Microenvironmental stress, which is naturally observed in solid tumors, has been implicated in anticancer drug resistance. This tumor-specific stress causes the degradation of topoisomerase $II{\alpha}$, rendering cells resistant to topoisomerase $II{\alpha}$-targeted anticancer agents. In addition, microenvironmental stress can induce the overexpression of 78kDa glucose regulated protein (GRP78), which can subsequently block the activation of apoptosis induced by treatment with anticancer agents. Therefore, inhibition of topoisomerase $II{\alpha}$ degradation and reduction in GRP78 expression may be effective strategies for inhibiting anticancer drug resistance. In this study, we investigated the active compound arctigenin, which inhibited microenvironmental stress-induced etoposide resistance in HT-29 cells. Arctigenin was also highly toxic to etoposide-resistant HT-29 cells, with an $IC_{50}$ value of $10{\mu}M$ for colony formation. We further showed that arctigenin inhibited the degradation of topoisomerase $II{\alpha}$ and reduced the expression of GRP78. Thus, these results suggest that arctigenin is a novel therapeutic agent that inhibits resistance to etoposide associated with microenvironmental stress conditions.
Oh, Jung-Min;Kim, Young-Eun;Hong, Beom-Ju;Bok, Seoyeon;Jeon, Seong-Uk;Lee, Chan-Ju;Park, Dong-Young;Kim, Il Han;Kim, Hak Jae;Ahn, G-One
Journal of Radiation Protection and Research
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제43권2호
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pp.66-74
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2018
Background: Tumor response to anticancer therapies can much be influenced by microenvironmental factors. In this study, we determined the effect of these microenvironmental factors on DNA methylation using A549 human lung adenocarcinoma cell line. Materials and Methods: We subjected A549 cells to various conditions mimicking tumor microenvironment including hypoxia, acidosis (sodium lactate), oxidative stress ($H_2O_2$), bystander effect (supernatant from doxorubicin (Dox)-treated or irradiated cells), and immune cell infiltration (supernatant from THP-1 or Jurkat T cells). Genomic DNA was isolated from these cells and analyzed for DNA methylation. Clonogenic cell survival, gene expression, and metabolism were analyzed in cells treated with some of these conditions. Results and Discussion: We found that DNA methylation level was significantly decreased in A549 cells treated with conditioned media from Dox-treated cells or Jurkat T cells, or sodium lactate, indicating an active transcription. To determine whether the decreased DNA methylation affects radiation sensitivity, we exposed cells to these conditions followed by 6 Gy irradiation and found that cell survival was significantly increased by sodium lactate while it was decreased by conditioned media from Dox-treated cells. We further observed that cells treated with conditioned media from Dox-treated cells exhibited significant changes in expression of genes including BAX and FAS (involved in apoptosis), NADPH dehydrogenase (mitochondria), EGFR (cellular survival) and RAD51 (DNA damage repair) while sodium lactate increased cellular metabolism rather than changing the gene expression. Conclusion: Our results suggest that various tumor microenvironmental factors can differentially influence DNA methylation and hence radiosensitivity and gene expression in A549 cancer cells.
The presence of hypoxic cells in solid tumors has long been considered a problem in cancer treatment such as in radiation therapy or treatment with some anticancer drugs. It has been suggested that hypoxic cells are involved in the development of a more aggressive phenotype and contribute to metastasis. In this study, as an attempt to understand how tumor cells adapt to hypoxic stress, we investigated the regulation of the hypoxia-induced expression of proteins that control essential processes of tumor cell survival and angiogenesis. We first examined whether hypoxia induces stress protein gene expression of murine solid tumor RIF cells. We also examined hypoxia-induced changes in angiogenic gene expression in these cells. Finally, we investigated the association of the elevated levels of stress proteins with the regulation of hypoxia-induced angiogenic gene expression. Results demonstrated that hypoxia induced the expression of the erythropoietin (EPO) gene and at least two major members of stress proteins, heat shock protein 70 (HSP70) and 25 (HSP25) in RIF tumor cells. Evidence that the expression of EPO gene was greatly potentiated in TR cells suggested that the elevated levels of HSPs may play an important role in the regulation of the hypoxia-induced EPO gene expression. One of the RIF variant cell lines, TR, displays elevated levels of HSPs constitutively. Taken together, our results suggest that a hypoxic tumor microenvironment may promote the survival and malignant progression of the tumor cells by temporarily increasing the level of stress proteins and expressing angiogenic genes. We suspect that stress proteins may be associated with the increase of the angiogenic potential of tumor cells under hypoxia.
암조직의 내부에서 hypoxia와 glucose depletion 등의 microenvironmental stress를 받게 되면 necrosis가 유도되고, 실제로 암 조직 내부에서 necrotic core 형성이 관찰된다. Necrotic cells은 high mobility group box 1(HMGB1)를 extracellular space로 방출하는 것으로 알려져 있다. 방출된 HMGB1은 tumor-promoting cytokine으로 작용함으로써 tumor development 시 inflammation, metabolism 및 metastasis에 기여한다. 본 연구에서 non-invasive breast cancer cells MCF-7이 solid tumor의 in vitro model인 multicellular tumor spheroid (MTS) 배양을 통해 완전한 구형의 MTS를 형성하며 MTS가 성장함에 따라 inner region에 necrosis가 유도됨을 밝혔다. 또한 MCF-7 세포의 MTS 배양은 Snail 의존적으로 epithelial-mesenchymal transition (EMT)를 유도함을 관찰하였다. HMGB1의 cell surface receptors인 RAGE, TLR2, TLR4 발현이 MTS 배양에 의해 증가됨을 발견하였다. RAGE, TLR2, TLR4 를 knockdown한 결과 MTS 성장을 억제할 뿐만 아니라 MTS에 의해 증가되는 Snail 발현을 억제함을 밝혔다. 이는 MTS-induced Snail 발현이 RAGE/TLR2/TLR4의존적으로 조절되며 RAGE/TLR2/TLR4-Snail이 MTS 성장에 관여하는 것으로 보인다. 또한 Snail, RAGE, TLR2, TLR4 shRNA는 MTS 배양에 의해 유도되는 EMT를 억제함을 밝혔다. 실제 인간 암조직에서 정상조직에 비해 RAGE, TLR2, TLR4 유전자의 발현이 높음을 관찰하였다. 따라서 HMGB1이 RAGE/TLR2/4-Snail axis를 통해 MTS 배양에 따른 성장 및 EMT에 중요하게 작용할 것으로 예상된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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