Anden del Echinacosid inducerer apoptotisk kræftcelledød ved at hæmme nukleotidpuljen desinficerende enzym MTH1

Anden del Hvordan hæmmer echinacosid celleapoptose og forbedrer hukommelsen

Kontakt ali.ma@wecistanche.com for at få flere oplysninger

Klik her for del et

Diskussion

Echinacosideer en naturlig forbindelse isoleret fra lægeplanterneCistancheog Echinacea. 51,52 Det har vist sig at besidde alsidige sundhedsfremmende og sygdomsforebyggende egenskaber, herunder neural beskyttelse, hepatobeskyttelse og anti-inflammation, antitræthed, antisenescens, antidiabetes og antitumoraktiviteter.53-58 Den bedst kendte og accepterede bioaktivitet afEchinacosideer dets antioxidative og ROS-opfangende virkning; 44,45 har det imidlertid også vist sig at forårsage oxidative DNA-skader i kræftceller, hvor de underliggende mekanismer forbliver uklare.58 I den foreliggende undersøgelse, ved brug af en high-throughput in vitro screeningsassay, det fandt viEchinacosidehæmmede effektivt den MTH1-katalyserede enzymatiske reaktion. Forøgelse af mængden af ​​MTH1-enzymet reducerede graden af ​​inhibering, mens en forøgelse af mængden af ​​den uorganiske pyrophosphatase ikke påvirkede inhiberingen, hvilket indikerer, atEchinacosideinhiberede specifikt aktiviteten af ​​MTH1 i in vitro assayet. Behandling af forskellige humane cancercellelinjer medEchinacosideforårsagede en betydelig forhøjelse af det cellulære 8-oxoG-niveau uden at ændre det cellulære ROS-niveau. I betragtning af, at Echinacoside i sig selv er en potent antioxidant, tydede disse resultater på, at det øgede intracellulære 8-oxoG-niveau sandsynligvis skyldtes hæmningen af ​​cellulær MTH1 vha.Echinacoside.

Klik på Cistanche vitamin for hukommelse

Behandling medEchinacosideforårsagede omfattende DNA-skader og signifikant opregulering af G1/S-CDK-blokkeren p21, som blev efterfulgt af markant apoptotisk celledød og undertrykkelse af celleproliferation specifikt i cancer, men ikke i ikke-cancerceller. Endvidere et fremtrædende tab af mitokondriemembranpotentiale efterEchinacosidebehandling indikerede aktivering af den iboende apoptosevej. Echinacoside-inducerede DNA-skader og opregulering af p21 blev observeret inden for 5 timer efter behandling, mens cancercelleapoptose, afbrydelse af mitokondriel membranpotentiale og væksthæmning blev observeret 12 timer efter behandlingsstart. Disse data understøtter, at cancercelleapoptose og væksthæmning var resultaterne af de omfattende DNA-skader forårsaget af inhiberingen af ​​MTH1. Nylige undersøgelser har vist, at en reduktion i størrelsen af ​​den cellulære dNTP-pulje også kan inducere DNA-replikationsstress og DNA-skader.59,60 Men 200 procent stigning i 8-oxoG-niveau i de Echinacoside-behandlede cancerceller argumenterer imod muligheden for en reduceret dNTP-puljestørrelse, og Bcl2, et protein, der reducerer dNTP-poolstørrelsen,60 blev signifikant reduceret i Echinacoside-behandlede SW480-kræftceller;58 desuden viste vores data tydeligt, at Echinacoside direkte hæmmede MTH1, hvilket i det mindste kunne være delvist ansvarlig for DNA-skader og cellulære virkninger forårsaget af Echinacoside. dNTP-puljen er et kritisk mål for ROS, og oxiderede dNTP'er er vigtige kilder til oxidative DNA-skader.3,10 Reparation-associerede DNA SSB'er og DSB'er kan føre til cellulær senescens og apoptose, som er impliceret i aldring og aldringsrelaterede sygdomme, 61 og tjener også som en barriere for tumorgenese. Reduktion af ROS-inducerede DNA-skader af antioxidanter menes således at være gavnlig for det generelle helbred. Flere nyere undersøgelser har dog vist, at antioxidanter også kan fremme udviklingen af ​​nogle typer kræft.62-64 Kræftceller genererer meget højere ROS og er kritisk afhængige af effektiv eliminering af oxiderede nukleotider for overlevelse og spredning.3,30,32 ,33

Overekspression af MTH1 er den vigtigste strategi, kræftceller bruger til at klare den dødelige byrde af oxiderede dNTP'er.23,24,26-28 Hæmning af MTH1 effektivt dræbte kræftceller,3,29,30,32,33, mens de målretter mod MTH1 i normal celler havde ingen indflydelse på overlevelse, 32,33 og MTH1 knockout-mus var stort set normale.65 Konsekvent viste vi også, at behandling med Echinacosid inducerede apoptose og undertrykte celleproliferation specifikt i cancer, men ikke i ikke-kræftceller. I modsætning til nuværende kemoterapier og radioterapier, der retter sig vilkårligt mod normale celler og tumorceller, dræber inhiberingen af ​​MTH1 kræftceller meget selektivt ved at bruge de rigelige oxiderede nukleotidprækursorer i tumorer. På den anden side har terapier rettet mod genotypeforskelle mellem normale og specifikke typer kræft i en personlig tilgang vist imponerende resultater, men de er også begrænset af den høje grad af intratumor heterogenitet og høje mutationsrater i kræftceller. I modsætning hertil er inhibering af MTH1 rettet mod en fænotype, der adskiller de fleste kræftceller fra normale celler og repræsenterer derfor en ny anticancerstrategi, der ikke er begrænset af genetiske tilpasninger. Interessant nok er små molekyle-antagonister af antiapoptoseproteinet Bcl266,67 og agonister af proapoptosis Bax68 blevet udviklet og blev vist at være lovende nye anticancermidler. På grund af deres komplementære virkningsmekanismer ville en kombination af MTH1-hæmmere og apoptosefremmende kemikalier skabe en spændende ny generation af kræftlægemidler. For første gang demonstrerede vi en ny funktion for Echinacoside som et naturligt middel mod kræft. I in vitro-assayet hæmmede Echinacoside MTH1 med en IC50 på 7,01 μM. Denne IC50-værdi er højere end værdien for de hidtil rapporterede MTH1-hæmmere.32,33,69 Ved at bruge (S)-crizotinib som en positiv kontrol viste vi, at vores assay er syv gange mindre følsomt end det, der blev brugt af Huber et al.33 Således , vil den faktiske IC50 for Echinacoside sandsynligvis være lavere. Ikke desto mindre, for at udvikle det som et terapeutisk middel, vil effektiviteten af ​​det naturlige Echinacoside-molekyle sandsynligvis skulle forbedres. Som et naturprodukt, der har været brugt som urtemedicin i lang tid, kunne Echinacoside tjene som et godt kemisk stillads til udvikling af effektive og sandsynligvis sikre MTH1-hæmmere.37,70 Da naturlige produkter har været en rig kilde til nye kemiske stilladser. for rationelt strukturbaseret lægemiddeldesign,70 tilgange svarende til det, vi brugte her, sammen med de store interesser i naturlige produkter til lægemiddelopdagelse, vil være nyttige til at finde målbaserede, effektive og sikre nye lægemidler.

Anerkendelse

Denne undersøgelse blev støttet af en startfond fra Jilin University.

Afsløring

Forfatterne rapporterer ingen interessekonflikter i dette arbejde.

Referencer

1 Topal MD, Baker MS. DNA precursor pool: et signifikant mål for N-methyl-N-nitrosourea i C3H/10T1/2 klon 8 celler. Proc Natl Acad Sci US A. 1982;79(7):2211-2215.

2. Ichikawa J, Tsuchimoto D, Oka S, et al. Oxidation af mitokondrielle deoxynukleotidpuljer ved eksponering for natriumnitroprussid inducerer celledød. DNA Reparation (Amst). 2008;7(3):418-430.

3. Rai P, Onder TT, Young JJ, et al. Kontinuerlig eliminering af oxiderede nukleotider er nødvendig for at forhindre hurtig indtræden af ​​cellulær senescens. Proc Natl Acad Sci US A. 2009;106(1):169–174.

4. Katafuchi A, Nohmi T. DNA-polymeraser involveret i inkorporeringen af ​​oxiderede nukleotider i DNA: deres effektivitet og skabelonbasepræference. Mutat Res. 2010;703(1):24–31.

5. Freudenthal BD, Beard WA, Perera L, et al. Afdækning af den polymerase-inducerede cytotoksicitet af et oxideret nukleotid. Natur. 2015;517(7536):635-639.

6. Dizdaroglu M. Oxidativt induceret DNA-skade og dens reparation i cancer. Mutat Res Rev Mutat Res. 2015;763:212-245.

7. Nakabeppu Y. Cellulære niveauer af 8-oxoguanin i enten DNA eller nukleotidpuljen spiller en central rolle i carcinogenese og overlevelse af cancerceller. Int J Mol Sci. 2014;15(7):12543-12557.

8. van Loon B, Markkanen E, Hubscher U. Oxygen som ven og fjende: hvordan man bekæmper mutationspotentialet af 8-oxo-guanin. DNA Reparation (Amst). 2010;9(6):604-616.

9. Pfeifer GP, Besaratinia A. Mutationsspektre af human cancer. Hum Genet. 2009;125(5–6):493–506.

10. Russo MT, Blasi MF, Chiera F, et al. Den oxiderede deoxynukleosidtrifosfatpulje er en væsentlig bidragyder til genetisk ustabilitet i mismatch reparationsmanglende celler. Mol Cell Biol. 2004;24(1): 465-474.

11. Kamiya H. Mutagenicitet af oxiderede DNA-prækursorer i levende celler: roller af nukleotidpoolsanering og DNA-reparationsenzymer og translesionssyntese DNA-polymeraser. Mutat Res. 2010;703(1): 32-36.

12. Nagy GN, Leveles I, Vértessy BG. Forebyggende DNA-reparation ved at rense den cellulære (deoxy)nukleosidtrifosfatpulje. FEB J. 2014;281(18):4207–4223.

13. McLennan AG. Nudix hydrolase superfamilien. Cell Mol Life Sci. 2006;63(2):123-143.

14. Fujikawa K, Kamiya H, Yakushiji H, Nakabeppu Y, Kasai H. Humant MTH1-protein hydrolyserer det oxiderede ribonukleotid, 2-hydroxy-ATP. Nucleic Acids Res. 2001;29(2):449-454. 15. Nakabeppu Y, Oka S, Sheng Z, Tsuchimoto D, Sakumi K. Programmeret celledød udløst af skade på nukleotidpuljen og dets forebyggelse af MutT-homolog-1 (MTH1) med oxideret purin-nukleosidtriphosphatase. Mutat Res. 2010;703(1):51–58.

16. Dizdaroglu M. Oxidativt induceret DNA-skade: mekanismer, reparation og sygdom. Cancer Lett. 2012;327(1–2):26–47.

17. Bro G, Rashid S, Martin SA. Reparation af DNA-mismatch og oxidativ DNA-skade: konsekvenser for kræftbiologi og behandling. Kræft (Basel). 2014;6(3):1597-1614. 18. Caldecott KW. Reparation af enkeltstrenget brud og genetisk sygdom. Nat Rev Genet. 2008;9(8):619-631.

19. Klement K, Goodarzi AA. DNA-dobbeltstrengsbrudreaktioner og kromatinændringer i den aldrende celle. Exp Cell Res. 2014;329(1): 42–52.

20. Schulze A, Harris AL. Hvordan kræftmetabolisme er indstillet til spredning og sårbar over for forstyrrelser. Natur. 2012;491(7424):364-373. 21. Cairns RA, Harris IS, Mak TW. Regulering af kræftcellernes stofskifte. Nat Rev Cancer. 2011;11(2):85–95.

22. Rai P. Human Mut T homolog 1 (MTH1): en vejspærring for de tumor-undertrykkende virkninger af onkogen Ras-induceret ROS. Små GTPaser. 2012;3(2):120–125.

23. Kennedy CH, Cueto R, Belinsky SA, Lechner JF, Pryor WA. Over-pression af hMTH1 mRNA: en molekylær markør for oxidativ stress i lungecancerceller. FEBS Lett. 1998;429:17-20.

24. Lida T, Furuta A, Kawashima M, Nishida J, Nakabeppu Y, Iwaki T. Akkumulering af 8-oxo-2′-deoxyguanosin og øget ekspression af hMTH1-protein i hjernetumorer. Neuro Oncol. 2001;3:73-81.

25. Coskun E, Jaruga P, Jemth AS, et al. Afhængighed af MTH1-protein resulterer i intens ekspression i humant brystkræftvæv målt ved væskekromatografi-isotop-fortynding tandem massespektrometri. DNA Reparation (Amst). 2015;33:101-110. 26. Tudek B, Winczura A, Janik J, Simek A, Foksinski M, Olinski R. Inddragelse af oxidativt beskadiget DNA og reparation i cancerudvikling og aldring. Am J Transl Res. 2010;2(3):254–284.

27. Spina E, Arczewska KD, Jackowski D, et al. Bidrag af hMTH1 til opretholdelse af 8-oxoguaninniveauer i lunge-DNA hos ikke-småcellet lungecancerpatienter. J Natl Cancer Inst. 2005;97(5):384-395.

28. Kennedy CH, Pass HI, Mitchell JB. Ekspression af humant MutT homolog (hMTH1) protein i primære ikke-småcellede lungekarcinomer og histologisk normalt omgivende væv. Free Radic Biol Med. 2003;34(11):1447-1457.

29. Rai P, Young JJ, Burton DG, Giribaldi MG, Onder TT, Weinberg RA. Forbedret eliminering af oxiderede guanin-nukleotider hæmmer onkogen Ras-induceret DNA-beskadigelse og for tidlig senescens. Onkogen. 2011;30(12):1489-1496.

30. Sakumi K, Tominaga Y, Furuichi M, et al. Ogg1 knockout-associeret lungetumorogenese og dens undertrykkelse af Mth1-genafbrydelse. Cancer Res. 2003;63:902-905.

31. Patel A, Burton DG, Halvorsen K, et al. MutT homolog 1 (MTH1) opretholder flere KRAS-drevne pro-maligne veje. Onkogen. 2015;34(20):2586-2596.

32. Gad H, Koolmeister T, Jemth AS, et al. MTH1-hæmning udrydder kræft ved at forhindre sanering af dNTP-puljen. Natur. 2014; 508(7495):215-221.

33. Huber KV, Salah E, Radic B, et al. Stereospecifik målretning af MTH1 af (S)-crizotinib som en anticancerstrategi. Natur. 2014;508(7495): 222-227.

34. Giribaldi MG, Munoz A, Halvorsen K, Patel A, Rai P. MTH1-ekspression er nødvendig for effektiv transformation af onkogen HRAS. Oncotarget. 2015;6(13):11519-11529.

35. Bauer A, Bronstrup M. Industriel naturproduktkemi til lægemiddelopdagelse og -udvikling. Nat Prod Rep. 2014;31(1):35–60.

36. Orlova B, Legrand N, Panning J, Dicato M, Diederich M. Anti-inflammatoriske og anticancermedicin fra naturen. Cancer Treat Res. 2014; 159:123-143.

37. Li JW, Vederas JC. Narkotikaopdagelse og naturlige produkter: slutningen på en æra eller en endeløs grænse? Videnskab. 2009;325(5937):161-165.

38. Liu EH, Qi LW, Wu Q, Peng YB, Li P. Anticancermidler afledt af naturlige produkter. Mini Rev Med Chem. 2009;9(13):1547-1555.

39. Nobili S, Lippi D, Witort E, et al. Naturlige forbindelser til kræftbehandling og forebyggelse. Pharmacol Res. 2009;59(6):365-378.

40. Hsiao WL, Liu L. Traditionelle kinesiske naturlægemidlers rolle i kræftbehandling – fra TCM-teori til mekanistisk indsigt. Planta Med. 2010;76(11):1118-1131.

41. Baykov AA, Evtushenko OA, Avaeva SM. En malakitgrøn procedure til orthophosphatbestemmelse og dens anvendelse i alkalisk fosfatase-baseret enzymimmunoassay. Anal Biochem. 1988;171(2):266-270.

42. Struthers L, Patel R, Clark J, Thomas S. Direkte påvisning af 8-oxodeoxyguanosin og 8-oxoguanin med avidin og dets analoger. Anal Biochem. 1998;255(1):20-31.

43. Sheng Z, Oka S, Tsuchimoto D, et al. 8-Oxoguanin forårsager neurodegeneration under MUTYH-medieret DNA-baseudskæringsreparation. J Clin Invest. 2012;122(12):4344–4361.

44. Xiong Q, Kadota S, Tani T, Namba T. Antioxidative virkninger af phenylethanoider fraCistanche deserticola. Biol Pharm Bull. 1996;19(12): 1580-1585.

45. Hu C, Kitts DD. Undersøgelser af antioxidantaktiviteten af ​​Echinacea rodekstrakt. J Agric Food Chem. 2000;48(5):1466-1472.

46. ​​Wallace SS, Murphy DL, Sweasy JB. Base excision reparation og cancer. Cancer Lett. 2012;327(1–2):73–89. 47. Caldecott KW. Reparation af DNA enkeltstrenget brud. Exp Cell Res. 2014; 329(1):2-8.

48. Schultz LB, Chehab NH, Malikzay A, Halazonetis TD. p53-bindende protein 1 (53BP1) er en tidlig deltager i det cellulære respons på DNA-dobbeltstrengsbrud. J Cell Biol. 2000;151(7):1381-1390.

49. Li YY, Wang L, Lu CD. Et E2F-sted i 5'-promotorregionen bidrager til serumafhængig opregulering af det humane prolifererende celle nukleare antigen-gen. FEBS Lett. 2003;544(1-3):112-118.

50. González Besteiro MA, Gottifredi V. Gaffelen og kinasen: en DNA-replikationsfortælling fra et CHK1-perspektiv. Mutat Res Rev Mutat Res. 2015;763:168-180.

51. Wang Y, Hao H, Wang G, et al. En tilgang til identifikation af sekventielle metabolitter af et typisk phenylethanoid glycosid, echinacosid, baseret på væskekromatografi-ion-fælde-time-of-fly massespektrometri analyse. Talanta. 2009;80(2):572-580.

52. Hudson JB. Anvendelser af fytomedicinen Echinacea purpurea (lilla solhat) ved infektionssygdomme. J Biomed Biotechnol. 2012; 2012:769896.

53. Mulani SK, Guh JH, Mong KK. En generel syntetisk strategi og anti-spredningsegenskaberne på prostatacancercellelinjer for naturlige phenylethanoidglykosider. Org Biomol Chem. 2014;12(18):2926-2937.

54. Kuo YY, Jim WT, Su LC, et al. Koffeinsyrephenethylester er et potentielt terapeutisk middel til oral cancer. Int J Mol Sci. 2015;16(5): 10748-10766.

55. Li X, Gou C, Yang H, Qiu J, Gu T, Wen T. Echinacoside forbedrer D-galactosamin plus lipopolysaccharid-induceret akut leverskade hos mus via hæmning af apoptose og inflammation. Scand J Gastroen-terol. 2014;49(8):993-1000.

56. Gai XY, Tang F, Ma J, et al. Antiproliferativ effekt af echinacosid på rotte lungearterie glatte muskelceller under hypoxi. J Pharmacol Sci. 2014;126(2):155-163.

57. Zhu M, Lu C, Li W. Forbigående eksponering for echinacosid er tilstrækkelig til at aktivere Trk-signalering og beskytte neuronale celler mod rotenon. J Neurochem. 2013;124(4):571-580.

58. Dong L, Yu D, Wu N, et al. Echinacosid inducerer apoptose i humane SW480 kolorektale cancerceller ved induktion af oxidative DNA-skader. Int J Mol Sci. 2015;16(7):14655-14668.

59. Bester AC, Roniger M, Oren YS, et al. Nukleotidmangel fremmer genomisk ustabilitet i tidlige stadier af cancerudvikling. Celle. 2011;145(3):435–446.

60. Xie M, Yen Y, Owonikoko TK, et al. Bcl2 inducerer DNA-replikationsstress ved at hæmme ribonukleotidreduktase. Cancer Res. 2014;74(1): 212-223.

61. Ventura I, Russo MT, De Luca G, Bignami M. Oxiderede purin-nukleotider, genom-ustabilitet og neurodegeneration. Mutat Res. 2010; 703(1):59-65.

62. DeNicola GM, Karreth FA, Humpton TJ, et al. Onkogen-induceret Nrf2-transkription fremmer ROS-afgiftning og tumorigenese. Natur. 2011;475(7354):106-109.

63. Santos MA, Faryabi RB, Ergen AV, et al. DNA-skade-induceret differentiering af leukæmiceller som en anti-cancer barriere. Natur. 2014;514(7520):107-111.

64. Sayin VI, Ibrahim MX, Larsson E, Nilsson JA, Lindahl P, Bergo MO. Antioxidanter fremskynder udviklingen af ​​lungekræft hos mus. Sci Transl Med. 2014;6(221):221ra215.

65. Egashira A, Yamauchi K, Yoshiyama K, et al. Mutationsspecificitet af mus, der er defekte i MTH1- og/eller MSH2-generne. DNA Reparation (Amst). 2002;1(11):881-893.

66. Vaillant F, Merino D, Lee L, et al. Målretning mod BCL-2 med BH3-mimetisk ABT-199 i østrogenreceptor-positiv brystkræft. Kræftcelle. 2013;24(1):120–129.

67. Han B, Park D, Li R, et al. Lille-molekyle Bcl2 BH4-antagonist til lungekræftbehandling. Kræftcelle. 2015;27(6):852–863.

68. Xin M, Li R, Xie M, et al. Bax-agonister med små molekyler til kræftbehandling. Nat Commun. 2014;5:4935.

69. Streib M, Kraling K, Richter K, Xie X, Steuber H, Meggers E. En organometallisk inhibitor for det humane reparationsenzym 7,8- dihydro-8-deoxyguanosintriphosphatase. Angew Chem Int Ed Engl. 2014;53(1):305-309.

70. Szychowski J, Truchon JF, Bennani YL. Naturlige produkter i medicin: transformationsresultat af syntetisk kemi. J Med Chem. 2014;57(22):9292–9308.