Kim, Mi-Young;Kruger, Annie J.;Jeong, Ju-Yeon;Kim, Jaehee;Shin, Phil kyung;Kim, Sun Young;Cho, Joo Young;Hahm, Ki Baik;Hong, Sung Pyo
Molecules and Cells
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v.42
no.6
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pp.448-459
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2019
The phosphoinositide 3-kinase/protein kinase B/mammalian target of rapamycin (PI3K/AKT/mTOR) signaling pathway is a promising target for gastric cancer (GC) treatment; however the efficacy of PI3K/mTOR dual inhibitors in GC has not yet been maximized. Additionally, the effect of autophagy regulation by PI3K/mTOR dual inhibitors has not been clearly elucidated in GC treatment. We aimed to show that our newly developed PI3K/mTOR dual inhibitor, CMG002, when combined with an autophagy inhibitor, chloroquine (CQ), potently induces effective cancer cell death in Epstein-Barr virus (EBV)-associated gastric cancer (EBVaGC) cells, where both the PI3K/AKT/mTOR and autophagy pathways play important roles in disease pathogenesis. EBV- and mock-infected AGS and NUGC3 GC cell lines were treated with CMG002 +/- CQ. PI3K/AKT/mTOR signaling pathway mediators, cellular apoptosis and autophagy markers were confirmed by Western blot assay. Cell viability was assessed using the Cell Counting Kit-8 (CCK-8) assay. CMG002 effectively blocked the PI3K/AKT/mTOR pathway by markedly decreasing phosphorylation of AKT and its downstream mediator S6. CMG002 induced G0/G1 cell cycle arrest and enhanced apoptotic cell death in AGS and NUGC3 cells, particularly EBV-infected cells compared with mock-infected cells, as confirmed by flow cytometric analyses and TUNEL (terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling) assays. The combination of CMG002 plus CQ synergistically increased apoptotic cell death in EBV-infected GC cell lines when compared with CMG002 alone (P < 0.05). Our results suggest that the new PI3K/mTOR dual inhibitor, CMG002, when used in combination with the autophagy inhibitor, CQ, provides enhanced therapeutic efficacy against EBVaGC.
Molecular targeting for the altered signaling pathways has been proven to be effective for the treatment of many types of human cancer, including colorectal cancer (CRC). The dual phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K) and mammalian target of rapamycin (mTOR) inhibitor BEZ235 has shown to exhibit potent antitumor activity against solid tumors. Autophagy is a cellular lysosomal catabolic process to maintain metabolic homeostasis, which has been known to be induced in response to many therapeutic agents in cancer cells. This process is negatively regulated by mTOR and often acts as prosurvival or prodeath mechanism following cancer therapeutics. The current study was designed to investigate the antiproliferation activity of BEZ235 and to evaluate the role of autophagy induced by BEZ235 using HCT15 CRC cells bearing ras oncogene mutation. We found that BEZ235 decreases cell viability, which was mostly dependent on $G_1$ arrest of cell cycle via suppression of cyclin A expression. BEZ235 affects PI3K/Akt/mTOR signaling pathway by increasing the phosphorylation of AKT at $Ser^{473}$ and RAS/RAF/MEK/ERK pathway by decreasing the phosphorylation of ERK at $Tyr^{204}$. BEZ235 also stimulated autophagy induction as evidenced by the increased expression of LC3-II and abundant acidic vesicular organelles (AVOs) in the cytoplasm. In addition, the combination of BEZ235 with autophagy inhibitor chloroquine, a known antagonist of autophagy, counteracted the antiproliferation effect of BEZ235. Thus, our study indicates that autophagy induced in response to BEZ235 treatment appears to act as cell death mechanism in HCT15 CRC cells.
Background: The phosphoinositide 3-kinase (PI3K)/Akt/mammalian target of rapamycin (mTOR) signaling axis has emerged as a novel target for cancer therapy. Agents that inhibit this pathway are currently under development for lung cancer treatment. In the present study, we have tested whether dual inhibition of PI3K/Akt/mTOR signaling can lead to enahnced antitumor effects. We have also examined the role of autophagy during this process. Methods: We analyzed the combination effect of the mTOR inhibitor, temsirolimus, and the Akt inhibitor, GSK690693, on the survival of NCI-H460 and A549 non-small cell lung cancer cells. Cell proliferation was determined by MTT assay and apoptosis induction was evaluated by flow cytometry and terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling assay. Autophagy induction was also evaluated by acridine orange staining. Changes of apoptosis or autophagy-related proteins were evaluated by western blot analysis. Results: Combination treatment with temsirolimus and GSK690693 caused synergistically increased cell death in NCI-H460 and A549 cells. This was attributable to increased induction of apoptosis. Caspase 3 activation and poly(ADP-ribose) polymerase cleavage accompanied these findings. Autophagy also increased and inhibition of autophagy resulted in increased cell death, suggesting its cytoprotective role during this process. Conclusion: Taken together, our results suggest that the combination of temsirolimus and GSK690693 could be a novel strategy for lung cancer therapy. Inhibition of autophagy could also be a promising method of enhancing the combination effect of these drugs.
Autophagy is a homeostatic degradation process that is involved in tumor development and normal development. Autophagy is induced in cancer cells in response to chemotherapeutic agents, and inhibition of autophagy results in enhanced cancer cell death or survival. Chloroquine (CQ), an anti-malarial drug, is a lysosomotropic agent and is currently used as a potential anticancer agent as well as an autophagy inhibitor. Here, we evaluate the characteristics of these dual activities of CQ using human colorectal cancer cell line HCT15. The results show that CQ inhibited cell viability in dose- and time-dependent manner in the range between 20 to 80 uM, while CQ did not show any antiproliferative activity at 5 and 10 uM. Cotreatment of CQ with antitumor agent NVP-BEZ235, a dual inhibitor of PI3K/mTOR, rescued the cell viability at low concentrations meaning that CQ acted as an autophagy inhibitor, but CQ induced the lethal effect at high concentrations. Acridine orange staining revealed that CQ at high doses induced lysosomal membrane permeabilization (LMP). High doses of CQ produced cellular reactive oxygen species (ROS) and cotreatment of antioxidants, such as NAC and trolox, with high doses of CQ rescued the cell viability. These results suggest that CQ may exert its dual activities, as autophagy inhibitor or LMP inducer, in concentration-dependent manner.
Kim, Taewan;Kim, Taehyung;Choi, Soonyoung;Ko, Hyeran;Park, Deokbae;Lee, Youngki
Development and Reproduction
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v.22
no.2
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pp.133-142
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2018
Patients with type II diabetes mellitus are more susceptible to colorectal cancer (CRC) incidence than non-diabetics. The anti-diabetic drug metformin is most commonly prescribed for the treatment of this disease and has recently shown antitumor effect in preclinical studies. The aberrant mutational activation in the components of RAS/RAF/MEK/ERK and PI3K/AKT/mTOR signaling pathway is very frequently observed in CRC. We previously reported that metformin inhibits the phosphorylation of ERK and BEZ235, a dual inhibitor of PI3K and mTOR, has anti-tumor activity against HCT15 CRC cells harboring mutations of KRAS and PIK3CA. Therefore, we hypothesized that simultaneous inhibition of two pathways by combining metformin with BEZ235 could be more effective in the suppression of proliferation than single agent treatment in HCT15 CRC cells. Here, we investigated the combinatory effect of metformin and BEZ235 on the cell survival in HCT15 CRC cells. Our study shows that both of the two signaling pathways can be blocked by this combinational strategy: metformin suppressed both pathways by inhibiting the phosphorylation of ERK, 4E-BP1 and S6, and BEZ235 suppressed PI3K/AKT/mTOR pathway by reducing the phosphorylation of 4E-BP1 and S6. This combination treatment synergistically reduced cell viability. The combination index (CI) values ranged from 0.44 to 0.88, indicating synergism for the combination. These results offer a preclinical rationale for the potential therapeutic option for the treatment of CRC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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