Втора част Ехинакозидът предизвиква апоптотична смърт на ракови клетки чрез инхибиране на дезинфекциращия нуклеотиден пул ензим MTH1

Част втора Как ехинакозидът инхибира клетъчната апоптоза и подобрява паметта

За повече информация, моля, свържете се с ali.ma@wecistanche.com

Щракнете тук за първа част

Дискусия

Ехинакозиде естествено съединение, изолирано от лечебни растенияЦистанчеи ехинацея. 51,52 Доказано е, че притежава многостранни свойства за насърчаване на здравето и профилактика на заболявания, включително неврална защита, хепатопротекция и противовъзпалителни, против умора, против стареене, антидиабетни и противотуморни действия.53–58 Най-известната и приета биоактивност наЕхинакозиде неговото антиоксидантно действие и действие за изчистване на ROS;44,45 обаче също така е доказано, че причинява окислителни увреждания на ДНК в раковите клетки, като основните механизми остават неясни.58 В настоящото проучване, използвайки високопроизводителен in vitro скринингов анализ, открихме товаЕхинакозидефективно инхибира MTH1-катализираната ензимна реакция. Увеличаването на количеството на ензима MTH1 намалява степента на инхибиране, докато увеличаването на количеството на неорганичната пирофосфатаза не повлиява инхибирането, което показва, чеЕхинакозидспецифично инхибира активността на MTH1 в in vitro анализа. Лечение на различни човешки ракови клетъчни линии сЕхинакозидпредизвика значително повишаване на клетъчното 8-ниво на oxoG, без да променя клетъчното ниво на ROS. Като се има предвид, че самият ехинакозид е мощен антиоксидант, тези резултати предполагат, че повишеното вътреклетъчно ниво на 8-oxoG вероятно е резултат от инхибирането на клетъчния MTH1 отЕхинакозид.

Кликнете върху витамин Cistanche за памет

Лечение съсЕхинакозидпричинява обширни увреждания на ДНК и значително повишаване на регулацията на G1 /S-CDK блокера p21, които са последвани от подчертана апоптотична клетъчна смърт и потискане на клетъчната пролиферация специфично при рак, но не и в нераковите клетки. Освен това, значителна загуба на потенциала на митохондриалната мембрана следЕхинакозидлечението показва активиране на вътрешния апоптозен път. Индуцирани от ехинакозид увреждания на ДНК и повишаване на регулацията на р21 са наблюдавани в рамките на 5 часа след лечението, докато апоптоза на ракови клетки, разрушаване на потенциала на митохондриалната мембрана и инхибиране на растежа са наблюдавани 12 часа след започване на лечението. Тези данни подкрепят, че апоптозата на раковите клетки и инхибирането на растежа са резултат от обширните увреждания на ДНК, причинени от инхибирането на MTH1. Скорошни проучвания показват, че намаляването на размера на клетъчния dNTP пул може също да предизвика стрес на репликацията на ДНК и увреждания на ДНК.59,60 Въпреки това, 200-процентното увеличение на нивото на 8-oxoG в третираните с ехинакозид ракови клетки е аргумент против възможността за намален размер на dNTP пул и Bcl2, протеин, който намалява размера на dNTP пул, 60 е значително намален в третирани с ехинакозид SW480 ракови клетки; 58 освен това, нашите данни ясно показват, че ехинакозидът директно инхибира MTH1, което може поне да бъде частично отговорен за уврежданията на ДНК и клетъчните ефекти, причинени от Echinacoside. Пулът dNTP е критична мишена на ROS, а окислените dNTP са важни източници на окислителни увреждания на ДНК. 3,10 Свързаните с възстановяване ДНК SSB и DSB могат да доведат до клетъчно стареене и апоптоза, които са замесени в стареенето и свързаните със стареенето заболявания, 61 и също така служат като бариера за туморогенезата. По този начин се смята, че намаляването на ROS-индуцираните увреждания на ДНК от антиоксиданти е полезно за цялостното здраве. Въпреки това, няколко скорошни проучвания показват, че антиоксидантите могат също да насърчат развитието на някои видове рак.62-64 Раковите клетки генерират много по-високи ROS и са критично зависими от ефективното елиминиране на окислени нуклеотиди за оцеляване и пролиферация.3,30,32 ,33

Свръхекспресията на MTH1 е най-важната стратегия, използвана от раковите клетки, за да се справят със смъртоносното бреме на окислените dNTPs. клетки не оказват влияние върху преживяемостта, 32, 33 и MTH1 нокаут мишките са до голяма степен нормални. 65 Последователно, ние също така показахме, че лечението с Echinacoside индуцира апоптоза и потиска клетъчната пролиферация специално при рак, но не и при неракови клетки. По този начин, за разлика от настоящите химиотерапии и лъчетерапии, които са насочени безразборно към нормални и туморни клетки, инхибирането на MTH1 убива раковите клетки силно селективно чрез използване на изобилните окислени нуклеотидни прекурсори в туморите. От друга страна, терапиите, насочени към разликите в генотипа между нормалните и специфичните видове рак при персонализиран подход, показват впечатляващи резултати, но те също са ограничени от високата степен на интратуморна хетерогенност и високите нива на мутация в раковите клетки. За разлика от това, инхибирането на MTH1 е насочено към фенотип, който отличава повечето ракови клетки от нормалните клетки и следователно представлява нова противоракова стратегия, която не е ограничена от генетични адаптации. Интересно е, че са разработени малки молекулни антагонисти на антиапоптозния протеин Bcl266,67 и агонисти на проапоптозата Bax68 и е доказано, че са обещаващи нови противоракови агенти. Като се имат предвид техните допълващи се механизми на действие, комбинирането на MTH1 инхибитори и химикали, насърчаващи апоптозата, би създало вълнуващо ново поколение противоракови лекарства. За първи път демонстрирахме нова функция на Echinacoside като естествено противораково съединение. При in vitro теста ехинакозидът инхибира MTH1 с IC50 от 7,01 μM. Тази стойност на IC50 е по-висока от тази на инхибиторите на MTH1, докладвани досега.32,33,69 Използвайки (S)-кризотиниб като положителна контрола, ние показахме, че нашият анализ е седем пъти по-малко чувствителен от този, използван от Huber et al.33 Така , действителната IC50 на Echinacoside вероятно ще бъде по-ниска. Независимо от това, за да се развие като терапевтичен агент, ефикасността на естествената молекула ехинакозид вероятно ще трябва да се подобри. Като естествен продукт, който е бил използван като билково лекарство от дълго време, Echinacoside може да служи като добро химическо скеле за разработване на ефективни и вероятно безопасни MTH1 инхибитори.37,70 Като се има предвид, че естествените продукти са богат източник на нови химически скелета за рационално базирано на структурата проектиране на лекарства,70 подходи, подобни на това, което използвахме тук, заедно с огромните интереси към природните продукти за откриване на лекарства, ще бъдат полезни при намирането на целеви, ефективни и безопасни нови лекарства.

Признание

Това проучване е подкрепено от стартъп фонд от университета Джилин.

Разкриване

Авторите не съобщават за конфликт на интереси в тази работа.

Препратки

1 Топал MD, Бейкър MS. ДНК прекурсорен пул: значителна мишена за N-метил-N-нитрозоурея в C3H/10T1/2 клон 8 клетки. Proc Natl Acad Sci US A. 1982;79(7):2211–2215.

2. Ichikawa J, Tsuchimoto D, Oka S, et al. Окисляването на митохондриалните дезоксинуклеотидни пулове чрез излагане на натриев нитропрусид предизвиква клетъчна смърт. Ремонт на ДНК (Amst). 2008; 7 (3): 418–430.

3. Rai P, Onder TT, Young JJ и др. Необходимо е непрекъснато елиминиране на окислените нуклеотиди, за да се предотврати бързото начало на клетъчно стареене. Proc Natl Acad Sci US A. 2009;106(1):169–174.

4. Katafuchi A, Nohmi T. ДНК полимерази, участващи в включването на окислени нуклеотиди в ДНК: тяхната ефективност и предпочитание на базата на шаблона. Mutat Res. 2010; 703 (1): 24–31.

5. Freudenthal BD, Beard WA, Perera L, et al. Разкриване на индуцираната от полимераза цитотоксичност на окислен нуклеотид. Природата. 2015; 517 (7536): 635–639.

6. Dizdaroglu M. Окислително индуцирано увреждане на ДНК и неговото възстановяване при рак. Mutat Res Rev Mutat Res. 2015; 763: 212-245.

7. Nakabeppu Y. Клетъчните нива на 8-оксогуанин или в ДНК, или в нуклеотидния пул играят централна роля в канцерогенезата и оцеляването на раковите клетки. Int J Mol Sci. 2014; 15 (7): 12543–12557.

8. van Loon B, Markkanen E, Hubscher U. Кислородът като приятел и враг: как да се борим с мутационния потенциал на 8-оксо-гуанин. Ремонт на ДНК (Amst). 2010; 9 (6): 604–616.

9. Pfeifer GP, Besaratinia A. Мутационни спектри на човешки рак. Хъм Генет. 2009; 125 (5–6): 493–506.

10. Russo MT, Blasi MF, Chiera F, et al. Окисленият дезоксинуклеозид трифосфатен пул допринася значително за генетичната нестабилност в клетките с дефицит на възстановяване на несъответствието. Mol Cell Biol. 2004; 24 (1): 465–474.

11. Kamiya H. Мутагенност на окислени ДНК прекурсори в живи клетки: роли на дезинфекция на нуклеотиден пул и ензими за възстановяване на ДНК и ДНК полимерази за синтез на транслезия. Mutat Res. 2010; 703 (1): 32–36.

12. Nagy GN, Нива I, Vértessy BG. Превантивно възстановяване на ДНК чрез саниране на клетъчния (дезокси)нуклеозид трифосфатен пул. FEB J. 2014; 281 (18): 4207–4223.

13. McLennan AG. Суперсемейството Nudix хидролаза. Cell Mol Life Sci. 2006;63(2):123–143.

14. Fujikawa K, Kamiya H, Yakushiji H, Nakabeppu Y, Kasai H. Човешки MTH1 протеин хидролизира окисления рибонуклеотид, 2-хидрокси-ATP. Nucleic Acids Res. 2001; 29 (2): 449–454. 15. Nakabeppu Y, Oka S, Sheng Z, Tsuchimoto D, Sakumi K. Програмирана клетъчна смърт, предизвикана от увреждане на нуклеотидния пул и нейното предотвратяване от MutT хомолог -1 (MTH1) с окислена пурин нуклеозид трифосфатаза. Mutat Res. 2010; 703 (1): 51–58.

16. Dizdaroglu M. Оксидативно индуцирано увреждане на ДНК: механизми, възстановяване и заболяване. Рак Lett. 2012; 327 (1–2): 26–47.

17. Бридж Г, Рашид С, Мартин С.А. Ремонт на несъответствие на ДНК и окислително увреждане на ДНК: последици за биологията и лечението на рака. Ракови заболявания (Базел). 2014; 6 (3): 1597–1614. 18. Caldecott KW. Възстановяване на едноверижно прекъсване и генетично заболяване. Nat Rev Genet. 2008; 9 (8): 619–631.

19. Klement K, Goodarzi AA. Реакции на двойно верижно разкъсване на ДНК и промени в хроматина в стареещата клетка. Exp Cell Res. 2014; 329 (1): 42–52.

20. Шулце А, Харис А.Л. Как метаболизмът на рака е настроен за пролиферация и уязвим на смущения. Природата. 2012; 491 (7424): 364–373. 21. Cairns RA, Harris IS, Mak TW. Регулиране на метаболизма на раковите клетки. Nat Rev рак. 2011; 11 (2): 85–95.

22. Rai P. Human Mut T хомолог 1 (MTH1): пречка за тумор-супресивните ефекти на онкогенния Ras-индуциран ROS. Малки GTPases. 2012;3(2):120–125.

23. Kennedy CH, Cueto R, Belinsky SA, Lechner JF, Pryor WA. Свръхнатискане на mRNA на hMTH1: молекулярен маркер на оксидативен стрес в клетките на рак на белия дроб. FEBS Lett. 1998; 429: 17-20.

24. Lida T, Furuta A, Kawashima M, Nishida J, Nakabeppu Y, Iwaki T. Натрупване на 8-oxo-2′-деоксигуанозин и повишена експресия на hMTH1 протеин в мозъчни тумори. Невро Онкол. 2001; 3: 73-81.

25. Coskun E, Jaruga P, Jemth AS, et al. Пристрастяването към протеина MTH1 води до интензивна експресия в тъканта на човешкия рак на гърдата, измерена чрез тандемна масспектрометрия с течна хроматография-изотопно разреждане. Ремонт на ДНК (Amst). 2015; 33: 101-110. 26. Tudek B, Winczura A, Janik J, Simek A, Foksinski M, Olinski R. Участие на оксидативно увредена ДНК и възстановяване в развитието на рак и стареенето. Am J Transl Res. 2010; 2 (3): 254–284.

27. Spina E, Arczewska KD, Jackowski D, et al. Принос на hMTH1 за поддържане на нивата на 8-оксогуанин в белодробната ДНК на пациенти с недребноклетъчен рак на белия дроб. J Natl Cancer Inst. 2005;97(5):384–395.

28. Кенеди CH, Pass HI, Mitchell JB. Експресия на човешки MutT хомолог (hMTH1) протеин в първични недребноклетъчни белодробни карциноми и хистологично нормална околна тъкан. Free Radic Biol Med. 2003;34(11):1447–1457.

29. Rai P, Young JJ, Burton DG, Giribaldi MG, Onder TT, Weinberg RA. Подобреното елиминиране на окислените гуанинови нуклеотиди инхибира онкогенното Ras-индуцирано увреждане на ДНК и преждевременното стареене. Онкоген. 2011; 30 (12): 1489–1496.

30. Sakumi K, Tominaga Y, Furuichi M, et al. Свързана с Ogg1 нокаут белодробна туморогенеза и нейното потискане чрез разрушаване на Mth1 ген. Cancer Res. 2003;63:902-905.

31. Patel A, Burton DG, Halvorsen K, et al. MutT хомолог 1 (MTH1) поддържа множество про-злокачествени пътища, управлявани от KRAS. Онкоген. 2015; 34 (20): 2586–2596.

32. Gad H, Koolmeister T, Jemth AS, et al. Инхибирането на MTH1 изкоренява рака чрез предотвратяване на санирането на dNTP басейна. Природата. 2014 г.; 508 (7495): 215–221.

33. Huber KV, Salah E, Radic B, et al. Стереоспецифично насочване на MTH1 от (S)-кризотиниб като противоракова стратегия. Природата. 2014; 508 (7495): 222–227.

34. Giribaldi MG, Munoz A, Halvorsen K, Patel A, Rai P. Експресията на MTH1 е необходима за ефективна трансформация от онкогенен HRAS. Oncotarget. 2015; 6 (13): 11519–11529.

35. Bauer A, Bronstrup M. Химия на промишлени природни продукти за откриване и разработване на лекарства. Nat Prod Rep. 2014; 31 (1): 35–60.

36. Орлова B, Legrand N, Panning J, Dicato M, Diederich M. Противовъзпалителни и противоракови лекарства от природата. Cancer Treat Res. 2014 г.; 159: 123-143.

37. Li JW, Vederas JC. Откриване на лекарства и природни продукти: край на една ера или безкрайна граница? Наука. 2009; 325 (5937): 161–165.

38. Liu EH, Qi LW, Wu Q, Peng YB, Li P. Противоракови агенти, получени от естествени продукти. Mini Rev Med Chem. 2009; 9 (13): 1547–1555.

39. Nobili S, Lippi D, Witort E, et al. Естествени съединения за лечение и профилактика на рак. Pharmacol Res. 2009; 59 (6): 365–378.

40. Hsiao WL, Liu L. Ролята на традиционните китайски билкови лекарства в терапията на рака - от теорията на TCM до механистичните прозрения. Planta Med. 2010; 76 (11): 1118–1131.

41. Байков AA, Евтушенко OA, Avaeva SM. Процедура с малахитово зелено за определяне на ортофосфат и използването му в ензимен имуноанализ на базата на алкална фосфатаза. Анална биохимия. 1988; 171 (2): 266–270.

42. Struthers L, Patel R, Clark J, Thomas S. Директно откриване на 8-оксодеоксигуанозин и 8-оксогуанин от авидин и неговите аналози. Анална биохимия. 1998; 255 (1): 20–31.

43. Sheng Z, Oka S, Tsuchimoto D, et al. 8-Оксогуанинът причинява невродегенерация по време на MUTYH-медиирана ексцизия на ДНК база. J Clin Invest. 2012; 122 (12): 4344–4361.

44. Xiong Q, Kadota S, Tani T, Namba T. Антиоксидативни ефекти на фенилетаноиди отCistanche deserticola. Biol Pharm Bull. 1996; 19 (12): 1580–1585.

45. Hu C, Kitts DD. Изследвания на антиоксидантната активност на екстракт от корен на ехинацея. J Agric Food Chem. 2000; 48 (5): 1466–1472.

46. ​​Wallace SS, Murphy DL, Sweasy JB. Възстановяване чрез изрязване на основата и рак. Рак Lett. 2012; 327 (1–2): 73–89. 47. Caldecott KW. Възстановяване на едноверижно прекъсване на ДНК. Exp Cell Res. 2014 г.; 329 (1): 2–8.

48. Schultz LB, Chehab NH, Malikzay A, Halazonetis TD. p53 свързващият протеин 1 (53BP1) е ранен участник в клетъчния отговор на двойноверижни разкъсвания на ДНК. J Cell Biol. 2000; 151 (7): 1381–1390.

49. Li YY, Wang L, Lu CD. E2F място в 5'-промоторната област допринася за серум-зависима регулация нагоре на гена на човешкия пролифериращ клетъчен ядрен антиген. FEBS Lett. 2003; 544 (1–3): 112–118.

50. González Besteiro MA, Gottifredi V. Вилицата и киназата: история за репликация на ДНК от гледна точка на CHK1. Mutat Res Rev Mutat Res. 2015; 763: 168-180.

51. Wang Y, Hao H, Wang G, et al. Подход за идентифициране на последователни метаболити на типичен фенилетаноиден гликозид, ехинакозид, базиран на течна хроматография-йонен капан-време на полетен масспектрометричен анализ. Таланта. 2009; 80 (2): 572–580.

52. Хъдсън JB. Приложения на фитомедикамента Echinacea purpurea (пурпурна ехинацея) при инфекциозни заболявания. J Biomed Biotechnol. 2012 г.; 2012: 769896.

53. Мулани SK, Guh JH, Mong KK. Обща синтетична стратегия и антипролиферативните свойства на клетъчни линии на рак на простатата за естествени фенилетаноидни гликозиди. Org Biomol Chem. 2014; 12 (18): 2926–2937.

54. Kuo YY, Jim WT, Su LC, et al. Фенетил естерът на кафеената киселина е потенциален терапевтичен агент за рак на устната кухина. Int J Mol Sci. 2015; 16 (5): 10748–10766.

55. Li X, Gou C, Yang H, Qiu J, Gu T, Wen T. Echinacoside подобрява D-галактозамин плюс индуцирано от липополизахарид остро чернодробно увреждане при мишки чрез инхибиране на апоптоза и възпаление. Scand J Gastroen-terol. 2014; 49 (8): 993–1000.

56. Gai XY, Tang F, Ma J, et al. Антипролиферативен ефект на ехинакозид върху гладкомускулните клетки на белодробната артерия на плъх при хипоксия. J Pharmacol Sci. 2014; 126 (2): 155–163.

57. Zhu M, Lu C, Li W. Преходното излагане на ехинакозид е достатъчно, за да активира Trk сигнализирането и да защити невронните клетки от ротенон. J Neurochem. 2013; 124 (4): 571–580.

58. Dong L, Yu D, Wu N, et al. Ехинакозидът индуцира апоптоза в човешки SW480 колоректални ракови клетки чрез индуциране на окислителни увреждания на ДНК. Int J Mol Sci. 2015; 16 (7): 14655–14668.

59. Bester AC, Roniger M, Oren YS, et al. Дефицитът на нуклеотиди насърчава геномна нестабилност в ранните стадии на развитие на рак. клетка. 2011; 145 (3): 435–446.

60. Xie M, Yen Y, Owonikoko TK и др. Bcl2 индуцира стрес на ДНК репликация чрез инхибиране на рибонуклеотид редуктазата. Cancer Res. 2014; 74 (1): 212–223.

61. Ventura I, Russo MT, De Luca G, Bignami M. Окислени пуринови нуклеотиди, нестабилност на генома и невродегенерация. Mutat Res. 2010 г.; 703 (1): 59–65.

62. DeNicola GM, Karreth FA, Humpton TJ и др. Индуцираната от онкоген Nrf2 транскрипция насърчава детоксикацията на ROS и туморогенезата. Природата. 2011; 475 (7354): 106–109.

63. Santos MA, Faryabi RB, Ergen AV и др. Индуцирана от увреждане на ДНК диференциация на левкемични клетки като противоракова бариера. Природата. 2014; 514 (7520): 107–111.

64. Sayin VI, Ibrahim MX, Larsson E, Nilsson JA, Lindahl P, Bergo MO. Антиоксидантите ускоряват прогресията на белодробния рак при мишки. Sci Transl Med. 2014;6(221):221ra215.

65. Egashira A, Yamauchi K, Yoshiyama K, et al. Мутационна специфичност на мишки с дефект в MTH1 и/или MSH2 гените. Ремонт на ДНК (Amst). 2002; 1 (11): 881–893.

66. Vaillant F, Merino D, Lee L, et al. Насочване към BCL-2 с BH3 миметика ABT-199 при рак на гърдата с положителен естрогенен рецептор. Ракова клетка. 2013; 24 (1): 120–129.

67. Han B, Park D, Li R, et al. Малкомолекулен Bcl2 BH4 антагонист за терапия на рак на белия дроб. Ракова клетка. 2015; 27 (6): 852–863.

68. Xin M, Li R, Xie M, et al. Малкомолекулни Bax агонисти за лечение на рак. Nat Commun. 2014; 5: 4935.

69. Streib M, Kraling K, Richter K, Xie X, Steuber H, Meggers E. Органометален инхибитор за човешкия ремонтен ензим 7,8- дихидро-8-деоксигуанозин трифосфатаза. Angew Chem Int Ed Engl. 2014; 53 (1): 305–309.

70. Szychowski J, Truchon JF, Bennani YL. Естествени продукти в медицината: трансформационен резултат от синтетичната химия. J Med Chem. 2014; 57 (22): 9292–9308.