(The) mechanism of inhibitory effects of bortezomib on human colon cancer cell lines

국문 초록 (Abstract)

연구배경: Bortezomib은 proteasome 억제제로 현재 다발성 골수종에서 그 효과가 입증되어 있다. 대장암은 최근 그 발생이 증가하고 있으나 상대적으로 효과적인 약제가 적은 편으로 새로운 약제 개발에 대한 필요성이 제기되고 있다. 본 연구는 여러 대장암 세포주에 대한 bortezomib의 억제 효능을 확인하고 그 기전을 연구하고자 계획되었다.
연구방법: 대장암 세포주에서 bortezomib 처리한 후 세포 주기 제어에 관여하는 단백질의 발현 및 활성을 분석하고 이들 단백질과 활성 산소 간의 연관성 규명을 통해 bortezomib의 억제 기전을 규명하고자 하였다.
연구결과: Bortezomib 처리 후 대장암 세포주 모두에서 G2-M arrest가 공통적으로 유도되었다. G2-M arrest에 관여하는 것으로 잘 알려진 단백질인 ATM의 인산화가 bortezomib 처리 후 증가하였으며, 이로 인해 CHK1 단백질의 인산화 또한 증가됨을 확인하였다. CHK1 단백질의 하위 신호 단백질이면서 negative regulation 받는 cdc2 단백질의 활성이 CHK1 단백질의 활성으로 인해 억제됨을 확인하였다. 더욱이 bortezomib 처리에 따른 대장암 세포주에서 활성 산소 (reactive oxygen species, ROS)의 증가가 ATM 인산화를 유도한다는 사실을 확인하였다. ROS 증가, ATM-CHK1 경로 활성화를 통한 G2-M arrest는 대표적인 대장암 세포주에서 공통적으로 관찰되었으며, 이러한 현상은 특히 KRAS, p53의 유전자형과도 무관하게 관찰되었다. 특히 wild-type p53을 가지는 대장암 세포주에서는 bortezomib 처리 후 p53 활성이 증가하였으며, p53 증강제 (nutlin-3a)를 bortezomib과 병용하였을 때 세포 증식 억제에 synergy가 있음을 확인하였다.
결론: 대장암 세포주에서 bortezomib은 G2-M arrest을 통해 세포 증식 억제를 유발함이 관찰되었다. Bortezomib으로 세포 내 ROS 농도가 증가하여 대장암 세포 내 DNA 손상을 유발하고, 잇달아 ATM-CHK1 신호 전달 체계의 활성화 유도되는 것이 그 기전으로 추정된다. 또한 wild-type p53을 가지는 대장암 세포주에서 p53 증강제 (nutrlin-3a)를 bortezomib과 병용 투여 한 경우 세포 억제 효과의 synergy가 관찰되었는데, KRAS 돌연변이 여부와는 무관하였다. 대장암 세포의 다양성을 고려할 때, 관찰된 연구결과가 모든 대장암에 공통적으로 적용될 수 있다고는 아직 확정할 수 없으나, 기존의 항암제 치료에 잘 반응하지 않는 KRAS 돌연변이를 가지는 대장암 환자에 대한 새로운 치료법 개발의 가능성을 보여주는 것으로 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Colorectal cancer (CRC) is one of the most common cancer types, however, newer drug development has reached a plateau at present. Bortezomib (PS-341, Velcade®) is a proteasome inhibitor and approved in the treatment of hematologic malignancies including multiple myeloma. A few trials of bortezomib alone or combination chemotherapy for CRC patients have been reported, however, the results were not so satisfactory, and it might be due to the lack of understanding on the action mechanism. In this report, we suggest the possibility of using bortezomib as a proteasome inhibitor in human colon cancer cells. Although bortezomib has been known to induce apoptosis and cell cycle arrest in various human cancer cells, the inhibitory mechanism of it was not clear. First, bortezomib induced G2-M arrest in the human colon cancer cells. Its treatment causes an increase of intracellular reactive oxygen species (ROS) levels and activation of ATM-CHK1 pathway, but not ATR. Also, activation of that pathway led to inactivation of cdc2. Moreover, treatment with N-acetylcysteine (NAC), ROS scavenger, inhibited phosphorylation of ATM and subsequent to decrease of cell number at G2-M phase in response to bortezomib indicating that the increased level of ROS after exposure to bortezomib is a result of ATM phosphorylation. In addition, knockdown of endogenous ATM by RNA interference induced the decreased sensitivity to bortezomib. Therefore, these results suggest that bortezomib induces p53-independent G2-M arrest through ROS-inducible ATM phosphorylation and shows synergistic antitumor activity when combined with p53 inducer in human colon cancer cells with wild-type p53, implying a potential possibility of further investigations in the treatment of CRC patients.