. Cancer Res, 1997. 57(21): p. 4956‐64.  44. Colak, S. and  J.P. Medema, Cancer  stem cells‐‐important  players  in  tumor  therapy resistance. FEBS J, 2014. 281(21): p. 4779‐91.  45.  Mullauer,  F.B.,  J.H.  Kessler,  and  J.P. Medema, Betulinic acid induces cytochrome c release  and  apoptosis  in  a  Bax/Bak‐independent,  permeability  transition  pore dependent  fashion.  Apoptosis.,  2009.  14(2): p. 191‐202.  46.  Mullauer,  F.B.,  et  al.,  Betulinic  acid delivered  in  liposomes  reduces  growth  of human  lung  and  colon  cancers  in  mice without causing systemic toxicity. Anticancer Drugs, 2011. 22(3): p. 223‐33.  47. Menendez,  J.A.  and  R.  Lupu,  Fatty  acid synthase  and  the  lipogenic  phenotype  in cancer pathogenesis. Nat Rev Cancer, 2007. 7(10): p. 763‐77.  48. Sebastian, C., Tracking down the origin of cancer: metabolic reprogramming as a driver of  stemness  and  tumorigenesis.  Crit  Rev Oncog, 2014. 19(5): p. 363‐82.  49.  Schulze,  A.  and  A.L. Harris, How  cancer metabolism  is  tuned  for  proliferation  and vulnerable  to  disruption.  Nature,  2012. 491(7424): p. 364‐73.  50. Green, D.R., L. Galluzzi, and G. Kroemer, Cell biology. Metabolic control of cell death. Science, 2014. 345(6203): p. 1250256.  

51.  Scaglia,  N.,  J.M.  Caviglia,  and  R.A.  Igal, High  stearoyl‐CoA  desaturase  protein  and activity levels in simian virus 40 transformed‐human  lung  fibroblasts.  Biochim  Biophys Acta, 2005. 1687(1‐3): p. 141‐51.  52. Paton, C.M. and J.M. Ntambi, Biochemical and  physiological  function  of  stearoyl‐CoA desaturase. Am  J  Physiol  Endocrinol Metab, 2009. 297(1): p. E28‐37.  53.  Kumar‐Sinha,  C.,  et  al.,  Transcriptome analysis  of  HER2  reveals  a  molecular connection to fatty acid synthesis. Cancer Res, 2003. 63(1): p. 132‐9.  54.  Igal,  R.A.,  Stearoyl‐CoA  desaturase‐1:  a novel  key  player  in  the mechanisms  of  cell proliferation,  programmed  cell  death  and transformation  to  cancer.  Carcinogenesis, 2010. 31(9): p. 1509‐15.  55.  Li,  J., et al., Partial  characterization of a cDNA for human stearoyl‐CoA desaturase and changes  in  its  mRNA  expression  in  some normal  and  malignant  tissues.  Int.J.Cancer, 1994. 57(3): p. 348‐352.  56.  Falvella,  F.S.,  et  al.,  Stearoyl‐CoA desaturase  1  (Scd1)  gene  overexpression  is associated  with  genetic  predisposition  to hepatocarcinogenesis  in  mice  and  rats. Carcinogenesis, 2002. 23(11): p. 1933‐6.  57.  Scaglia,  N.  and  R.A.  Igal,  Stearoyl‐CoA desaturase  is  involved  in  the  control  of proliferation,  anchorage‐independent growth,  and  survival  in  human  transformed cells. J Biol Chem, 2005. 280(27): p. 25339‐49.  58.  Tirinato,  L.,  et  al.,  Lipid droplets:  a new player in colorectal cancer stem cells unveiled by  spectroscopic  imaging.  Stem  Cells,  2015. 33(1): p. 35‐44.  59.  Yang,  L.,  et  al.,  The  proteomics  of  lipid droplets:  structure, dynamics,  and  functions of  the organelle  conserved  from bacteria  to humans. J Lipid Res, 2012. 53(7): p. 1245‐53.  

Page 125: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death in colon cancer stem cells 

  123 

60. Walther,  T.C.  and  R.V.  Farese,  Jr.,  Lipid droplets and cellular  lipid metabolism. Annu Rev Biochem, 2012. 81: p. 687‐714.  61. Shi, X., et al., Regulation of  lipid droplet size  and  phospholipid  composition  by stearoyl‐CoA  desaturase.  J  Lipid  Res,  2013. 54(9): p. 2504‐14.  62. Boutet, E., et al., Seipin deficiency alters fatty  acid  Delta9  desaturation  and  lipid droplet  formation  in  Berardinelli‐Seip congenital  lipodystrophy.  Biochimie,  2009. 91(6): p. 796‐803.  63. Ben‐David, U., et al., Selective elimination of human pluripotent stem cells by an oleate synthesis  inhibitor  discovered  in  a  high‐throughput  screen.  Cell  Stem  Cell,  2013. 12(2): p. 167‐79.  64.  Hu,  Y.  and  G.K.  Smyth,  ELDA:  extreme limiting  dilution  analysis  for  comparing depleted  and  enriched  populations  in  stem cell  and  other  assays.  J  Immunol Methods, 2009. 347(1‐2): p. 70‐8. 

 

Page 126: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 4 

124 

Supplementary figures 

 

Supplementary Figure 1. BetA‐induced cell death in colon cancer cells (A, B) RKO cells were treated for 2 

h, 4 h, and 8 h with indicated concentrations of BetA after which cell death was assessed via PI exclusion. 

Representative FACS plots of RKO cells treated for 8 h with DMSO or 10 µg/ml BetA are shown in A. Mean 

± SD of 3 experiments are shown. P < 0.05 (*); P < 0.01 (**); P< 0.001 (***). 

 

 

 

Supplementary  Figure  2.  Clonogenicity  in  colon  cancer  cells  RKO  cells were  pre‐treated  for  2  h with 

indicated  concentrations BetA  after which  limiting dilution  experiments were performed  and  stem  cell 

frequency was calculated. 

 

0

20

40

60

80

100

% P

Ipos

2 h 4 h 8 h

0 µg/ml BetA2.5 µg/ml BetA5 µg/ml BetA7.5 µg/ml BetA10 µg/ml BetA

***

**

3.7%

DMSO

24.1%

BetA

FCS-H

% P

Ipos

A B

****

****

0.0

0.5

1.0

1.5

fold

cha

nge

in s

tem

c

ell f

requ

ency

0 2.5 5 7.5 µg/ml BetA

10

Page 127: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  BetA‐induced cell death in colon cancer stem cells 

  125 

 

Supplementary Figure 3. Long term assay on CSCs. (A) GTG7 and CC09 (B) colon CSCs were treated with 0.5 

µM oxaliplatin for 24 h or indicated concentrations BetA (µg/ml) for 2 h after which cells were left to grow. 

Pictures (10x magnification) were taken at day 10 after which the number of cells were determined with 

cell titer blue. (C) GTG7 and CC09 (D) colon CSCs were treated with indicated concentrations oxaliplatin (μM) 

for 24 h after which cells were plated and cell numbers were measured at different time points using cell 

titer blue. (E) GTG7 and CC09 (F) colon CSCs were treated with indicated concentration oxaliplatin (μM) for 

24 h after which cells were left to grow. Pictures (4x magnification) were taken at day 15 after which the 

number of cells were determined with cell titer blue. 

 

5

OXA 0 2.5

7.5 10

A BOXA 0 2.5

5 7.5 105

C D

E F

0 5 10 15days

0

500

1000

1500

cell

titer

blu

e (

OD

)

GTG7 CC09

0

500

1000

1500ce

ll tit

er b

lue

(O

D)

0 5 10 15days

20

00.51.02.55.010

5

0 0.5 1.0

2.5 10 5

0 0.5 1.0

2.5 10

Page 128: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 129: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

   

Chapter 5 

 Improved identification of lipids using 

physico‐chemical properties: application 

to lipidomics analysis of Betulinic acid 

treatment  

Lisette Potze, Mia L. Pras‐ Raves, Henk van Lenthe, Martin A.T 

Vervaart, Jan H. Kessler, Angela C. Luyf, Jan Paul Medema, 

Antoine H. C. van Kampen, Frédéric M. Vaz 

 

Under review at Journal of Lipid Research 

 

 

 

 

 

“Who in the world am I? Ah, that’s the great puzzle.” 

Lewis Carroll, Alice in Wonderland 

Page 130: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 5 

128 

Abstract 

The  correct  identification  of  all metabolites  in  LC‐MS  lipidomic  experiments  is  a  time‐

consuming step  in the data analysis process. Here we describe a method which not only 

uses the mass and retention time of peaks, but also incorporates the elution pattern of the 

phospholipid cluster to  improve the  identification of phospholipid species. Thus, even at 

low  resolution  (<10,000),  a  clear distinction  can be made between  chromatographically 

separated isobaric lipids such as phosphatidylglycerol and bis(monoacylglycero)phosphate, 

between  phosphatidylethanolamine  (PE)  and  plasmalogen  PE,  and  between 

phosphatidylserine and phosphatidylinositol. The method  is  illustrated using a  lipidomics 

data set acquired on a low resolution triple quadrupole MS to investigate the effect of the 

anti‐cancer drug Betulinic acid in HeLa cells. 

List of abbreviations: 

PL    phospholipid 

IS    internal standard 

BMP    bis(monoacylglycero)phosphate 

CL    cardiolipin 

mlCL    monolyso‐cardiolipin 

PE    phosphatidylethanolamine 

pPL    PL plasmalogen  

aPL    O‐alkyl PL 

PI    phosphatidylinositol 

PS    phosphatidylserine 

PG    phosphatidylglycerol 

PC    phosphatidylcholine 

LPL    lyso‐PL 

ST    sulfatide 

m/z    mass over charge ratio 

RT    retention time 

BetA    Betulinic acid 

SCD‐1    Stearoyl‐CoA desaturase 1 

 

 

 

 

 

Page 131: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Improved identification of lipids using physico‐chemical properties 

  129 

Introduction 

Lipidomics  is  the  comprehensive  study  of  the  lipid  composition  of  cells,  organelles  or 

biofluids (1). The combination of (ultra‐)high‐performance liquid chromatography ((U)HPLC) 

and mass  spectrometry  (MS)  is  instrumental  in  the measurements  of  lipids  in  complex 

samples (2). Despite the progress and technical advances in the field in the last decade, there 

are still many challenges. First, the chromatographic separation of lipids is challenging due 

to the complexity of the samples, matrix effects, and the sheer number of different, but 

very similar, metabolites  (3, 4).  Inadequate separation will produce complex mass spectra 

that  are  more  difficult  to  analyze  due  to,  for  example,  overlapping  peaks  in  the 

chromatographic  and/or mass  domain.  Secondly,  current  data  pre‐processing methods 

produce peak tables containing monoisotopic and isotope peaks based on their retention 

time  and  m/z  values,  often  still  requiring  intervention  and  correction  by  experts 

experienced with LC‐MS spectra to reduce the number of false positive and missing peaks. 

This makes the pre‐processing of raw MS data very time consuming but, surprisingly, data 

pre‐processing receives relatively little attention in literature (5). Finally, the assignment of 

metabolites  to all peaks  in  the peak  lists  is a major bottleneck. Frequently, only a small 

fraction of the observed peaks can be reliably assigned to a compound. This complicates 

further  data  analysis  and  comprehensive  biological  interpretation.  The  assignment  of 

compounds  generally  requires  a  combination  of  knowledge  of  expected  metabolites, 

internal standards, fragmentation patterns and spectral databases to which MS spectra can 

be  compared  (6).  There  are  several  repositories  and  search  engines  to  assist  in  the 

identification of phospholipids (PLs), including Lipid Maps (Lipidomics Gateway), containing 

over 30,000 lipid species (3, 7) and Lipid Search (8) consisting of more than 200,000 structures. 

The  LipidBlast  database  combines  computer‐generated  spectra  and  experimental 

fragmentation data, describing about 120,000 structures for lipids (9) while online databases 

such as VaLID (5) aid in the identification of glycerophospholipids based on their molecular 

mass and provide visualization of the molecules. Database searches, however, are generally 

conducted peak by peak, thus ignoring the pattern that is formed by the whole cluster of 

PLs  that belong  to  the  same  class,  a pattern which  is  caused by  similarities  and  subtle 

differences in their physico‐chemical properties. In a normal‐phase LC system, PLs with the 

same head group will have roughly the same RT, but within such a cluster, the inclusion of 

an extra –CH2– group or the presence of an additional double bond in one of the side chains 

will influence the observed RT of the PLs. The resolution of the MS measurements is another 

important factor  in the ease of the  identification. Higher resolutions yield more accurate 

m/z values, which enables  the determination of  the exact elemental composition of  the 

underlying metabolite, even though this may not always pinpoint a unique  identifier (for 

example, bis(monoacylglycero)phosphate  (BMP)  and phosphatidylglycerol  (PG) have  the 

same elemental composition but different chemical structures). Querying m/z values from 

low‐resolution MS  (resolution < 10,000)  in a  reference database  results  in a  long  list of 

Page 132: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 5 

130 

candidate metabolites for every peak, rendering the identification process time‐consuming 

and error‐prone. Many clinical diagnostics laboratories currently make extensive use of low‐

resolution single‐ or tandem mass filter (quadrupole) setups (10), for which the usefulness of 

brute force database searches, without regard for the context of the peak, is limited. 

With  the  aim  of  reducing  the  amount  of  work  that  is  required  for  the  analysis  and 

interpretation of the results of a data set after pre‐processing, we describe a method which 

not  only uses  the mass  and  retention  time  of  peaks, but  also  incorporates  the  elution 

pattern of the phospholipid cluster to  improve the  identification of phospholipid species. 

We have integrated our identification method with XCMS (11), which is an R package widely 

used for the analysis of metabolomics data, into a pipeline which includes functionalities for 

isotope correction and normalization of intensities for assigned peaks (Figure 1).  

To test our lipidomics pipeline we made use of a data set of HeLa cells treated with Betulinic 

acid (BetA). BetA is a plant‐derived compound that shows selective cytotoxicity for tumor 

cells while healthy cells remain unaffected  (12, 13). Recently, we showed that BetA  induces 

apoptosis by  inhibition of stearoyl‐CoA desaturase 1  (SCD‐1), resulting  in changes of  the 

side‐chain  saturation  of  cardiolipin  (CL,  a  phospholipid  mainly  located  in  the  inner 

membrane of mitochondria) and impaired mitochondrial morphology. We concluded that 

CL  is a crucial player  in mitochondrial  integrity that  is strongly dependent on the  level of 

saturation of its side chains. However, in the above‐mentioned study we only focused on 

PG, the precursor of CL, and on CL itself (13). Therefore, we revisited this data set to perform 

a complete  lipidomics analysis  to  investigate  the effect of BetA on  the  full  lipidome and 

demonstrate the usefulness of our pattern recognition algorithm. 

 

Results 

Data processing:  

We developed a method that facilitates the assignment of lipid compound names to peak 

groups originating from the same class of PLs. We have integrated our identification method 

with  XCMS  (11),  a  software  package  in  the  R  programming  language  (http://www.R‐

project.org) which is widely used for the analysis of metabolomics data.  

A typical full scan analysis yields between 1000 and 10,000 peak groups. Each of these peak 

groups is characterized by the median m/z and median RT of all the peaks from the different 

samples.  For  pre‐processing  packages  such  as  XCMS  (11),  this  is  the  final  output.  The 

assignment of compound labels to each peak group is then in the hands of the user. 

Page 133: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Improved identification of lipids using physico‐chemical properties 

  131 

 

Figure 1: Schematic  representation of  the  lipidomics pre‐processing pipeline. Raw data  files are obtained  for 

every  sample;  the  pre‐processing  pipeline  using  XCMS,  followed  by  identification,  isotope  correction  and 

normalization yields the final annotated peak list. 

 

Plotting  the peak groups  (Figure 2)  immediately allows  the experienced eye  to observe 

clusters, which are the result of groups of phospholipids with the same head group but with 

different side‐chain compositions. The addition of internal standards (IS) per class of PLs to 

the samples not only serves for normalization and quantification purposes: identification of 

the IS peaks in the peak group list enables the determination of the location of the entire 

cluster  of  peaks  originating  from  compounds  from  the  same  class,  and  aids  in  the 

identification of all peaks in this region. Specific head group scans, such as neutral‐loss or 

precursor‐ion scans, can also be helpful in locating clusters of PLs. Rather than relying only 

on the match to a theoretical mass of a compound, our method makes use of the systematic 

pattern that  is formed by all the compounds  in the same PL class upon normal‐phase LC 

separation.  This pattern  is  the  result of differences  in mobility on  the  LC  column of PL 

molecules with different  side‐chain  compositions. On  a normal‐phase  column,  PLs with 

longer side chains have a lower RT, due to a decreased polarity of the molecules. In addition, 

as the number of double bonds  in the combined side chains  increases, the RT decreases. 

These patterns can be used to aid  in the assignment of PL names to peak groups. This  is 

illustrated in Figure 3A and B, which shows the CL region in close‐up, and described in the 

methods  section  in  detail.  Resulting  data  files  are  available  as  supplemental  files 

(supplemental files 1‐4).  

Peak finding

Matching peaks across samples

Fill in missing peak data

Retention time correction

Identification Isotope correction Normalization

Visualization Statisti cal Analysis

RawRaw RawRaw RawRaw

Peaklist

Page 134: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 5 

132 

 Figure 2: All peaks in lipidomics data set. Clusters observed in PL peak groups in negative (lower panel) and 

positive scan mode (top panel, only precursor ion scan m/z 184 (PR184) is shown). Every peak group that 

was obtained using XCMS is plotted as a black dot. Several clusters of peak groups can be identified and are 

labeled  in  the  figure, with a  line showing  the direction of  the peak groups  in each cluster. Peak groups 

observed in positive PR184 scan mode are shown above the horizontal line at RT=8.5 minutes; below the 

line are the peak groups in negative mode. 

 

Page 135: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Improved identification of lipids using physico‐chemical properties 

  133 

 

Figure 3: Pattern observed in doubly charged cardiolipin. (A) The full CL cluster, starting in the upper left‐

hand  corner with  the  IS  peak,  CL(56:0).  (B)  Close‐up  of  CL(64:x)  up  to  CL(66:y).  For  chromatographic 

separation with a normal‐phase column, the RT of the compounds decreases with increasing (combined) 

chain length and number of double bonds in the chains. Dots represent the median location of all samples 

in a peak group. The size of the circle indicates the relative average intensity of those peaks on an arbitrary 

scale. 

Page 136: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 5 

134 

For the data set described in this paper, which was measured at relatively low resolution 

(approximately 2000 at m/z 500), we were able to  identify metabolites from 9 classes  in 

negative scan mode (BMP, CL, mlCL, PG, PA, PE, pPE, PI, PS), and as many as 40% of all peak 

groups could be identified as either belonging to monoisotopic peaks (e.g. metabolites) or 

to corresponding  isotope peaks.  In positive scan mode (precursor‐ion scan for m/z 184.1 

(PR184) and neutral‐loss scan for m/z 141.1 (NL141)), 10 classes (LPC, LpPC, PC, pPC, aPC, 

SM in PR184 and LPE, PE, pPE, aPE in NL141) and more than half of all peak groups could be 

identified in PR184 and NL141, (Table 1, supplemental tables I‐IV). Other regions in the m/z 

versus RT space contain either noise, peaks from unknown PL classes, or peaks originating 

from compounds other than PLs. In neutral‐loss or precursor‐ion spectra, where only one 

class of PL is studied, the success rate of the identification is higher than for full‐ion scans 

(supplemental tables II and III).This method works equally well for low‐resolution lipidomics 

data as for high‐resolution measurements (data not shown). 

 

Figure 4: Total phospholipid levels in BetA or vehicle treated cells. Highly abundant PLs (PE, PS, PC and SM) 

(A) and less abundant PLs (BMP, CL, LPC, PG, PA) (B) for DMSO (vehicle) and BetA treated cells are depicted. 

*=P<0.05, ***=P<0.001 

 

Analysis of the BetA data set using the pattern recognition algorithm  

Differences between  the  cells  treated with vehicle  (DMSO) and BetA  treated  cells were 

found  in different phospholipid  classes  (Figure 4A  and B). The most  significant  changes 

occurred in the total levels of BMP and PG: BetA reduces total BMP levels while PG levels 

are increased after treatment with BetA. There were effects on PC and LPC levels (elevated 

in BetA) as well, although they were less pronounced. Further analysis within the PL clusters 

showed that BetA induced an increase in intensity for saturated CL (number of double bonds 

less than 4) and a decrease for poly‐unsaturated CL (4 double bonds and up), compared to 

the  control  (DMSO)  samples  (Figure 5). This effect  is not observed  in PG or BMP, even 

though PG is the precursor for CL (Supplemental Figure IA and IB). 

Page 137: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Improved identification of lipids using physico‐chemical properties 

  135 

 

Figure 5: Heatmap of differences  in cardiolipin composition. The cardiolipins have been sorted by total 

number of double bonds  in the combined side chains; only CL(64:x) through CL(70:y) are shown. A clear 

distinction between mostly saturated CLs (number of double bonds <4) and poly‐unsaturated CLs (number 

of double bonds > 3) can be seen. 

 

Page 138: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 5 

136 

Discussion 

Being able to automatically identify metabolites greatly speeds up the data analysis process 

for metabolomics experiments. Querying m/z values in different (online) databases is not 

always practical: it often yields multiple assignments for a metabolite, sometimes none. In 

any  case,  the  analysis  of  the  data  sets  requires  considerable  attention  and  time  from 

metabolomics experts which  in practice  results  in a bottleneck  since  individual datasets 

contain hundreds to thousands of peak groups (and considerably more for high‐resolution 

data sets). The pre‐processing lipidomics pipeline described in this paper is suitable both for 

low‐resolution (the data set described here has a resolution of approximately 2000 at m/z 

500) and for high‐resolution data (120,000 at m/z 500 for a Thermo Scientific Q‐Exactive 

plus). For low‐resolution data, the greatest benefit of our method is in the disambiguation 

of peaks with almost identical mass, such as PE and pPE. For high‐resolution data, the main 

advantage is that a great number of peaks can be rapidly and reliably identified. 

The pipeline yields peak tables and plots per class and per section of a class for all identified 

PLs,  such  as  illustrated  for  CL  in  Figure  3.  This  enables  the  user  to  check whether  the 

identification process has given the correct result. In many cases, analyzing the lipidome of 

a  biological  system  gives  considerably  more  insight  into  the  underlying  biochemical 

processes  than one would get when  focusing on only one PL  class. One of our goals  is 

therefore  to  identify  as  many  PL  classes  as  we  possibly  can.  When  identifying  PLs 

incorporated in the current pipeline we essentially perform a targeted analysis. Yet, we also 

spot unknowns which may represent relevant differences between the investigated groups 

which  can  be  further  investigated.  In  the  current method,  it  is  fairly  easy  to  add  new 

(phospho)lipid  classes  based  on  their  chemical  composition  and  physico‐chemical 

properties. 

The  method  works  well  for  low‐resolution  data  as  it  addresses  and  aids  to  resolve 

ambiguous phospholipid assignments. PG and BMP, for example, are two classes of PLs that 

have the exact same chemical formula and therefore the same m/z. Using our algorithm in 

combination with appropriate chromatographic separation and internal standards achieves 

the correct identification of compounds from each class. Another example is PE and pPE, 

which differ in chemical structure but at low resolution cannot be distinguished based on 

m/z alone. In this case, the difference in polarity causes a distinct shift in the pattern of the 

peaks observed for each of these clusters, so that the ambiguity can be resolved and PE and 

pPE can be distinguished. A third example is PI and PS, which often co‐elute. Since PSs have 

even masses and PI have odd masses in ionized state, the first isotope of one species often 

overlaps with the monoisotopic peak of the other species. Identification followed by isotope 

correction can then solve this problem and annotate species of both PL classes. 

For high‐resolution data, the accuracy of the observed m/z values is higher and the peaks 

are much narrower on the m/z‐axis, so that there is much less overlap between different 

Page 139: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Improved identification of lipids using physico‐chemical properties 

  137 

peaks.  This  results  in  a much  greater  number  of  peak  groups,  but  the  percentages  of 

identified metabolites are still comparable to what we find for low‐resolution data (data not 

shown). At high resolution, the benefit of this method is in the larger number of peaks that 

can be identified in an automated fashion, without (or with minimal) human intervention. 

Material and Methods 

Chemicals 

Betulinic acid (BioSolution Halle, Germany, >99% purity) was dissolved in DMSO at 4 mg/ml 

and stored at ‐80°C.  

 

Cell culture 

HeLa cells were obtained from the ATCC. Cells were cultured in IMDM supplemented with 

8% FCS, 2mM L‐glutamine, 40 U/ml penicillin and 40 µg/ml streptomycin. 

 

Mass spectrometry  

Cell pellets were resuspended in water and sonicated for 30 s (8 W) using a tip sonicator. 

Protein  concentration  of  the  homogenates  was  determined  according  to  the  BCA 

protocol(14).  Phospholipids  were  extracted  using  a  single‐phase  extraction.  A  defined 

amount of internal standards (0.1 nmol of CL(14:0)4 , 0.2 nmol of BMP(14:0)2 , 2.0 nmol of 

PC(14:0)2 , 0.1 nmol of PG(14:0)2 , 5.0 nmol of PS(14:0)2 , 0.5 nmol of PE(14:0)2 , 1.0 nmol 

of PA(14:0)2 , 2.0 nmol of SM(14:0)2 , 0.02 nmol of LPG(14:0), 0.1 nmol of LPE(14:0), 0.5 

nmol of LPC(14:0), 0.1 nmol of LPA(14:0) (purchased from Avanti Polar Lipids, Alabaster, AL, 

USA),  dissolved  in  120  µL  of  chloroform/methanol  (1:1,  v/v))  and  1.5  mL  of 

chloroform/methanol  (1:1, v/v) were added to cell homogenates that contained 1 mg of 

protein. Subsequently, the mixture was sonicated  in a water bath for 5 min, followed by 

centrifugation at 15.000 x g for 5 min. The organic layer was transferred to a glass vial and 

evaporated  to  dryness  under  a  nitrogen  steam  at  60ᵒC.  Subsequently,  the  residue was 

dissolved  in  200  µL  of  chloroform/methanol/water  (50:45:5,v/v/v)  containing  0.01%  of 

NH4OH,  and  20  µL  of  the  solution  was  injected  into  the  liquid  chromatography‐mass 

spectrometry  (LC/MS)  system.  LC/MS  analysis  was  performed  as  described  in  (15).  In 

negative  mode,  mass  spectra  of  phospholipid  molecular  species  were  obtained  by 

continuous scanning from m/z 380 to m/z 1100 with a scan time of 1 s. In positive mode, 

mass spectra of PC, LPC and SM were obtained by continuous scanning for product ions with 

m/z 184 from m/z 400 to 1000. Mass spectra for PE, LPE and PE plasmalogens were obtained 

by  scanning on neutral  losses of 141  from m/z 400  to 1000. The  raw  LC/MS data were 

converted to mzXML format using msConvert (16) for the negative scan data and ReAdW (17) 

for the positive specific scan data.  

 

 

 

Page 140: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 5 

138 

Data pre‐processing  

All LC‐MS spectra of the samples were pre‐processed with XCMS (11). In brief, in the first 

step  all  peaks  in  the  individual  LC‐MS  spectra were  found  using  the matched  filtration 

method. The XCMS function ‘matchedFilter’ was used with parameters fwhm=11, max=5, 

snthresh=7,  steps=2,  profMethod=Intlin,  step=0.2,  mzdiff=0.2.  Some  spectra  from  the 

negative scan mode contain neighboring or partly overlapping peaks (e.g., for PG and BMP) 

that  have  identical m/z  values  and  similar  retention  times.  To  detect  such  peaks  we 

modified  the  matched  filtration  method  by  recalculating  the  second‐order  derivative 

Gaussian  filter  after  the  integration  of  each  peak  within  the  same m/z  slice.  For  the 

precursor  ion scans, we minimized  the number of  false positive peaks by  retaining only 

peaks with at least three consecutive points above the signal‐to‐noise threshold in the peak 

list. 

After peak finding, peaks from different samples were matched and grouped together into 

a peak group, while accounting for small variations in m/z and retention time. The XCMS 

‘group’  function  was  used  with  parameters  family=symmetric  and  smooth=linear. 

Subsequently, chromatograms  from  the  samples were aligned with  the  function  ‘retcor’ 

(minfrac=0.80, bw=2). In the last step of XCMS, a table was generated comprising the peak 

groups, with median mass and retention time calculated from all samples. 

 

Assignment of compound names 

For  the  identification of metabolites,  the assignment of compound  labels  from a certain 

class of PL was limited to a subset of peak groups, contained within a box spanning a specific 

m/z  and  retention  time  range,  covering  the whole  PL  cluster.  Subsequently,  a  line was 

defined (as shown  in Figure 3a) that runs through the cluster of peak groups. Compound 

names were then assigned to peak groups that are in close proximity to the line. Duplicate 

assignments were resolved based on the likelihood of each separate assignment to occur, 

taking into account the patterns of peaks. The steps in the assignment are explained in more 

detail below: 

Step 1. Generation of an m/z look‐up table for lipid compounds; 

Step 2. Assignment of labels within a PL cluster; 

Step 3. Collecting all peak groups; 

Step 4. Manual correction of incorrect assignments. 

 

Step 1. Generation of an m/z look‐up table for PL compounds. A look‐up table, containing 

the chemical composition and corresponding masses  (m/z)  in positive and negative scan 

modes  for all  theoretically possible combinations of chain  length and number of double 

bonds  for every  class of PL, was generated. For a  single  fatty acid  side  chain,  the chain 

lengths ranged from 14 to 28, and the number of double bonds ranged from 0 to 6; multiples 

of  these were used  for  PLs with more  than one  variable  side  chain.  For  each  chemical 

Page 141: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Improved identification of lipids using physico‐chemical properties 

  139 

structure, the expected isotope percentages were calculated using the R package Rdisop (18) 

and added to the table. 

 

Step 2. Assignment of labels within a PL cluster. A plot of median m/z versus median RT for 

all peak groups (Figure 2) was used to determine the location of the clusters of peak groups 

that originated from the same class of PL. For each PL class, an m/z and RT box was defined 

based on visual inspection of the plot and a line through two peak groups in the cluster was 

used to define the location and direction (slope) of the peak groups in that particular cluster 

(Figure 3). Assignments of PLs within a cluster were done by matching the m/z of each peak 

group  to  the masses  in  the compound  look‐up  table, allowing  for small deviations  (±0.2 

atomic units for the data set described in this paper, or ±3 ppm for high‐resolution data). 

The  context  of  the  peaks  was  also  incorporated  in  the  assignment  step:  checking  for 

systematic  patterns  in  lines  of  compounds  with  the  same  chain  length  or  degree  of 

saturation  (Figure 3B). Whenever more  than one assignment within  the  same class was 

possible, (e.g., PC(37:0) or PC(38:7), both with m/z 804.6), the most likely assignment was 

chosen. For the assignment of peaks from doubly‐charged molecular species (e.g. CL and 

mlCL), only peaks with isotope peaks at m/z ± 0.5 were considered.  

 

Step 3. Collecting all peak groups. The lists of peak groups for each PL class, assigned in Step 

2, were collated. Multiple assignments for one peak (e.g., PC(38:7) or pPC(39:6), m/z 804.6), 

were resolved based on the patterns of the peak groups in the different clusters. 

All assigned peak groups were then mapped back onto the original peak group list, so that 

the full list contains a combination of assigned and non‐assigned peaks. 

 

Step 4. Manual correction of incorrect assignments. By investigating the assignments in the 

close‐up plots that were generated for every PL cluster (Figure 3B), erroneous or suspicious 

assignments were edited and corrected. Generally, about 95% of the assigned peak groups 

were identified correctly by the pipeline. 

 

Data processing 

After the identification of the monoisotopic peaks for different PLs, their isotope peaks were 

marked in the peak group list. Intensities for observed isotope peaks were corrected using 

the method described by  (19)  in order to obtain deconvoluted  intensities for peak groups 

which  overlap with  isotope  peaks  from  other  compounds.  For  normalization  purposes, 

intensities of peaks belonging to a certain PL class were scaled to the response of the IS of 

that class. Thus, the intensity of the IS peak was set to the corresponding concentration of 

that IS that was added to each sample, and the intensities of the other peaks of the same 

PL class could be estimated semi‐quantitatively, relative to that of the IS peak. Lastly, the 

intensities of all peaks were normalized to the protein concentration of the homogenate.  

Page 142: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 5 

140 

The result of the pre‐processing pipeline as described, is a table in Excel format that contains 

all measured peak groups, characterized by  their median m/z and RT values and, where 

possible, their identified compound name (see supplemental files 1‐4). Isotope‐corrected, 

normalized  intensities and per‐feature  statistics based on  the normalized and  corrected 

values are included in the table, as well as EIC plots for the peak areas and boxplots, to allow 

for quick visual assessment of the various peaks. 

 

Acknowledgement/grant support 

L.P. was supported by a grant of Stichting Nationaal Fonds Tegen Kanker (SNFK) in the 

Netherlands. 

Page 143: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Improved identification of lipids using physico‐chemical properties 

  141 

References  

1. Vaz, F. M., M. Pras‐Raves, A. H. Bootsma, and A. H. van Kampen. 2015. Principles and practice of lipidomics. J Inherit Metab Dis 38: 41‐52.  2. Hermansson, M., A. Uphoff, R. Kakela, and P. Somerharju. 2005. Automated quantitative analysis  of  complex  lipidomes  by  liquid chromatography/mass  spectrometry.  Anal Chem 77: 2166‐2175.  3.  Fahy,  E., D. Cotter, R. Byrnes, M.  Sud, A. Maer,  J.  Li,  D.  Nadeau,  Y.  Zhau,  and  S. Subramaniam.  2007.  Bioinformatics  for lipidomics. Methods Enzymol 432: 247‐273.  4. Sparvero, L. J., A. A. Amoscato, C. E. Dixon, J. B. Long, P. M. Kochanek, B. R. Pitt, H. Bayir, and  V.  E.  Kagan.  2012.  Mapping  of phospholipids  by  MALDI  imaging  (MALDI‐MSI):  realities  and  expectations. Chem Phys Lipids 165: 545‐562.  5.  Blanchard,  A.  P.,  G.  S.  McDowell,  N. Valenzuela, H. Xu, S. Gelbard, M. Bertrand, G. W. Slater, D. Figeys, S. Fai, and S. A. Bennett. 2013.  Visualization  and  Phospholipid Identification  (VaLID):  online  integrated search  engine  capable  of  identifying  and visualizing  glycerophospholipids  with  given mass. Bioinformatics 29: 284‐285.  6.  Boccard,  J.,  J.  L.  Veuthey,  and  S.  Rudaz. 2010. Knowledge discovery in metabolomics: an overview of MS data handling. J Sep Sci 33: 290‐304.  7. Sud, M., E. Fahy, D. Cotter, E. A. Dennis, and S.  Subramaniam.  2012.  LIPID  MAPS‐Nature Lipidomics Gateway: An Online Resource  for Students and Educators Interested in Lipids. J Chem Educ 89: 291‐292.  8. Taguchi, R., and M. Ishikawa. 2010. Precise and  global  identification  of  phospholipid molecular  species  by  an  Orbitrap  mass spectrometer  and  automated  search  engine Lipid  Search.  J  Chromatogr  A  1217:  4229‐4239. 

9. Kind, T., K. H. Liu, Y. Lee do, B. DeFelice, J. K. Meissen, and O. Fiehn. 2013. LipidBlast  in silico tandem mass spectrometry database for lipid identification. Nat Methods 10: 755‐758.  10.  Grebe,  S.  K.,  and  R.  J.  Singh.  2011.  LC‐MS/MS  in the Clinical Laboratory  ‐ Where to From Here? Clin Biochem Rev 32: 5‐31.  11.  Smith,  C.  A.,  E.  J. Want, G. O'Maille,  R. Abagyan,  and  G.  Siuzdak.  2006.  XCMS: processing  mass  spectrometry  data  for metabolite  profiling  using  nonlinear  peak alignment, matching, and identification. Anal Chem 78: 779‐787.  12.  Mullauer,  F.  B.,  L.  van  Bloois,  J.  B. Daalhuisen, M.  S.  Ten Brink, G.  Storm,  J.  P. Medema, R. M. Schiffelers, and J. H. Kessler. 2011.  Betulinic  acid  delivered  in  liposomes reduces  growth  of  human  lung  and  colon cancers  in  mice  without  causing  systemic toxicity. Anticancer Drugs 22: 223‐233.  13. Potze, L., S. Di Franco, C. Grandela, M. L. Pras‐Raves, D.  I. Picavet, H. A.  van Veen, H. van Lenthe, et al. 2015. Betulinic acid induces a novel cell death pathway  that depends on cardiolipin modification. Oncogene.  14. Smith, P. K., R. I. Krohn, G. T. Hermanson, A. K. Mallia, F. H. Gartner, M. D. Provenzano, E. K. Fujimoto, N. M. Goeke, B. J. Olson, and D. C. Klenk. 1985. Measurement of protein using bicinchoninic acid. Anal Biochem 150: 76‐85.  15.  Houtkooper,  R.  H.,  R.  J.  Rodenburg,  C. Thiels, H. van Lenthe, F. Stet, B. T. Poll‐The, J. E.  Stone,  C.  G.  Steward,  R.  J.  Wanders,  J. Smeitink,  W.  Kulik,  and  F.  M.  Vaz.  2009. Cardiolipin  and monolysocardiolipin  analysis in fibroblasts, lymphocytes, and tissues using high‐performance  liquid  chromatography‐mass  spectrometry  as  a  diagnostic  test  for Barth syndrome. Anal Biochem 387: 230‐237.  16. Chambers, M. C., B. Maclean, R. Burke, D. Amodei,  D.  L.  Ruderman,  S.  Neumann,  L. Gatto, et al.. 2012. A cross‐platform toolkit for mass  spectrometry  and  proteomics.  Nat Biotechnol 30: 918‐920. 

Page 144: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 5 

142 

17.  Pedrioli,  P.  G.,  J.  K.  Eng,  R.  Hubley, M. Vogelzang, E. W. Deutsch, B. Raught, B. Pratt, E.  Nilsson,  et  al  2004.  A  common  open representation  of  mass  spectrometry  data and  its  application  to  proteomics  research. Nat Biotechnol 22: 1459‐1466.  18. Bocker, S., M. C. Letzel, Z. Liptak, and A. Pervukhin.  2009.  SIRIUS:  decomposing isotope patterns for metabolite identification. Bioinformatics 25: 218‐224.  19.  Liebisch, G., B.  Lieser,  J. Rathenberg, W. Drobnik,  and  G.  Schmitz.  2004.  High‐throughput  quantification  of phosphatidylcholine  and  sphingomyelin  by electrospray  ionization  tandem  mass spectrometry coupled with isotope correction algorithm. Biochim Biophys Acta  1686:  108‐117.  

 

Page 145: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Improved identification of lipids using physico‐chemical properties 

  143 

Supplementary figures/tables 

Supplementary figure 1: Heatmap of differences in BMP and PG composition. (A) The BMPs have been 

sorted by total number of double bonds in the combined side chains. (B) The PGs have been sorted by 

total number of double bonds in the combined side chains. In both heatmaps no clear distinction between 

DMSO and BetA treated samples are observed. 

Supplemental table I: Number of PLs identified per major class in Negative scan mode 

Monoisotopic peaksa Monoisotopic + isotope peaksa

BMP 30 50

CL2 69 147

mlCL2 32 62

PA 12 33

PE 29 53

PG 23 43

PI 51 108

pPE 16 27

PS 23 48 aIn full negative mode, 285 out of 2163 (13%) peak groups can be identified as monoisotopic and 571 out of 

2163 (26.4%) can be identified as monoisotopic plus isotope peaks. Numbers in the Results section refer to 

a truncated list, where the weakest peak groups have been omitted to improve the clarity of Figure 2.  

Page 146: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 5 

144 

Supplemental table II: Number of PLs per major class identified Positive scan mode (PR184) 

   Monoisotopic peaks  Monoisotopic + isotope peaks 

PC  66  151 

pPC  23  45 

aPC  3  11 

LPC  25  58 

LpPC  5  9 

SM  22  42 

 

Supplemental table III: Number of PLs identified per major class in Positive scan mode (NL141) 

   Monoisotopic peaksa  Monoisotopic + isotope peaksa 

PE  39  89 

pPE  13  24 

aPE  17  27 

LPE  10  14 aIn full PR184 scan mode, 144 out of 785 (18.3%) peak groups can be identified as monoisotopic and 316 

out of 785 (40.2%) can be identified as monoisotopic plus isotope peaks. In full NL141 scan mode, 74 out of 

225 (32.9%) and 154 out of 225 (68.4%) can be identified as monoisotopic plus isotope peaks. Numbers in 

the Results section refer to a truncated list, where the weakest peak groups have been omitted.  

Supplemental table IV: Clusters of PLs that can be identified using the algorithma 

One variable side 

chain 

Two variable side 

chains 

Three variable side 

chains 

Four variable side 

chains 

LPC, LPG, LPS, LPE, 

LPI, LPA, SM, ST, 

STOH, LpPE, LpPC, 

LaPE, LlyPG, Cer, FA, 

FAOH 

 

PC, diLPC, diLpPC, 

diSM, diSMCl, diLPE, 

diLpPE, PG, PS, PE, PI, 

PA, BMP, pPE, aPE, 

pPC, aPC, pPA, aPA, 

dlCL1, dlCL2, 

mlNAPS1, mlNAPS2, 

lyPG, PIP, diFA, DAG 

 

mlCL1, mlCL2, NAPS2, 

NAPS1, SLBPA, TAG, 

triLPE 

 

CL1, CL2, CL2OH, 

diPG, diPE, diPA, 

dipPE, diPCCl, diPS, 

diPC , dipPC 

 

aLPL; lyso‐PL, pPL; plasmalogen PL, aPL; O‐alkyl PL, diPL; dimeric PL, mlPL; monolyso‐PL, FA; fatty acid, NAPS; 

N‐acetyl PS, suffix 1  (as  in mlCL1); singly charged, suffix 2; doubly charged, suffix OH; hydroxy, suffix Cl; 

chloride  adduct.  SLBPA;  semilysobisphosphatidic  acid  (a.k.a.  hemi‐BMP),  DAG;  diacylglycerol,  TAG; 

triacylglycerol. 

Page 147: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 148: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 149: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

Chapter 6 

 General Discussion 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

“Curiouser and curiouser!” 

Lewis Carroll, Alice in Wonderland 

Page 150: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 151: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Discussion 

  149 

The role of autophagy in BetA‐induced cell death 

Since the discovery of BetA as an anti‐cancer compound, research has focused on finding 

the mechanism  of  action  of  this  natural  compound.  Research  quickly  showed  that  the 

mitochondria  were  involved  and  apoptosis  was  induced,  although  independent  of 

BAK/BAX.(1) When  a  caspase  inhibitor was used,  these  compounds did not prevent  cell 

death,  indicating  that  alternative,  caspase‐independent  cell  death  pathways  must  be 

activated. In chapter 2, we describe that necroptosis is not induced, however a massive and 

rapid  form  of  autophagy  is  induced.  This  induction  of  autophagy  could  be  blocked  by 

cyclosporine A, an inhibitor of the permeability transition pore. Blocking the opening of this 

pore by cyclosporine A resulted also in a block in apoptosis as previously described.(2) This 

observation suggests that autophagy is a consequence of mitochondrial damage triggered 

by BetA and can be prevented by inhibition of PT‐pore opening. We also observed that in 

autophagy knock out cells, enhanced cell death was observed even when apoptosis was 

blocked  by  caspase  inhibitors.  These  data  suggest  that  autophagy  acts  as  a  survival 

mechanism rather than the cell death execution machinery and that there must be a yet 

undefined  other  cell  death  mechanism  involved  that  is  induced  by  BetA.  Alternative 

pathways  to  death  have  been  reported  and  could  for  instance  involve  lysosomal 

permeabilization. Interestingly one of the compounds that is reported to induce lysosomal 

destabilization, siramesine, shares some properties with BetA, as it also induces cell death 

independent of caspases, BCL‐2 and P53,(3‐5) pointing to a potential mechanistic overlap.(4, 5) 

Lysosomal membrane permeabilization can be measured using fluorescent labeled galectin‐

1 or galectin‐3 cells(6) and experiments to test the role of the lysosome in BetA‐induced cell 

death  should  be  conducted.  It  is  important  to  note  though  that we  have  shown  that 

inhibition of cathepsin B, which is reported to be crucial for the lysosomal destabilization (7), 

did  not  influence  BetA‐induced  cell  death,  arguing  against  lysosomal  membrane 

destabilization  as  the  causal  pathway  to  cell  death.  Therefore more work  needs  to  be 

performed and we decided to focus more in detail on how the mitochondrial BetA‐induced 

cell death occurred.  

Differential effects of BetA on cancer cells and normal cells 

One characteristic of BetA is that its cytotoxic effects are observed on cancer cells and not 

on healthy cells.(8, 9) For a  long time  it has remained enigmatic as to why this differential 

effect is observed. In chapter 3, we described that interfering with the fatty acid metabolism 

of  a  cancer  cell,  by  inhibiting  stearoyl  CoA  desaturase  enzyme,  the  side  chains  of  the 

phospholipid cardiolipin become more saturated, which results in morphological changes 

in the inner membrane of the mitochondria followed by cell death. We also confirmed that 

the cytotoxic effect of BetA is only on cancer cells and not on healthy cells. We believe these 

observations could explain the selectivity for cancer cells as a hallmark of cancer is altered 

metabolism. That is, cancer cells have a different lipid metabolism as compared to healthy 

Page 152: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 6 

150 

cells. Cancer cells increase their de novo fatty acid synthesis, to fulfill the need for new lipids 

in order to create new biomass which is needed even under scarce conditions. It is energetic 

very inefficient to generate de novo fatty acids while enough fatty acids can be taken up by 

fatty acids transporters from the surrounding suggesting that cancer cells benefit from de 

novo fatty acids for yet undefined reasons. The end product of de novo fatty acid synthesis 

is palmitic acid. This saturated fatty acid is converted to unsaturated fatty acids by SCD‐1 

and further elongated by several elongation enzymes to create longer fatty acids. In several 

types  of  cancer,  SCD‐1  is  overexpressed.(10) Cancer  cells  have  become  addicted  to  the 

constant rate of conversion of saturated fatty acids into unsaturated fatty acids and thereby 

the levels of SCD‐1 they express. BetA and SCD‐1 inhibitors affect this balance and thereby 

create  a  toxic pool of  saturated  fatty  acids.  Importantly,  in healthy  cells basal  levels of 

saturated fatty acids are lower as compared to tumor cells (11) as normal cells do not utilize 

the de novo synthesis pathway. Instead, healthy cells take up unsaturated fatty acids from 

the surrounding mainly provided by  food  intake. Thereby  inhibiting the activity of SCD‐1 

shows less impact and is therefore less harmful to healthy cells as they are not dependent 

on  this  pathway  (described  in  chapter  3).(12)  Unsaturated  fatty  acids  are  important 

precursors  for  various  products  in  the  cell,  like  phospholipids  (cell  membrane), 

diacyglycerols (signaling) and triglycerides (energy storage).(13) Overexpression of SCD‐1 is a 

result of the overall increase of de novo fatty acid synthesis where besides SCD‐1 also sterol 

regulatory element binding proteins (SREBPs) are overexpressed.(14, 15) SREBPs control the 

expression  of  several  enzymes  (ATP‐citrate  lyase  (ACL),  ACC  and  FASN)  required  for 

endogenous  cholesterol,  fatty  acid  (FA),  triacylglycerol  and  phospholipid  synthesis. 

Upregulation of  these enzymes demands  the cell also  to  increase  their SCD‐1 activity  to 

fulfill the need of an unsaturated fatty acid pool. 

The de novo fatty acid synthesis pathway is a potential drug target due to the differential 

usage of this pathway between normal cells and cancer cells. Several studies have shown 

that  inhibition of  fatty acid synthesis enzymes by  inhibiting FASN, ACC or ACL  results  in 

cancer cell death in vitro and retards the growth of tumors in vivo.(16‐20) 

Also shown  in chapter 3  is that  in cancer cells the saturation  levels of the side chains of 

cardiolipin are already more saturated as compared to healthy fibroblasts. BetA and SCD‐1 

inhibitors  treatment  result  in  an  even  higher  saturation  grade  of  the  side  chains  of 

cardiolipin. Saturated fatty acid makes membranes more rigid and loss of membrane fluidity 

results  in  loss of function and structure and we hypothesize that this results  in the  inner 

cristae morphology  change, which  results  in  permeability  pore  opening  and  leakage  of 

cytochrome c  into  the cytosol. This  initial higher  saturation grade of membranes makes 

cancer cells more vulnerable for  inhibition of SCD‐1 activity as compared to normal cells. 

Barth syndrome patients also have highly saturated fatty acid side chains of cardiolipin and 

similar morphological  changes  in  the mitochondria  are  observed.(21,  22)  However  these 

modifications by itself are not sufficient for cytochrome c leakage to occur as most cells in 

Page 153: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Discussion 

  151 

Barth  syndrome  patients  show  no  increase  in  cell  death.  This  suggests  that  besides 

saturation of cardiolipin side chains, additional changes are needed to  induce cell death. 

This could be reactive oxygen species (ROS), as inhibiting mitochondrial complex 1 results 

in OPA1 (a GTPase  in the  inner mitochondrial membrane which plays a role  in regulating 

mitochondrial  fusion  and  pro‐apoptotic  remodeling  of  the  mitochondria) 

desoligomerization  leading  to  ROS  production.(23)  This  loss  of  oligomerization  of  OPA1 

results  in  cytochrome  c  release  and mitochondrial  cristae  remodeling.  It  is  known  that 

cancer cells have higher levels of ROS,(24, 25) and therefore it could be that the combination 

of higher  saturation of  cardiolipin and  the high amounts of ROS  induced  in  cancer cells 

results in cell death. 

It is likely that due to the increased need of lipids, cancer cells also has more lipid droplets 

which they can use for their supply of fatty acids. During nutrient deprivation, triglycerides 

in  lipid droplets are hydrolyzed  into  fatty acids.(26) The breakdown of  these  stored  lipid 

droplet products has been shown to occur, besides cytosolic hydrolytic enzymes or lipases, 

via  a  specialized  form of  autophagy, named  lipophagy(27), which  link  autophagy  to  lipid 

metabolism. Lipophagy may protect cells for apoptosis by breaking down  lipids to supply 

for energy and prevention of ATP depletion. Another protective  role  for  lipophagy  is by 

preventing liver injury induced by increased hepatic lipid accumulation or steatosis.(28) Lipids 

may also play a role in the regulation of levels of autophagy. It was shown that unsaturated 

fatty acid, oleic acid, promoted  the  formation of  triglyceride‐enriched  lipid droplets and 

induced autophagy, while saturated fatty acid, palmitic acid, was poorly incorporated into 

lipid droplets and suppressed autophagy and  rather  increased apoptosis.(26) This suggest 

that formation of lipid droplets and induction of lipophagy is protective for cells.  

The differential effect of BetA on cancer cells and normal cells could also be due to massive 

induction of autophagy as a response to the induced mitochondrial stress. The autophagy 

induced by BetA could also be partially lipophagy, to increase the amount of unsaturated 

fatty acids to prevent the toxic effect of accumulating saturated fatty acids by the inhibition 

of SCD‐1. Due to the increase of saturated fatty acids, the protective role of lipid droplets 

and autophagy are blocked resulting  in  increased cell death. As normal cells have higher 

amounts of unsaturated fatty acids as compared to cancer cells it could be that BetA induces 

more autophagy and  lipophagy  in cancer cells to overcome the toxic effects of saturated 

fatty acids. Investigating the role of lipophagy and the blocking of lipophagy, more in detail 

could  result  in  potential  new  targets.  Combination  of  blocking  lipophagy  and  SCD‐1 

inhibition might result in a faster more efficient cell death. 

The role of cardiolipin in cell death 

The  toxic  saturated  fatty  acids  are  incorporated  in  several  phospholipids  and  one 

phospholipid that shows dramatic changes in saturation levels is cardiolipin. Cardiolipin is a 

phospholipid that is important for the structure of the inner membrane of the mitochondria 

Page 154: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 6 

152 

and it is involved in apoptosis. Two main levels of apoptosis regulation by cardiolipin have 

been described. The  first  involves  the  release of cytochrome c  in a BAK/BAX dependent 

fashion. Cytochrome c interacts with cardiolipin in the outer leaflet of the IMM through two 

independent binding sites, this is needed for the function of cytochrome c as an electron 

carrier in the mitochondrial respitory chain.(29‐32) Cardiolipin‐bound cytochrome c acts as a 

peroxidase  capable  of  catalyzing  H2O2‐dependent  peroxidation  of  cardiolipin.  This 

cardiolipin oxidation is an essential step in the release of cytochrome c during apoptosis.(33) 

The second level of cardiolipin‐dependent apoptosis regulation that is suggested to occur, 

involves Bid‐induced cytochrome c release. During apoptosis, Bid is cleaved by caspase 8 to 

produce tBid which translocates to the mitochondria. tBid has been suggested to bind to 

CL‐enriched  contact  sites  and  induces  the  translocation  of  BAK  and  BAX  to  the 

mitochondrial outer membrane.(34‐36)  

Cardiolipin is therefore suggested to serves as a platform to allow apoptosis via the BCL2 

family to occur. Whether cardiolipin saturation levels change this platform function is not 

clarified, but is a possibility. The level of saturation is however clearly of importance to the 

physiological function of cardiolipin and lipids in general. In biological membranes one finds 

unsaturated  fatty  acids  of which  the  structural properties  allow  for membrane  fluidity. 

Cardiolipin has four acyl side chains that are highly unsaturated to maintain normal cellular 

function.(34) These side chains can be remodeled via tafazzin. We hypothesized that BetA 

besides SCD‐1 inhibition also increases the turnover of lipids and thereby the incorporation 

of  saturated  fatty  acids  into  cardiolipin.  As  cardiolipin  regulates  and  is  involved  in 

permeability pore opening (34, 37) we hypothesized that the saturation of cardiolipin results 

in  morphological  and  functional  changes  in  the  mitochondrial  cristae  and  leads  to 

permeability pore opening and cytochrome c release. 

The mitochondrial network is maintained by a continuous process of fusion (elongation of 

mitochondria)  and  fission  (fragmentation  of  mitochondria).  Whether  fusion/fission  is 

important for cytochrome c release is still debated, however during apoptosis mitochondria 

are remodeled via activation of the fission machinery and synchronal neutralization of the 

fusion machinery.(38, 39)  

Mitochondrial fission occurs at the same time as the activation of BAX, mitochondrial outer 

membrane permeabilization and the resulting cytochrome c release.(40) On top of that,  it 

was  shown  that  disruption  of  OPA1  complexes  results  in  cytochrome  c  release  and 

mitochondrial cristae remodeling.(23) These data indicate that mitochondrial fission/fusion 

and  cytochrome  c  release  are  linked  to  each  other.  Cardiolipin  also  plays  a  role  in 

mitochondrial  fission/fusion(34)  and  therefore  an  increase  in  saturation  grade  of  the 

cardiolipin side chains could result in the observed mitochondrial fragmentation. How this 

fragmentation is induced by cardiolipin needs further investigation. Cardiolipin side chain 

Page 155: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Discussion 

  153 

remodeling  into more  saturated  is  therefore  a  very  interesting mechanism  for  further 

investigation and possible therapeutic targets. 

The role of SCD‐1 in cancer therapy 

The differential effects of both BetA and SCD‐1 inhibition on healthy cells and tumor cells 

makes both compounds very interesting to investigate further for therapeutic applications. 

In the past pharmaceutical companies started to look for small molecule SCD‐1 inhibitors to 

treat  metabolic  diseases  like  obesity,  diabetes  and  fatty  liver  as  these  diseases  are 

associated with up‐regulation of SCD‐1. Since 2005 several patents have been granted and 

many of  these  compounds have good  in vitro activity and pharmacodynamics  in  rodent 

models, unfortunately, only a few of these inhibitors have progressed to clinical trials and 

no reports can be found of compounds beyond phase  IIa studies for obesity, diabetes of 

fatty liver disease treatment. The differences of lipid metabolism in rodents to humans is 

given as the main explanation.(41) Research in the last years have shown that SCD‐1 plays a 

role  in  the  regulation  of metabolism  and  growth  signaling  pathways  in  cancer.  SCD‐1 

contributes to maintain a shift in lipid metabolism and intracellular signaling (i.e. activation 

of Akt signal and deactivation of AMPK pathway). This results in an accelerated rate of cell 

proliferation, increased invasiveness and enhanced survival.(10) Several studies have shown 

that  inhibition  of  SCD‐1  (either  genetically  or  pharmaceutical)  leads  to  reduced  cancer 

formation in vivo and transformation in vitro.(10, 42) The mechanism by which SCD‐1 inhibition 

leads to tumor reduction has been unclear. A hypothesis mentioned  in  literature,  is that 

changes  in  lipid  composition  result  in  ER  stress  and  trigger  unfolded  protein  response 

(UPR).(43) 

We show that inhibition of SCD‐1 by chemical inhibition (BetA and SCD‐1 inhibitor) leads to 

increased  saturation of CL.  This  saturation  leads  to morphological  changes  in  the  inner 

membrane  of  the mitochondria  and  results  in  cell  death.  How  exactly  the  changes  in 

saturation and morphology results in cell death remains unclear, however we hypothesize 

that  the  change  in  the  inner membrane  results  in opening of  the PT‐pore  and  thereby 

release of cytochrome c into the cytosol. (chapter 3) In our research we have not tested ER 

stress and UPR.  It  could be  that  the ER  stress  inflicted by  shifting  the balance between 

saturated  fatty  acids  and unsaturated  fatty  acids precedes  the mitochondrial  stress we 

observe. 

Currently  no  clinical  trials  are  ongoing  for  SCD‐1  inhibition  (clinical  trial.gov)  in  the 

treatment  of  cancer.  Inhibition  of  SCD‐1  as monotherapy  could  not  be  optimal  as we 

observed  that  inhibition  of  SCD‐1  results  in  a  slower  cell  death  as  compared  to  BetA. 

Therefore  the  focus  should  be  more  on  combination  therapy,  where  besides  SCD‐1 

inhibition another stressor  is applied,  resulting  in synergy of both compounds. We have 

tried to find this combination of SCD‐1 inhibitor and a compound that results in the same 

efficacy  and  efficiency  as  BetA‐induced  cell  death.  However  several  compounds  that 

Page 156: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 6 

154 

stressed the mitochondria did not result in cell death synergy when combined with SCD‐1 

inhibition.  Further  research  into understanding BetA mechanism  and  synthetic  lethality 

using SCD‐1 inhibitor could lead to a beneficial non‐toxic combination therapy.  

Betulinic acid as cancer therapy 

Besides  looking  into  SCD‐1  inhibition  for  therapeutic  approaches,  BetA  also  has  some 

potential. Research by others and previously by our group has shown BetA has no  toxic 

effects in vivo.(8, 9) The development for BetA as a potential drug is not as advanced as SCD‐

1 inhibitors, however the higher efficacy of BetA makes it a better compound as compared 

to SCD‐1 inhibitors. Unfortunately, BetA is a very lipophilic compound and therefore harder 

to administer to patients. It is known that lipophilic drugs can be more toxic because they 

bind (i.e to receptors, plasma, proteins or tissue) while unbound drugs most of the time are 

responsible for the efficacy of the drug.(44, 45) For  lipophilic compounds, there are usually 

much higher concentrations of bound drug than unbound drug, therefore toxicity will be 

more likely if it is determined by total drug concentrations as higher doses are needed to 

get enough unbound drug in the blood system. However up to now, even when high doses 

of BetA were used  in vivo no  toxic effects were observed  in normal  tissue although  the 

formulations used are not suited for the clinic.(8, 9) Accordingly there  is a need for a non‐

toxic formulation which can deliver BetA, preferably specific, to the tumor.  

Cancer stem cells targeted by BetA 

The cancer  stem cell model hypothesizes  that cancers are organized  into a hierarchy of 

subpopulations of tumorigenic cancer stem cells and their non‐tumorigenic progeny.(46‐48) 

Cancer stem cells are defined as a subset of  tumor cells which possess self‐renewal and 

multi‐lineage  differentiation  potential.(49,  50)  Cancer  stem  cells  are  known  to  be  more 

resistant to conventional treatment due to their (acquired) resistance mechanisms.(51, 52) In 

chapter 4 we show that BetA can induce a rapid cell death in colon cancer stem cells. We 

hypothesize that this  induction of cell death  is SCD‐1 dependent as SCD‐1  inhibition also 

kills colon cancer stem cells, although the  induction  takes  longer  than BetA. The precise 

mechanism how BetA induces cell death in colon cancer stem cells is still unclear and further 

research should reveal if indeed BetA results in SCD‐1 inhibition and a saturation of CL in 

these cells  leading to apoptosis. Due to the rapid  induction of cell death  in colon cancer 

stem cells as compared to cancer cells a different mechanism might be involved. It could be 

that colon cancer stem cells rely more on their fatty acids as they possess more lipid droplets 

than regular cancer cells.(53) Interference in the unsaturation grade of these fatty acids could 

be a weak spot  for these stem cells. Cancer stem cells protect themselves  from classical 

chemotherapy  by  using  BCL‐XL‐dependent  mechanisms  (54),  as  BetA‐induced  killing  is 

independent of the BCL‐2 family this could be a reason why BetA targets the cancer stem 

cells. How CSCs die exactly remains to be elucidated. However these data suggest that CSCs 

Page 157: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Discussion 

  155 

could be targeted very efficiently if the precise mechanism of action of BetA in these cells is 

known.  

Lipidomics as a tool for diagnostics and monitoring of patient. 

Studying  lipids  is  complex  due  to  the  diversity  of  many  lipids.  Analysis  of  lipids  was 

traditionally  done  by  thin‐layer  chromatography,  gas  chromatography  and  mass 

spectrometry. Recent years more and more technical advances in mass spectrometry have 

created the ability to study lipids in a metabolomics way the so‐called lipidomics. Lipidomics 

aims  to  study  the  pathways  and  networks  of  lipids  by  the  characterization  and 

quantification of all lipids in a sample.(55) In chapter 5 we described a new lipidomics pipeline 

which we have tested for BetA treated samples. We show that using the lipidomics pipeline 

we  can  identify  and  separate  a  lot of  lipids based on  their  features  i.e  their  saturation 

grades. We show that we can distinguish samples that are DMSO or BetA treated based on 

their CL saturation grade. This could be used in the clinic to discriminate healthy individuals 

from Barth syndrome patients, but also if SCD‐1 inhibitor of BetA makes it into the clinic this 

pipeline  can  be  used  to monitor  treatment  response.  This method  could  be  used  for 

monitoring treatment response of compounds that have BetA and/or SCD‐1 inhibitor mode 

of action or monitor the effect of SCD‐1  inhibitors and/or BetA when  it makes  it  into the 

clinic. With  further  optimalization  of  the  lipidomics  (i.e  improved  high  resolution mass 

spectrometry which result  in better detection of masses with a higher accuracy and thus 

leading to more reliable identification of lipids) this pipeline could also be used for validation 

of  new  compounds  to  see  if  they  exert  the mechanism  to  inhibit  SCD‐1  and  thereby 

increasing the saturation of CL. 

Besides playing a  role  in cancer,  lipids and  their metabolism are also  involved  in several 

other diseases.(55, 56) This makes  lipidomics a great new tool for diagnostics. The ultimate 

goal of lipidomics would be to have one patient sample and measure the complete lipidome 

in a fast and accurate fashion so the diagnosis of patient disease could be made. Besides 

diagnosis, monitoring of disease progression, treatment response and biomarkers research 

are possible.  

Concluding remarks 

There are still a lot of things we do not understand about BetA and how it induces cell death. 

The observations that when apoptosis  is blocked by caspase  inhibitors, BetA still  induces 

cell death indicates that a different form of cell death or even a new pathway remains to be 

elucidated. And up to now due to its lipophilic character no clinical trials are attempted. In 

this thesis we provide data that contribute to the understanding of BetA‐induced apoptotic 

cell death. The finding that inhibition of SCD‐1 by BetA results in saturation of cardiolipin 

and cytochrome c release opens a new field for cancer research and potential new use for 

SCD‐1  inhibitors  in the clinic. Targeting cancer stem cells  is a kind of Holy Grail  in cancer 

Page 158: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 6 

156 

research,  as eradicating  all  tumor  cells  is wanted.  Interestingly,  applying BetA on  colon 

cancer  stem  cells  resulted  in  a massive  and  fast  cell  death  in  these  otherwise  therapy 

resistant  cells.  Discovering  the  precise mechanism  of  action  of  BetA  in  these  cells will 

provide the cancer field with potential new drug targets a possible therapy for hard to target 

cancers. Monitoring drug response can be done by using the lipidomics pipeline described 

in this thesis and this could result  in  faster diagnosis and specialized patient care. Taken 

together, the new findings  in this thesis can provide a basis for future studies for cancer 

therapy  based  on  cancer  metabolism  and  especially  SCD‐1  inhibition  and  cardiolipin 

saturation and on the quest of the mechanism of action of BetA. 

Page 159: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Discussion 

  157 

References  

1. Fulda S, Friesen C, Los M, Scaffidi C, Mier W, Benedict M, et al. Betulinic acid triggers CD95 (APO‐1/Fas)‐ and p53‐independent apoptosis via activation of caspases in neuroectodermal tumors. Cancer Res. 1997;57(21):4956‐64.  2.  Mullauer  FB,  Kessler  JH,  Medema  JP. Betulinic  acid  induces  cytochrome  c  release and  apoptosis  in  a  Bax/Bak‐independent, permeability  transition  pore  dependent fashion. Apoptosis. 2009;14(2):191‐202.  3.  Ostenfeld  MS,  Fehrenbacher  N,  Hoyer‐Hansen M, Thomsen C, Farkas T, Jaattela M. Effective tumor cell death by sigma‐2 receptor ligand siramesine  involves  lysosomal  leakage and  oxidative  stress.  Cancer  research. 2005;65(19):8975‐83.  4. Ostenfeld MS, Hoyer‐Hansen M, Bastholm L, Fehrenbacher N, Olsen OD, Groth‐Pedersen L,  et  al.  Anti‐cancer  agent  siramesine  is  a lysosomotropic  detergent  that  induces cytoprotective  autophagosome accumulation. Autophagy. 2008;4(4):487‐99.  5.  Groth‐Pedersen  L,  Ostenfeld MS,  Hoyer‐Hansen  M,  Nylandsted  J,  Jaattela  M. Vincristine  induces  dramatic  lysosomal changes  and  sensitizes  cancer  cells  to lysosome‐destabilizing  siramesine.  Cancer research. 2007;67(5):2217‐25.  6.  Aits  S,  Kricker  J,  Liu  B,  Ellegaard  AM, Hamalisto  S,  Tvingsholm  S,  et  al.  Sensitive detection  of  lysosomal  membrane permeabilization  by  lysosomal  galectin puncta assay. Autophagy. 2015:0.  7.  Joy B, Sivadasan R, Abraham TE,  John M, Sobhan  PK,  Seervi  M,  et  al.  Lysosomal destabilization  and  cathepsin  B  contributes for  cytochrome  c  release  and  caspase activation  in  embelin‐induced  apoptosis. Molecular carcinogenesis. 2010;49(4):324‐36.  8. Mullauer  FB,  van  BL,  Daalhuisen  JB,  Ten Brink MS, Storm G, Medema JP, et al. Betulinic acid delivered in liposomes reduces growth of 

human  lung  and  colon  cancers  in  mice without causing systemic toxicity. Anticancer Drugs. 2011;22(3):223‐33.  9.  Zuco  V,  Supino  R,  Righetti  SC,  Cleris  L, Marchesi  E,  Gambacorti‐Passerini  C,  et  al. Selective  cytotoxicity  of  betulinic  acid  on tumor  cell  lines,  but  not  on  normal  cells. Cancer Lett. 2002;175(1):17‐25.  10.  Igal  RA.  Stearoyl‐CoA  desaturase‐1:  a novel  key  player  in  the mechanisms  of  cell proliferation,  programmed  cell  death  and transformation  to  cancer.  Carcinogenesis. 2010;31(9):1509‐15.  11. Li J, Ding SF, Habib NA, Fermor BF, Wood CB, Gilmour RS. Partial  characterization of a cDNA for human stearoyl‐CoA desaturase and changes  in  its  mRNA  expression  in  some normal  and  malignant  tissues.  IntJCancer. 1994;57(3):348‐52.  12. Scaglia N, Chisholm JW, Igal RA. Inhibition of  stearoylCoA  desaturase‐1  inactivates acetyl‐CoA  carboxylase  and  impairs proliferation  in  cancer  cells:  role  of  AMPK. PLoSOne. 2009;4(8):e6812.  13. Roongta UV, Pabalan JG, Wang X, Ryseck RP,  Fargnoli  J,  Henley  BJ,  et  al.  Cancer  cell dependence  on  unsaturated  fatty  acids implicates stearoyl‐CoA desaturase as a target for  cancer  therapy.  MolCancer  Res. 2011;9(11):1551‐61.  14. Eberle D, Hegarty B, Bossard P, Ferre P, Foufelle  F.  SREBP  transcription  factors: master  regulators  of  lipid  homeostasis. Biochimie. 2004;86(11):839‐48.  15.  Espenshade  PJ.  SREBPs:  sterol‐regulated transcription  factors.  J  Cell  Sci.  2006;119(Pt 6):973‐6.  16.  Kuhajda  FP.  Fatty‐acid  synthase  and human cancer: new perspectives on its role in tumor biology. Nutrition. 2000;16(3):202‐8.  17. Kuhajda FP, Jenner K, Wood FD, Hennigar RA,  Jacobs  LB,  Dick  JD,  et  al.  Fatty  acid 

Page 160: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 6 

158 

synthesis:  a  potential  selective  target  for antineoplastic  therapy.  Proceedings  of  the National Academy of Sciences of  the United States of America. 1994;91(14):6379‐83.  18. Brusselmans K, De Schrijver E, Verhoeven G,  Swinnen  JV.  RNA  interference‐mediated silencing of the acetyl‐CoA‐carboxylase‐alpha gene induces growth inhibition and apoptosis of  prostate  cancer  cells.  Cancer  research. 2005;65(15):6719‐25.  19. Menendez JA, Lupu R. Fatty acid synthase and  the  lipogenic  phenotype  in  cancer pathogenesis.  NatRevCancer. 2007;7(10):763‐77.  20. Mashima T, Seimiya H, Tsuruo T. De novo fatty‐acid synthesis and  related pathways as molecular  targets  for  cancer  therapy.  Br  J Cancer. 2009;100(9):1369‐72.  21. Barth PG, Scholte HR, Berden JA, Van der Klei‐Van Moorsel JM, Luyt‐Houwen IE, Van  't Veer‐Korthof  ET,  et  al.  An  X‐linked mitochondrial  disease  affecting  cardiac muscle,  skeletal  muscle  and  neutrophil leucocytes. JNeurolSci. 1983;62(1‐3):327‐55.  22. Houtkooper RH, Rodenburg RJ, Thiels C, van LH, Stet F, Poll‐The BT, et al. Cardiolipin and  monolysocardiolipin  analysis  in fibroblasts,  lymphocytes,  and  tissues  using high‐performance  liquid  chromatography‐mass  spectrometry  as  a  diagnostic  test  for Barth  syndrome.  AnalBiochem. 2009;387(2):230‐7.  23. Ramonet D, Perier C, Recasens A, Dehay B, Bove  J,  Costa  V,  et  al.  Optic  atrophy  1 mediates  mitochondria  remodeling  and dopaminergic  neurodegeneration  linked  to complex  I  deficiency.  Cell  Death  Differ. 2013;20(1):77‐85.  24. Pelicano H, Carney D, Huang P. ROS stress in  cancer  cells  and  therapeutic  implications. Drug ResistUpdat. 2004;7(2):97‐110.  25. Nogueira V, Hay N. Molecular pathways: reactive  oxygen  species  homeostasis  in 

cancer  cells  and  implications  for  cancer therapy.  ClinCancer  Res.  2013;19(16):4309‐14.  26. Singh R, Kaushik S, Wang Y, Xiang Y, Novak I, Komatsu M, et al. Autophagy regulates lipid metabolism. Nature. 2009;458(7242):1131‐5.  27. Liu K, Czaja MJ. Regulation of lipid stores and metabolism by lipophagy. Cell death and differentiation. 2013;20(1):3‐11.  28. Reddy JK, Rao MS. Lipid metabolism and liver  inflammation.  II. Fatty  liver disease and fatty  acid  oxidation.  American  journal  of physiology  Gastrointestinal  and  liver physiology. 2006;290(5):G852‐8.  29.  Paradies  G,  Petrosillo  G,  Pistolese  M, Ruggiero  FM.  Reactive  oxygen  species generated  by  the mitochondrial  respiratory chain  affect  the  complex  III  activity  via cardiolipin  peroxidation  in  beef‐heart submitochondrial  particles.  Mitochondrion. 2001;1(2):151‐9.  30. Schug ZT, Gottlieb E. Cardiolipin acts as a mitochondrial  signalling  platform  to  launch apoptosis.  BiochimBiophysActa. 2009;1788(10):2022‐31.  31. Gorbenko GP. Structure of cytochrome c complexes with phospholipids as revealed by resonance  energy  transfer. Biochim Biophys Acta. 1999;1420(1‐2):1‐13.  32.  Iverson  SL,  Orrenius  S.  The  cardiolipin‐cytochrome  c  interaction  and  the mitochondrial  regulation  of  apoptosis.  Arch Biochem Biophys. 2004;423(1):37‐46.  33. Kagan VE, Tyurin VA,  Jiang  J, Tyurina YY, Ritov VB, Amoscato AA, et al. Cytochrome c acts  as  a  cardiolipin  oxygenase  required  for release  of  proapoptotic  factors.  Nat  Chem Biol. 2005;1(4):223‐32.  34. Houtkooper RH, Vaz FM. Cardiolipin, the heart  of  mitochondrial  metabolism.  Cell MolLife Sci. 2008;65(16):2493‐506.  

Page 161: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Discussion 

  159 

35. Esposti MD, Cristea IM, Gaskell SJ, Nakao Y,  Dive  C.  Proapoptotic  Bid  binds  to monolysocardiolipin,  a  new  molecular connection  between  mitochondrial membranes and cell death. Cell Death Differ. 2003;10(12):1300‐9.  36. Lutter M, Fang M, Luo X, Nishijima M, Xie X, Wang X. Cardiolipin provides specificity for targeting  of  tBid  to  mitochondria.  Nat  Cell Biol. 2000;2(10):754‐61.  37. Scorrano L, Ashiya M, Buttle K, Weiler S, Oakes  SA,  Mannella  CA,  et  al.  A  distinct pathway remodels mitochondrial cristae and mobilizes  cytochrome  c  during  apoptosis. DevCell. 2002;2(1):55‐67.  38.  Jourdain  A, Martinou  JC. Mitochondrial outer‐membrane  permeabilization  and remodelling  in  apoptosis.  IntJBiochemCell Biol. 2009;41(10):1884‐9.  39.  Landes  T,  Martinou  JC.  Mitochondrial outer  membrane  permeabilization  during apoptosis:  the  role  of mitochondrial  fission. BiochimBiophysActa. 2011;1813(4):540‐5.  40. Martinou  JC, Youle RJ. Which came  first, the  cytochrome  c  release  or  the mitochondrial  fission?  Cell  DeathDiffer. 2006;13(8):1291‐5.  41.  Zhang  Z,  Dales  NA,  Winther  MD. Opportunities  and  challenges  in  developing stearoyl‐coenzyme A desaturase‐1  inhibitors as  novel  therapeutics  for  human  disease.  J Med Chem. 2014;57(12):5039‐56.  42. Scaglia N,  Igal RA.  Inhibition of Stearoyl‐CoA Desaturase 1 expression  in human  lung adenocarcinoma cells  impairs tumorigenesis. IntJOncol. 2008;33(4):839‐50.  43. Ackerman D, Simon MC. Hypoxia,  lipids, and  cancer:  surviving  the  harsh  tumor microenvironment.  Trends  Cell  Biol. 2014;24(8):472‐8.  44.  Gonzalez  D,  Schmidt  S,  Derendorf  H. Importance  of  relating  efficacy measures  to 

unbound  drug  concentrations  for  anti‐infective  agents.  Clin  Microbiol  Rev. 2013;26(2):274‐88.  45.  Lin  JH,  Lu AY.  Role  of  pharmacokinetics and  metabolism  in  drug  discovery  and development.  Pharmacol  Rev. 1997;49(4):403‐49.  46.  Meacham  CE,  Morrison  SJ.  Tumour heterogeneity  and  cancer  cell  plasticity. Nature. 2013;501(7467):328‐37.  47. Dick JE. Stem cell concepts renew cancer research. Blood. 2008;112(13):4793‐807.  48. Reya T, Morrison SJ, Clarke MF, Weissman IL. Stem cells, cancer, and cancer stem cells. Nature. 2001;414(6859):105‐11.  49. Vermeulen L, Sprick MR, Kemper K, Stassi G,  Medema  JP.  Cancer  stem  cells‐‐old concepts,  new  insights.  Cell  Death  Differ. 2008;15(6):947‐58.  50.  Medema  JP.  Cancer  stem  cells:  the challenges  ahead.  Nat  Cell  Biol. 2013;15(4):338‐44.  51. Colak S, Medema  JP. Cancer stem cells‐‐important  players  in  tumor  therapy resistance. FEBS J. 2014;281(21):4779‐91.  52.  Todaro  M,  Alea  MP,  Di  Stefano  AB, Cammareri  P,  Vermeulen  L,  Iovino  F,  et  al. Colon cancer stem cells dictate tumor growth and  resist  cell  death  by  production  of interleukin‐4.  Cell  Stem  Cell.  2007;1(4):389‐402.  53.  Tirinato  L,  Liberale  C,  Di  Franco  S, Candeloro  P,  Benfante A,  La  Rocca  R,  et  al. Lipid  droplets:  a  new  player  in  colorectal cancer  stem  cells  unveiled  by  spectroscopic imaging. Stem Cells. 2015;33(1):35‐44.  54. Colak S, Zimberlin CD, Fessler E, Hogdal L, Prasetyanti PR, Grandela CM, et al. Decreased mitochondrial  priming  determines chemoresistance of  colon  cancer  stem  cells. Cell Death Differ. 2014;21(7):1170‐7. 

Page 162: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Chapter 6 

160 

55. Vaz FM, Pras‐Raves M, Bootsma AH, van Kampen  AH.  Principles  and  practice  of lipidomics. J Inherit Metab Dis. 2015;38(1):41‐52.  56. Hyotylainen T, Oresic M. Systems biology strategies  to  study  lipidomes  in  health  and disease. Prog Lipid Res. 2014;55:43‐60. 

 

Page 163: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 164: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 165: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

   

Annexes  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 166: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 167: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

   

Summary  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

“Well that was the silliest tea party I ever went to! I am never going back there again!” 

Lewis Carroll, Alice in Wonderland 

Page 168: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 169: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Summary 

  167 

Mechanistic insight into BetA‐induced cell death  

This thesis focuses on the mechanisms of BetA induced cancer cell death. In chapter 1, we 

start with an introduction on cancer, cancer therapeutics, cell death mechanisms and BetA. 

The mechanism by which BetA  induces cell death has been  investigated by many people 

over  the past  years, however  the  exact mechanism  remained unclear.  In  chapter 2 we 

explore the possibility of other cell death mechanisms besides apoptosis. We observe that 

BetA  induces cell death  in cells which are treated with a caspase  inhibitor  indicating that 

another  cell  death mechanism must  be  causing  the  observed  cell  death. We  therefore 

investigated the role of necroptosis in BetA‐induced cell death. Cells treated with capasase 

inhibitor and necrostatin‐1 (a necroptosis inhibitor) also showed induction of cell death. So 

we proceeded to another possible cell death mechanism, autophagy. Upon BetA treatment 

massive induction of autophagy, as shown by lipidated LC3II, was observed both by confocal 

microscopy  as  well  as  western  blot.  Autophagosomes  needs  to  be  degraded  by  the 

lysosomes in order to get full breakdown of the cargo. Autophagic flux was measured using 

long  lived proteins, a tandem RFP/eGFP‐tagged LC3 protein and a tandem mCherry/GFP‐

tagged p62 protein. Previously, we observed that cyclosporin A, which targets cyclophilin D 

and effectively serves as an inhibitor of the mitochondrial permeability pore, prevents BetA‐

induced apoptotic features. We therefore also investigated the role of this compound in the 

induction  of  autophagy  and  showed  that  autophagosome  formation  was  significantly 

reduced when  cells were pre‐treated with  cyclosporin A. These data  suggest  that BetA‐

induced autophagy is a consequence of mitochondrial damage triggered by BetA and can 

be prevented by inhibition of PT‐pore opening. Autophagy, even though initially regarded 

as a cell survival pathway, can play a role in dying cells as well and has been suggested to 

serve as a balancing mechanism between cell survival and cell death. To test the role of 

autophagy  in BetA‐induced cell death we used autophagy‐deficient cells. Surprisingly, we 

observed an increase in BetA‐induced cell death in these cells, which could not be prevented 

by  caspase  inhibition. Both  autophagy‐proficient  and  ‐deficient  cells displayed  a  similar 

increase  in mitochondrial depolarization, suggesting  that  the  initial mitochondrial  insults 

were  independent  of  autophagy  induction.  Taken  together  these  date  indicate  that 

autophagy  serves primarily as a  survival mechanism  in BetA  treated cells and  that BetA 

induced cell‐death is independent of autophagy, necroptosis and caspases but requires the 

mitochondria. 

How the induction of apoptosis was realized was therefore further investigated in chapter 

3. When  analyzing  the mitochondria  via  confocal  or  electron microscopy we  observed 

mitochondrial  morphology  changes  upon  BetA  treatment.  The  mitochondrial  tubular 

network became  fragmented  and  the mitochondria displayed  a  circular morphology by 

electron microscopy. These circular  cristae are also detected  in patients with a X‐linked 

syndrome called Barth syndrome, which suffer from a mutation in Taffazin gene. Taffazin 

plays a role in cardiolipin remodeling and side chain saturation and cells of these patients 

Page 170: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Summary 

168 

display enhanced cardiolipin saturation that causes mitochondrial ultrastructural as well as 

functional abnormalities. We therefore  investigated the saturation grade of cardiolipin  in 

cells treated with BetA and show that upon BetA treatment cardiolipin side chains get more 

saturated as compared to vehicle treated cells. To investigate how this saturation occurs we 

looked into the function of stearoyl CoA desaturase 1 (SCD‐1) a key enzyme that converts 

saturated fatty acids into unsaturated fatty acids. We observed in several cancer cell lines 

that the activity of SCD‐1 was blocked by BetA, resulting in an increase in saturated fatty 

acids. The role of SCD‐1 inhibition in cardiolipin saturation was further corroborated by the 

use of specific SCD‐1 inhibitors. In addition, exogenously added fatty acids (unsaturated or 

saturated) strongly affected the saturation grade of cardiolipin. When we treated cells with 

BetA or SCD‐1 inhibitor in combination with the saturated fatty acid, palmitate, we observed 

an increase in saturation grade of cardiolipin. In contrast, when using the unsaturated fatty 

acid,  palmitoleic  acid,  cardiolipin  saturation  decreased.  Importantly,  the  BetA  or  SCD‐1 

inhibitor‐induced  mitochondrial  morphology,  cytochrome  c  release,  cell  death  and 

clonogenic growth were all strongly affected by exogenously added fatty acids, confirming 

that the inhibition of SCD‐1 activity is instrumental in inducing cell death.  

Previously we showed that normal cells are less affected by BetA and this is consistent with 

our  current  findings  that  revealed  no morphology  changes  in mitochondria  in  normal 

fibroblasts  upon  BetA  treatment.  As  these  cells  have  less  SCD‐1  activity,  but  more 

importantly do not appear to depend on this activity to acquire unsaturated fatty acids, the 

inhibition of SCD‐1 by BetA or SCD‐1 inhibitor is not as detrimental as compared to tumor 

cells. Taken together these data indicate that cancer cells carry an intrinsic mitochondrial 

vulnerability  that can be effectively  targeted by  inhibition of SCD‐1, using either specific 

inhibitors or BetA, and is not observed in normal fibroblasts. This vulnerability depends on 

enhancing the saturation of cardiolipin leading to altered mitochondrial structure and as a 

consequence mitochondrial leakage and cell death. 

Cancer stem cell sensitivity 

Cancer stem cells are known to be very resistant to therapy. As BetA  is acting  in a broad 

fashion to kill cells we investigated the effect of BetA on colon cancer stem cells. In chapter 

4 we show that BetA induces a rapid cell death in three different colon cancer stem cell lines 

in a time and concentration dependent fashion. Strikingly already after 2 hours an induction 

of cell death is observed. As the spheroid cultures contain both cancer stem cells and more 

differentiated cells, we set out to determine if BetA induces cell death in the cancer stem 

cell population using  FACS‐based  sorting. Using  this  approach we  revealed  that BetA  is 

capable of inducing cell death in both differentiated tumor cells and cancer stem cells. This 

was mirrored in an almost complete loss of clonogenic capacity of these cancer stem cell 

cultures treated with different concentrations of BetA. Already after 2 hours of treatment 

with a low concentration of BetA, clonogenic capacity is reduced in GTG7 cells, while the 

Page 171: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Summary 

  169 

other lines require slightly higher BetA concentrations. In the previous chapter we showed 

that BetA induces cells death via inhibition of SCD‐1. We therefore also investigated the role 

of SCD‐1 in inducing cell death in colon cancer stem cells. Although it takes more time to 

induce cell death with SCD‐1 inhibitors in these cells as compared to BetA, the induction of 

cell death and loss of clonogenic capacity is very efficient. We therefore conclude that SCD‐

1  is  a  crucial  player  in  the maintenance  of  stemness  of  cancer  cells  and  inhibition  is 

incompatible with long‐term survival. Targeting the activity of this enzyme in colon cancer 

stem cells via BetA or chemical inhibitors could therefore be a therapeutic approach. 

Lipidomics 

In chapter 5, we describe the set‐up of a lipidomics pipeline to improve the characterization 

and  identification of phospholipids. To  test  this pipeline we used BetA  treated  samples. 

Using the pipeline we found that we could identify several clusters of peaks belonging to 

different phospholipids. On top of that we could identify also length and saturation grade 

of  these phospholipids. This  resulted  in  the  identification of  total phospholipid  levels of 

vehicle  and  BetA  treated  samples. Differences  in  total phospholipid  levels were mainly 

observed  in  phosphatidylcholine,  phosphatidylglycerol  and  bis‐(monoacylglycero)‐

phosphate. However  in  these phospholipids no differences  in  the  saturation  grade was 

observed  between  samples.  The  only  phospholipid  that  displayed  a  clear  difference  in 

saturation grade was cardiolipin. In BetA treated samples it was clearly visible that the side 

chains of cardiolipin are more saturated as compared to vehicle treated cells. This indicates 

that BetA specifically alters the saturation grade of cardiolipin which eventually results in 

cell death. With this pipeline we show that identification of phospholipids can be automated 

and this method can be used in the clinic for diagnostic purposes.  

Finally,  in chapter 6, the data described  in this thesis are put  in perspective. We showed 

that BetA‐induced cell death does not result of necroptosis or autophagy but likely via a yet‐

undefined pathway. We discuss what the role of autophagy  in BetA‐induced cell death  is 

and what the possible cell death mechanism can be. Moreover we show in this thesis that 

BetA‐induced  cell  death  evolves  due  to  an  inhibition  of  SCD‐1  resulting  in  cardiolipin 

saturation and cell death. We discuss what role BetA, SCD‐1 inhibition and cardiolipin have 

on  cancer and  cancer  stem cells and how  this  can play a  role  in  cancer  therapy.  In  this 

chapter we give perspectives for further investigation to clarify the mechanism of BetA, as 

well as future interventions and therapies are proposed for both BetA and SCD‐1 inhibitor. 

For  the  investigation  of  lipids  we  set‐up  a  lipidomics  pipeline  and  we  give  future 

perspectives of a lipidomics pipeline and use of this pipeline in the clinic.  

In  conclusion, we  believe  our  data  provide  compelling  evidence  that  lipid metabolism, 

specifically the saturation of cardiolipin, can serve as a reliable target  in cancer therapy, 

which is effectively exploited by BetA. 

Page 172: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 173: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

Nederlandse Samenvatting  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

“Well! I've often seen a cat without a grin,' thought Alice 'but a grin without a cat! It's the 

most curious thing I ever saw in my life!” 

Lewis Carroll, Alice in Wonderland 

Page 174: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 175: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Nederlandse Samenvatting 

  173 

Kanker  is een veelvoorkomende  ziekte met 100.000 nieuwe gevallen per  jaar. De  ziekte 

wordt gekenmerkt door ongecontroleerde groei van weefsels vanwege een aanhoudende 

celdeling. Gezonde cellen  in het  lichaam delen alleen wanneer dat nodig  is (bijvoorbeeld 

om wondjes  te  genezen).  Tijdens  celdeling  krijgen  de  cellen  een  specifieke  functie  en 

zodoende ook een specifieke vorm en grootte, dit proces heet differentiatie van de cel. Je 

lichaam heeft stamcellen die ervoor zorgen dat vanuit 1 cel een nieuwe groep cellen ( die 

ook gedifferentieerd zijn) kan groeien. Het delen en differentiëren van cellen gebeurd door 

signalen  die  gegeven  worden.  Deze  signalen  kunnen  van  buiten  de  cel  komen  (zoals 

chemische stofjes, virussen) maar ook van binnenuit (eiwitten). Zowel de uitwendige als de 

inwendige signalen kunnen de cel laten delen of remmen de celdeling. Dit proces van groei 

stimulatie  en  remming  van  groei  staat  onder  strenge  controle  in  de  cel.  Als  cellen 

ontsnappen aan deze controle en er een ontregeling plaatsvindt tussen de balans van groei 

stimulatie  en  groei  remming  in  het  voordeel  van  de  groei  factoren  dan  kan  er  een 

onbeheerste groei ontstaan. Deze onbeheerste groei kan goedaardig of kwaadaardig zijn. 

Bij  kwaadaardige groei  spreken we  van  kanker, deze  cellen  zijn  in  staat om het orgaan 

waarin  ze  zitten  te  vernietigen  en  kunnen  zich  ook  verspreiden  door  het  lichaam. 

Goedaardige tumorcellen beschadigen alleen het orgaan waarin ze zitten en kunnen zich 

niet verspreiden in het lichaam.  

Tot op heden is kanker een ziekte die moeilijk te bestrijden is en zodoende wordt er veel 

onderzoek gedaan naar hoe kankercellen werken en hoe deze anders zijn ten opzichte van 

een  gezonde  cel. Momenteel  zijn  er  vele  soorten  therapieën  in  de  kliniek  beschikbaar, 

echter zijn deze behandelingen (bv chemotherapie en radiotherapie) niet specifiek voor de 

kankercellen en werken ze ook op de gezonde cellen, waardoor de patiënt vaak last heeft 

van bijwerkingen. Door te ontdekken hoe een kankercel werkt, kan men gericht medicijnen 

zoeken  die  de  kankercel  dood  maken,  maar  de  gezonde  cel  geen  schade  berokkent. 

Daarnaast wordt er ook onderzoek gedaan naar nieuwe stoffen die chemisch gemaakt zijn 

of in de natuur zijn gevonden, deze nieuwe stoffen worden getest in een laboratorium op 

verschillende soorten kankercellen om te onderzoeken wat voor effect deze stoffen hebben 

op de vitaliteit van de cellen. Via zo’n soort test is Betulinezuur (BetA) ontdekt. Dit stofje 

dat voorkomt in onder andere berkenbomen blijkt in staat te zijn om kankercellen dood te 

maken terwijl het geen schadelijke effecten heeft op de gezonde cel. Dit proefschrift gaat 

over BetA en hoe het kankercellen dood maakt, daarnaast is er ook een hoofdstuk wat een 

bio‐informatisch algoritme beschrijft over het ontdekken en benoemen van lipiden (vetten) 

In  hoofdstuk  1  beschrijven  we  de  literatuur  van  de  afgelopen  jaren  over  kanker,  de 

therapieën van kanker, de verschillende vormen van celdood die er zijn en het metabolisme 

(stofwisseling) van de cel en hoe deze anders  is  in een kankercel. Daarnaast wordt BetA 

geïntroduceerd, hoe het stofje ontdekt is, en wat er tot nu toe bekend is over onder andere 

het werkingsmechanisme van BetA geïnduceerde celdood. 

Page 176: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Nederlandse Samenvatting 

174 

Het is bekend dat BetA een vorm van gereguleerde celdood induceert die apoptose wordt 

genoemd. Echter als we deze vorm van celdood remmen met specifieke remmers (caspase 

remmers) is er nog een groot deel van de kankercellen welke alsnog dood gaan. Dit is alleen 

mogelijk als er een ander celdood mechanisme is die dit veroorzaakt. In hoofdstuk 2 is er 

gekeken naar welke vormen van celdood er naast apoptose worden geïnduceerd door BetA. 

We  zijn begonnen met het kijken naar necroptose, een vorm van gereguleerde celdood 

welke alleen kan optreden  in een cel als er geen caspases zijn. Om te zien of necroptose 

deel uitmaakt van BetA geïnduceerde celdood hebben we naast apoptose ook necroptose 

geremd. De combinatie van deze remmers zouden als deze vormen van celdood door BetA 

geïnduceerd worden, moeten leiden tot 100% levende cellen aangezien we beiden vormen 

van celdood geremd hebben. Echter zagen we in deze proef dat de kankercellen nog steeds 

dood gingen na behandeling met BetA, hieruit kunnen we concluderen dat een andere vorm 

van celdood betrokken moet zijn.  

De aandacht  is vervolgens gevestigd op autofagie, een vorm van celdood waarbij de cel 

zichzelf als het ware opeet om de opgegeten delen vrij te geven aan de omgeving om als 

voeding te dienen. Vaak wordt autofagie ook gezien als een overlevingsmechanisme, omdat 

de cel zichzelf opeet om andere cellen van bouwstenen te voorzien. Autofagie is een proces 

waarbij onderdelen van de cel in een blaasje worden gestopt, ook wel autofagosoom (een 

soort vuilniszakje) genoemd. Om het “afval” op te ruimen moet het blaasje samensmelten 

met  een  lysosoom  (de  vuilverbranding),  waarbij  de  inhoud  van  het  blaasje  wordt 

afgebroken en gerecycled. Dit proces van complete afbraak wordt ook wel autofagische flux 

genoemd. 

In hoofdstuk 2 laten we zien dat BetA een massale vorm van autofagie induceert, door het 

meten van een eiwitvorm (LC3II) wat voorkomt op de blaasjes (vuilniszakken). Met behulp 

van de microscoop zagen we dikke groene puntjes van het eiwit ontstaan terwijl we met 

eiwitmetingen (Western Blot) zien dat de LC3II vorm zichtbaar wordt na behandeling met 

BetA. Soms gebeurt het wel eens dat het afval niet verwerkt wordt in de lysosomen en dat 

je  daardoor  zo’n  hoge  hoeveelheid  LC3II  meet.  Om  te  zien  of  autofagische  flux  (de 

samensmelting  van  het  blaasje met  lysosoom  en  dus  complete  afbraak  van  het  afval) 

plaatsvindt, is dit gemeten door gebruik te maken van een LC3 eiwit wat is gekoppeld aan 

een rode en groene kleur. Als rood en groen gemengd worden, ontstaat er een gele kleur, 

tijdens het proces van autofagische flux wordt de groene kleur afgebroken in het lysosoom 

terwijl de rode kleur blijft. Behandeling met BetA laat een rode kleur achter in de cellen wat 

tot de conclusie leidt dat er volledige afbraak is. Dit is ook aangetoond door het meten van 

afbraak van radioactieve lang levende eiwitten.  

Mitochondriën  zijn  energiefabriekjes  van  de  cel  en  ze  zijn  betrokken  bij  apoptose. 

Mitochondriën hebben poortjes die open en dicht kunnen, waarbij er stofjes van binnen het 

mitochondrion naar buiten kunnen (bv cytochroom c, wat celdood (apoptose) induceert). 

Page 177: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Nederlandse Samenvatting 

  175 

Eerder onderzoek liet zien dat cyclosporine A (een stofje wat mitochondriale poortjes dicht 

houdt) de kankercellen in leven houdt door remming van apoptose. We waren benieuwd 

wat  dit  stofje  doet  op  de  autofagie  inductie. We  zagen  dat  er minder  autofagie werd 

geïnduceerd in combinatie van BetA met cyclosporine A dan met BetA alleen. Dit suggereert 

dat  geïnduceerde  autofagie  een  gevolg  is  van  de  schade  die  BetA  geeft  aan  de 

mitochondriën.  

Bij autofagie eet de cel zichzelf op om een andere cel van voeding te voorzien. Autofagie is 

al  bij  lagere  concentraties  BetA  te  zien, mogelijk wijzend  op  dat  autofagie  vooral  een 

overlevingsmechanisme is na BetA behandeling. Het is echter ook denkbaar dat de massale 

inductie van autofagie na BetA behandeling resulteert in een disbalans tussen overleving en 

celdood en dat autofagie inductie een celdood mechanisme is. Om dit te onderzoeken is er 

gebruik gemaakt van cellen die bepaalde eiwitten missen die belangrijk zijn voor autofagie 

en zodoende kunnen deze cellen kunnen niet langer autofagie induceren. Als we deze cellen 

behandelden  met  BetA  zagen  we  meer  celdood  ontstaan  en  dus  is  autofagie  een 

overlevingsmechanisme in de cel. Het blijft echter onduidelijk welke vorm van celdood BetA 

naast apoptose induceert. 

In hoofdstuk 3 bestudeerden we de vorm van apoptose meer in diepgang. Apoptose is een 

vorm van gereguleerde  celdood die op 2 manieren plaats kan vinden. Via een  receptor 

pathway ( een sleutel en slot principe, je steekt een sleutel in een slot en het slot kan open, 

waarbij de sleutel een proces  in gang zet waarbij stofjes aangezet worden die  leiden tot 

celdood) of via een mitochondriale pathway  (waarbij het energiefabriekje van de cel  lek 

raakt en er stofjes (oa. cytochroom c) vrij komen die celdood induceren). Omdat BetA de 

mitochondriale route induceert hebben we gekeken wat er gebeurt met de mitochondriën 

zelf. We zagen dat de structuur van de mitochondriën verandert na behandeling met BetA. 

Het  binnen  membraan  (cristae)  van  de  mitochondriën  wat  normaal  gesproken  lange 

strepen laat zien is na behandeling met BetA rond geworden. Dit is een zeer opmerkelijke 

waarneming en deze ronde structuren van de cristae van mitochondriën zijn ook zichtbaar 

in  Barth  syndroom  patiënten.  Deze  patiënten  hebben  een  defect  in  het  Taffazin  gen 

waardoor zij een meer verzadigde vorm hebben van cardiolipine (CL).  

CL  is  een  lipide  (vet)  wat  vier  vetzuurketens  heeft  en  voornamelijk  voorkomt  in  de 

mitochondriën  waar  het  betrokken  is  bij  de  structuur  van  de  cristae  en  tevens  ook 

cytochroom c vasthoudt  in de mitochondriën. De  zijketens van CL kunnen verschillen  in 

lengte en  in verzadigingsgraad. Meer verzadigd vet (zoals roomboter) betekend dat deze 

minder flexibel is als onverzadigd vet (zoals olie). Het is belangrijk voor de cel om een juiste 

balans  te hebben  tussen  verzadigd en onverzadigd  vet, omdat  veel  verzadiging  leid  tot 

starre vetten die niet meer flexibel zijn en aangezien vetten voorkomen in membranen kan 

dit leiden tot structuur veranderingen en verandering in functionaliteit van het membraan.  

Page 178: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

Nederlandse Samenvatting 

176 

Omdat de veranderingen in de mitochondriale cristae na BetA behandeling zo lijken op de 

cristae in Barth syndroom patiënten hebben we de levels en verzadiging van CL gemeten. 

We zagen dat CL meer verzadigd raakt na behandeling met BetA. We vroegen ons toen af 

wat de oorzaak is van verzadiging. In het lichaam worden vetten opgenomen uit de voeding 

of kunnen worden aangemaakt. In kankercellen maakt de cel liever vetten aan dan dat het 

deze opneemt uit de voeding, waarschijnlijk omdat kankercellen  zo  snel delen en meer 

vetten nodig hebben als bouwsteen. Nieuwe vetten maken gebeurt via een  ingewikkeld 

proces wat resulteert in een verzadigd vetzuur. Het lichaam maakt onverzadigde vetten via 

een  enzym  stearoyl‐CoA  desaturase  1  (SCD‐1) wat  het  verzadigd  vetzuur  omzet  in  een 

onverzadigd vetzuur. Deze vetzuren kunnen dan in alle lipiden ingebouwd worden.  

We bedachten dat BetA misschien invloed heeft op dit enzym, zodoende werd de activiteit 

van dit enzym gemeten. We zagen dat na BetA behandeling of behandeling met een SCD‐1 

remmer de activiteit van dit enzym was geremd en er dus meer verzadigd vetzuur aanwezig 

was in de cellen. De vraag was nu of remming van SCD‐1 met een specifieke SCD‐1 remmer 

ook dezelfde  veranderingen  in de mitochondriën opleverde, en  inderdaad  remmen  van 

SCD‐1 met de SCD‐1 remmer leidt ook tot mitochondriale veranderingen en CL verzadiging. 

We  hebben  daarna  gekeken  of  het  toevoegen  van  extra  onverzadigde  vetzuren  in 

combinatie met BetA de morfologie van de mitochondriën hersteld en of ook CL levels weer 

normaal werden. Het  toevoegen  van  extra onverzadigde  vetzuren bij BetA behandeling 

resulteerde  in  vermindering  van  veranderingen  in  de  mitochondriën  en  ook  in  CL 

verzadigingsgraad.  Het  tegenovergestelde  werd  aangetoond  met  de  combinatie  van 

verzadigd vetzuur en BetA, in deze combinatie werd de structuur van de mitochondriën nog 

slechter  dan met  BetA  alleen  en  ook waren  de  CL  levels meer  verzadigd  dan  na  BetA 

behandeling alleen. Daarnaast  lieten we zien dat BetA of SCD‐1 beiden cytochroom c vrij 

laten uit de mitochondriën en celdood induceren en dat de combinatie van SCD‐1 remming 

(door BetA ofwel  SCD‐1  remmer)  en  extra  verzadigd  vetzuur  tot meer uitscheiding  van 

cytochroom  c  leiden  en  tot  grotere  inductie  van  celdood.  Dit  terwijl  toevoeging  van 

onverzadigd vetzuur de schadelijke effecten van BetA of SCD‐1 tegengaan en er juist minder 

cytochroom c vrijgelaten wordt en er minder celdood ontstaat. In dit hoofdstuk hebben we 

een nieuwe  celdood  route ontdekt die  specifiek kankercellen  raakt. Gezonde  cellen  zijn 

minder afhankelijk van SCD‐1 activiteit dan kankercellen en daardoor zijn kankercellen veel 

gevoeliger voor BetA. 

Kankerstamcellen zijn een onderdeel van de tumor die zelf vernieuwende eigenschappen 

hebben en in verschillende andere cellen kunnen differentiëren. Er wordt van deze cellen 

gedacht dat  zij  zorgen  voor het  terugkomen  van de  kanker na behandeling  en  voor de 

verspreiding  (metastasering)  van de  tumor door het  lichaam. Kankerstamcellen  kunnen 

namelijk van 1 losse cel een hele nieuwe groep kankercellen maken en kankerstamcellen 

zijn ook nog eens erg ongevoelig voor de verschillende vormen van  therapie. Een grote 

uitdaging in het kankeronderzoek is dan ook het begrijpen hoe deze cellen werken en het 

Page 179: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  Nederlandse Samenvatting 

  177 

vinden  van  therapieën die ook deze  cellen dood maken.  In hoofdstuk 4 hebben we de 

werking van BetA op darmkankerstamcellen getest. Tot onze verbazing werkt BetA zeer 

effectief op kankerstamcellen en zelfs sneller dan in kankercellen. Al na 2 uur zien we een 

celdood inductie in de totale populatie van de cellen. Als we specifiek kijken naar het effect 

op  kankerstamcellen  zien  we  dat  BetA  ook  in  10%  van  de  kankerstamcellen  celdood 

induceert en daarnaast werd ook een verlaging van zelfvernieuwing werd geobserveerd. De 

huidige standaardtherapie voor darmkanker, oxaliplatin bleek in langdurige experimenten 

minder effectief dan BetA in het verminderen van uitgroei van de darmkankerstamcellen. 

Dit suggereert dat bij oxaliplatin resistentie tegen het middel op lijkt te treden terwijl dit bij 

BetA  niet  gebeurd. Om  te  kijken  of  darmkankerstamcellen  ook  de  beschreven  nieuwe 

celdood route uit hoofdstuk 2 volgen werden darmkankerstamcellen behandeld met SCD‐1 

remmer. Ook met SCD‐1 remmer werd een celdood geïnduceerd, echter was deze niet zo 

snel als bij BetA. Verder onderzoek naar het precieze mechanisme en de werking van BetA 

in darmkankerstamcellen is nodig. 

Omdat het  remmen  van  SCD‐1  (via BetA of  SCD‐1  remmer)  leidt  tot een ophoping  van 

verzadigde vetzuren die in elk lipide ingebouwd kunnen worden hebben we gekeken wat 

de effecten van BetA op  lipiden  in het algemeen  is  (dus niet alleen CL). Het meten van 

lipiden (vetten) is een langdurig en ingewikkeld proces. Zodoende hebben we in hoofdstuk 

5  alle  lipiden  geanalyseerd  met  een  nieuwe  methode  (lipide  pipeline)  die  sneller  en 

nauwkeuriger lipiden kan herkennen. We beschrijven de opzet van deze pipeline en testen 

we de werking van deze methode door gebruik te maken van BetA behandelde cellen. Met 

deze nieuwe bio‐informatische methode kunnen we veel sneller en meer lipiden herkennen 

en benoemen dan voorheen. We hebben verschillende fosfolipiden kunnen identificeren en 

we hebben bekeken wat de verschillen waren tussen onbehandelde en behandelde cellen. 

We zagen dat er significante verschillen waren in de totale waarden van sommige lipiden 

(bv PG en BMP).  In CL  totaal  levels  is geen  significant verschil gevonden  terwijl we wel 

verschil  zien  in  verzadigingsgraad  van de  zijketens.  In PG en BMP daarentegen  zien we 

verschillen  in  totale  levels maar  niet  in  de  verzadiging. Waarom  BetA  alleen  CL meer 

verzadigd maakt moet verder worden onderzocht. 

In hoofdstuk 6 worden de resultaten van de voorgaande hoofdstukken bediscussieerd in de 

context van literatuur en wordt er besproken hoe BetA en SCD‐1 remming een rol kunnen 

spelen in toekomstige therapie. Tevens bespreken we de rol van deze lipide pipeline in de 

kliniek. 

Samenvattend laten we zien dat vetzuurmetabolisme, in het specifiek CL verzadiging, een 

zwakke schakel  is  in de kankercel en dat dit een mogelijk nieuw aangrijpingspunt  is voor 

therapie. 

Page 180: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 181: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

List of Publications  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

“Why, sometimes I’ve believed as many as six impossible things before breakfast.” 

Lewis Carroll, Alice in Wonderland 

Page 182: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 183: UvA-DARE (Digital Academic Repository) Mechanisms of ... · Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette Potze 2015 Mechanisms of Betulinic acid-induced cell death Lisette

  List of publications 

  199 

Potze L*, Pras‐ Raves ML*, van Lenthe H, Vervaart MAT, Kessler J.H, Luyf AC, Medema JP, et al. Improved identification of lipids using physico‐chemical properties: application to lipidomics analysis of Betulinic acid treatment Manuscript submitted * Equal contribution 

Potze L*, di Franco S*, Kessler JH, Stassi G Medema JP. Betulinic acid induces a rapid form of cell death in colon cancer stem cells. Manuscript submitted. *Equal contribution 

Potze L, Di Franco S, Grandela C, Pras‐Raves ML, Picavet DI, van Veen HA, et al. Betulinic acid induces a novel cell death pathway that depends on cardiolipin modification. Oncogene. 2015. 

Tirinato L, Liberale C, Di Franco S, Candeloro P, Benfante A, La Rocca R, Potze L, et al. Lipid droplets: a new player in colorectal cancer stem cells unveiled by spectroscopic imaging. Stem cells. 2015;33(1):35‐44. 

Potze L, Mullauer FB, Colak S, Kessler JH, Medema JP. Betulinic acid‐induced mitochondria‐dependent cell death is counterbalanced by an autophagic salvage response. Cell DeathDis. 2014;5:e1169.