Therapy Induced Senescent Tumor Cells Increase Cancer Stemness

Abstract

Cellular senescence is defined as permanent cell cycle arrest (Alessio et al., 2019). Under the stressful condition such as physical and chemical insult, cell eventually turns into senescence (Kong et al., 2019). Therapy induced senescence is a type of cellular senescence induced by irradiation or chemotherapy (Joyner et al., 2006). Several previous studies showed increased expression of stem cell related properties with cellular senescence (Tsolou et al., 2019). Here, we proceeded research to prove cellular senescence induced by doxorubicin increases cancer cell stemness in human breast cancer. Senescence associated β-galactosidase assay and quantitative polymerase chain reaction analysis revealed BT474, a breast cancer cell line, showed senescence phenotype after treatment of doxorubicin expressing p16INK4A (Loh et al.). Following qPCR and western blot analysis also revealed a stem cell marker CD133 was increased with the senescence marker p16INK4A after treatment of doxorubicin (Dai et al., 2018) Flow cytometry showed the proportion of CD133 and p16INK4A doublepositive cells was increased after doxorubicin treatment. In this regard, senescent tumor cells caused by chemotherapy increase cancer cell stemness which is closely related to cancer relapse (Dou and Berger, 2018). It is anticipated that targeting senescent tumor cells is a new target to prevent cancer relapse.

세포 노화는 정상 세포가 더 이상 분열하지 못하는 상태를 의미한다. 즉, 정상 세포가 물리적 화학적 자극을 받아 유전자의 손상이 오면 노화 신호를 따라 노화 세포로의 변화가 일어난다. 노화된 세포는 세포 성장을 조절하는 세포 주기가 억제되어 세포 분열이 더 이상 일어나지 않는다. 노화가 진행되면 특정 물질들을 내뿜게 되는데 이것을 노화 관련분비 표현형 (senescence associated secretory phenotypes, SASPs) 이라 한다. 노화 관련 분비 표현형에는 염증관련 사이토카인과 성장인자들이 포함되며, 이들은 노화세포 주변의 미세환경 조성에 굉장히 중요한 역할을 한다. 세포 노화는 기본적으로 암과 매우 밀접한 관련이 있다. 암유전자는 암을 유발하는 인자로서, 이 유전자에 변형이 일어나게 되면 암에 대한 방어기전으로 인해 노화에 빠질 수 있다. 본 연구팀은 앞선 연구에서 노화가 유도된 노화종양세포는 갑상선암의 전이를 촉진한다는 것을 밝혔다. 따라서, 암에 대한 방어기전으로 이해되었던 세포노화가 오히려 암의 진행을 촉진시킬 수 있는 가능성이 제기되었다. 이러한 배경지식을 바탕으로, 본 연구에서는 항암치료로 유도된 노화종양세포가 암 줄기세포능을 증가시켜 암의 재발과 관련되어 있다는 가정 하에 실험을 진행하였다. 독소루비신은 유방암의 항암요법으로 흔히 선택되는 약제로서, 본 연구에서는 독소루비신을 사용하여 유방암세포주에 노화를 유도하였다. 여러 유방암세포주 중에서, p16INK4A에 대한 중합효소연쇄반응 검출이 가능한 BT474 유방암세포주를 최종적으로 선정하였다. 이어 진행한 실험을 통해, BT474가 안정적으로 노화가 되며 노화가 진행됨에 따라 줄기세포 마커인 CD133도 함께 증가함을 밝혔다. 이후 진행할 동물 실험에서 세포추적에 사용하기 위해 BT474의 p16INK4A의 프로모터 부위에 GFP를 tagging하였고, 이 세포주에서도 독소루비신 처리에 따라 노화세포 마커와 줄기세포 마커가 함께 증가함을 증명하였다. 추후에는, 줄기세포 마커만 있는 세포와 줄기세포 마커와 노화 마커가 모두 존재하는 세포군을 분류하고 마우스에 주입하여 종양형성능(tumor initiation ability, TIA)를 분석할 계획이다. 결론적으로, 이번 연구에서는 항암제로 인해 유방암세포가 노화가 일어날 수 있음을 밝혔다. 또한 노화가 일어남에 따라 줄기세포 특징도 함께 증가함을 밝혔다. 따라서 노화 마커와 줄기세포 마커를 가진 세포의 종양형성능에 대한 분석을 진행함으로써, 노화세포가 유방암의 재발을 막기위한 치료의 타겟이 될 수 있을 것으로 기대하고 있다.