Association of Genetic Variations with Pemetrexed-Induced Cytotoxicity in Non-Small Cell Lung Cancer Cells

비소세포폐암 세포주에서 pemetrexed의 세포독성과 유전학적 다형성과의 상관성 조사

Pemetrexed has demonstrated clinical activity in non-small cell lung cancer (NSCLC) as well as other solid tumors. It transports into the cells via reduced folate carrier (RFC) and is polyglutamated by folypolyglutamate synthetase (FPGS). Pemetrexed directly inhibits several folate-dependent enzymes such as thymidylate synthase (TS), dihydrofolate reductase (DHFR), and glycinamide ribonucleotide formyltransferase (GARFT). We investigated the effects of genetic variations and the expression of RFC, FPGS, TS and DHFR enzymes on drug sensitivity to pemetrexed in NSCLC cells. Polymorphisms in RFC, FPGS, and DHFR were genotyped in four NSCLC cells - A549, PC14, HCC-1588, and H226. Real-time RT-PCR and Western blot was performed to evaluate mRNA transcripts and protein of these genes. The cytotoxicity of pemetrexed was measured by SRB assay. In PC14 and H226 cells, increased mRNA expressions of RFC and FPGS were associated with higher cytotoxicity to pemetrexed. 2R/2R genotype of TS and its increased mRNA expression were associated with drug resistance to pemetrexed in A549 cells, whereas 3R/3R genotype in TS with decreased mRNA expression was associated with higher sensitivity in H226 cells. After pemetrexed treatment, an inverse change of DHFR mRNA and protein expression was found. The strongest linkage disequilibrium (LD) was discovered between-1726C>T and -1188A>C SNP of DHFR gene. Our findings suggest the cytotoxic effect of pemetrexed may be associated with genetic polymorphisms and the expression level of genes involved in pemetrexed metabolisms in NSCLC cells.

페메트렉시드(pemetrexed, $alimta^{(R)}$)는 중피종(mesothelioma)과 비소세포폐암 (non-small cell lung cancer)을 비롯한 다양한 암종에서 엽산(folate) 대사과정에 관여하는 대사물질의 활성을 억제하여 항암효능을 나타낸다. 다중표적 항암제 (multitargeted antifolate)인 pemetrexed는 엽산의 세포내 주요 이동통로인 reduced folate carrier(RFC)를 통해 세포 내로 유입된 후 folylpolyglutamate synthetase (FPGS)에 의해 폴리글루타민산염(polyglutamate) 유도체로 활성되고 thymidylate synthase (TS)와 dihydrofolate reductase (DHFR)를 표적하는 것으로 알려져 있다. 조직형이 서로 다른 비소세포폐암 세포주를 선정하여 pemetrexed의 대사과정에 관여하는 유전자들의 단일염기서열 다형성을 조사하고, mRNA와 단백질의 발현 정도를 비교하여 pemetrexed의 세포독성 효과와의 상관성을 분석하였다. 4개의 비소세포폐암 세포주인 A549, PC14, HCC-1588과 H226에서 RFC, FPGS, TS와 DHFR의 유전형을 조사하였다. Pemetrexed의 약물의 감수성을 알아보기 위해 real-time PCR과 Western blot 방법으로 mRNA 발현과 단백질 발현 정도를 비교하였고, SRB 법으로 약물에 대한 세포독성 효과를 측정했다. PC14 세포주와 H226 세포주에서는 약물처리 전 RFC와 FPGS의 mRNA 발현이 높은 것으로 나타났고, $IC_{50}$값이 각각 $0.08{\pm}0.01\;uM$과 $0.07{\pm}0.01\;uM$로 pemetrexed에 대한 감수성이 높은 것을 알 수 있었다. A549 세포주에서 TS의 유전형이 2R/2R일 때 mRNA발현이 증가하고 pemetrexed의 약물 저항성과 관련이 있었다. 반면, TS의 유전형이 3R/3R로 나타난 H226에서는 mRNA 발현이 낮은 것을 알 수 있었지만 pemetrexed의 높은 감수성과 관련이 있었다. 세포주 모두에서 pemetrexed 약물처리 후 DHFR의 mRNA 발현은 약물처리 전보다 낮아지는 경향을 보였지만 단백질 발현은 오히려 증가하는 상반된 결과를 보였다. 또한 DHFR 프로모터에 위치한 -1726C>T, -1188A>C SNP는 서로 연쇄 불평형 상태(linkage disequilibrium, LD)에 있었다. 연구결과에서 pemetrexed의 세포독성 효과는 약물 대사과정에 관여하는 여러 분자들의 유전형과 발현 정도에 의해 결정되는 것을 알 수 있었고, 다양한 분석결과를 토대로 항암효능을 평가하는 것이 필요하다고 생각된다.