Underlying mechanisms of Ophiobolin A-induced paraptosis-like cell death in glioma cells

Abstract

Ophiobolin A (OP-A), a fungal sesterterpene from Bipolaris oryzae, has recently been shown to have anti-glioma activity. I found that OP-A induces paraptosis-like cell death accompanied by the endoplasmic reticulum (ER) dilation, accumulation of poly-ubiquitinated proteins in glioma cells and CHOP-mediated ER stress plays a critical role in this process. Inhibition of protein synthesis using cycloheximide (CHX) almost completely blocked the vacuolation and glioma cell death, suggesting a requirement of new protein synthesis for this death accompanied by vacuolation. Interestingly, thiol-based antioxidants, including N-acetylcysteine (NAC) and reduced glutathione (GSH) and N-(2-mercaptopropionyl)-glycine (NMPG), but not other non-thiol antioxidants, including Ascorbic acid and Tiron and MnTBAP (Mn(III)tetrakis (4-benzoic acid) porphyrin) very effectively blocked OP-A-induced vacuolation and cell death. In addition, notable generation of reactive oxygen species (ROS) by OP-A was not detected, suggesting that the anti-cancer effects of OP-A may be mediated though its ability to covalently modify free sulfhydryl groups on proteins causing protein misfolding, rather than through ROS generation. Collectively, our results indicate that ER stress due to disruption of thiol proteostasis may be responsible for the potent anti-glioma activity of OP-A.

배경 및 목적: 교모세포종 (Glioblastoma)은 뇌의 교세포에서 발생한 종양 중 악성도가 가장 높은 종양이다. 교모세포종의 일반적인 치료 방법으로는 수술적 제거 후 방사선 치료와 화학적 항암치료를 시행하지만 기존 치료법들에 대한 내성이 생겨 재발할 가능성이 높고 예후가 좋지 않다. 교모세포종의 항암 치료에서의 실패는 apoptosis에 대한 내성 획득과도 밀접한 관계가 있어 non-apoptotic 세포 사멸을 유도 할 수 있는 치료법을 개발해야 하는 필요성이 커지고 있다. Ophiobolin A (OP-A)는 Bipolaris oryzae 진균에서 만들어진 천연 화합물이다. 최근 교모세포종에서 paraptosis-like (paraptosis 유사) 세포사멸을 유도해 항암효과를 나타낸다고 보고되었지만 세부 기전은 제대로 밝혀지지 않았다. 본 논문에서는 OP-A에 의한 세포사멸의 분자적 기전을 밝힘으로써 apoptosis에 저항성을 가지는 뇌종양 세포에 대해 효과적인 치료책을 제시하고자 한다. 결과: 다양한 교모세포종 세포에 OP-A를 처리한 결과 소포체 팽창을 동반한 paraptosis 유사 세포사멸이 유도되었다. 이 과정에서 폴리-유비퀴틴 단백질의 축적되었으며 CHOP 단백질이 매개하는 소포체 스트레스가 중요함을 확인하였다. 또한 소포체 팽창을 동반하는 세포사멸에 새로운 단백질 합성이 큰 영향을 미쳤다. 흥미롭게도, OP-A에 의해 활성산소 (ROS)가 생성되지 않았고 티올 기반의 항산화제 (thiol-based antioxidants)인 N-acetylcysteine, glutahione, N-(2-mercaptopropionyl)-glycine 선 치리시에 OP-A에 의한 소포체 팽창과 세포사멸이 매우 효과적으로 차단된 반면, 비 티올 항산화제 (non-thiol antioxidants)인 ascorbic acid 와 Tiron, M(III)tetrakis (4-benzoic acid)porphyrin 선 처리 시에는 이를 차단하지 못했다. 이 결과는 OP-A가 단백질의 자유-설프히드릴기 (free sulfhydryl groups)와 공유 결합을 이룸으로써 단백질을 변형시키는 능력을 통해 항암 효과를 유도할 수 있음을 시사한다. 결론: 본 연구는 OP-A가 교모세포종 세포에서 티올 기반의 단백질의 항상성을 파괴하여 소포체 스트레스를 통해 paraptosis 유사 세포사멸을 유도하여 항암효과를 가진다는 것을 밝혔다. 이는 OP-A 처리가 apoptosis에 대한 저항성을 가지는 뇌종양 세포에 대한 좋은 항암 치료 전략이 될 수 있음을 시사한다.