БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 3, с. 308–323

УДК 576.385.5

Повышение экспрессии белков NOX-2 и Nrf-2 способствует возникновению устойчивости клеток карциномы толстой кишки человека (HCT-116) к действию 5-фторурацила*

© 2021 Б.Н. Вагхела 1, Ф.У. Вайдия 1, Ч. Патхак 1,2**

School of Biological Sciences & Biotechnology, Indian Institute of Advanced Research, Koba Institutional Area, 382426 Gandhinagar, India; E-mail: cmpathak@iiar.res.in

Amity Institute of Biotechnology, Amity University, 122413 Gurgaon, India

Поступила в редакцию 14.07.2020
После доработки 21.09.2020
Принята к публикации 21.09.2020

DOI: 10.31857/S0320972521030039

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: 5-фторурацил, лекарственная резистентность, HO-1, MDR1, NOX-2, Nrf-2, АФК.

Аннотация

Изменения внутриклеточной экспрессии редокс-генов и уровня соответствующих белков оказывают влияние на инвазию, метастазирование и лекарственную устойчивость при раке. Изоформы NADPH-оксидазы (NOX) представляют собой прооксидантные белки, которые генерируют в качестве первичного продукта активные формы кислорода (АФК). Нарушения регуляции экспрессии и активности NOX приводят к изменению уровня АФК, что прямо или косвенно оказывает влияние на сигнальные пути, определяющие гибель или выживание клеток при прогрессировании рака. Ядерный фактор Nrf-2 является индуцибельным фактором транскрипции, который участвует в транскрипции целого набора антиоксидантных генов и защищает опухолевые клетки от влияния окислительного стресса. Как NOX, так и Nrf-2 участвуют в регуляции редокс-гомеостаза внутри клеток, и нарушение регуляции их активности способствует возникновению окислительного стресса, который, в свою очередь, вносит вклад в прогрессирование различных типов рака. В то же время роль изоформ NOX и Nrf-2 в развитии фенотипа лекарственной резистентности до сих пор не выяснена. В настоящей работе нами была изучена связь между изоформами NOX и Nrf-2-опосредованным сигнальным путем и экспрессией гена MDR1 в клетках карциномы толстой кишки (HCT-116/R). Для получения резистентных клеток HCT-116/R была достигнута повышенная экспрессия гена MDR1; в этих клетках регистрировали уровень активации NOX и образование АФК. Кроме того, нами была проведена оценка роли изоформ NOX и Nrf-2 в гибели клеток HCT116/R в результате апоптоза, индуцированного 5-фторурацилом (5-FU). Мы обнаружили, что клетки HCT-116/R демонстрируют повышенную экспрессию HIF-1α, Nrf-2 и HO-1 и обладают повышенной устойчивостью к действию 5-FU. В этих клетках также была повышена экспрессия и активность NOX-2. Кроме того, в клетках был отмечен повышенный уровень АФК. Следует отметить, что воздействие HDC, который является специфическим ингибитором NOX-2, на клетки HCT-116/R приводило к снижению уровня АФК. В то же время воздействие на клетки специфических ингибиторов, таких как HDC (NOX-2) и ML-385 (Nrf-2), усиливало 5-FU-опосредованную гибель клеток HCT-116/R в результате апоптоза, что позволяет предположить, что NOX-2 и Nrf-2 участвуют в развитии у клеток устойчивости к действию лекарств. Таким образом, гены NOX-2 и Nrf-2, возможно, являются вновь выявленными ускорителями возникновения лекарственной устойчивости клеток колоректального рака, и они могут быть использованы в качестве терапевтических мишеней для преодоления лекарственной резистентности при колоректальном раке.

Сноски

* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM20-221, 08.03.2021.

** Адресат для корреспонденции.

Благодарности

Авторы признательны SERB, Департаменту науки и технологий Нью-Дели Правительства Индии за предоставленный Ч. Патхаку исследовательский грант (EMR/2016/002574). Авторы благодарны ICMR Правительства Индии за предоставленную Ф.У. Вайдия научную стажировку и DST-INSPIRE за предоставленную Б.Н. Вагхела стажировку. Авторы благодарны Индийскому институту передовых исследований и фонду Пури за возможность получения образования в Индии, предоставление инфраструктуры и научно-исследовательского центра.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания выполненных автором исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Rawla, P., Sunkara, T., and Barsouk, A. (2019) Epidemiology of colorectal cancer: Incidence, mortality, survival, and risk factors, Prz. Gastroenterol., 14, 89.

2. Beheshti, M. (2018) Different strategies to overcome multidrug resistance in cancer. Research review, Int. Pharm. Acta, 1, 88-89.

3. Longley, D., and Johnston, P. (2005) Molecular mechanisms of drug resistance, J. Pathol., 205, 275-292.

4. Tanguturi, P., Kim, K.-S., and Ramakrishna, S. (2020) The role of deubiquitinating enzymes in cancer drug resistance, Cancer Chemother. Pharmacol., 85, 627-639.

5. Mansoori, B., Mohammadi, A., Davudian, S., Shirjang, S., and Baradaran, B. (2017) The different mechanisms of cancer drug resistance: a brief review, Adv. Pharm. Bull., 7, 339.

6. Choi, Y. H., and Yu, A. M. (2014) ABC transporters in multidrug resistance and pharmacokinetics, and strategies for drug development, Curr. Pharm. Des., 20, 793-807.

7. Locher, K. P., and Borths, E. (2004) ABC transporter architecture and mechanism: implications from the crystal structures of BtuCD and BtuF, FEBS Lett., 564, 264-268.

8. Holland, I. B. (2011) ABC transporters, mechanisms and biology: an overview, Essays Biochem., 50, 1-17.

9. Gottesman, M. M., and Pastan, I. H. (2015) The role of multidrug resistance efflux pumps in cancer: revisiting a JNCI publication exploring expression of the MDR1 (P-glycoprotein) gene, J. Natl. Cancer Inst., 107, djv222, doi: 10.1093/jnci/djv222.

10. Gottesman, M. M., Fojo, T., and Bates, S. E. (2002) Multidrug resistance in cancer: role of ATP-dependent transporters, Nat. Rev. Cancer, 2, 48-58.

11. Snezhkina, A. V., Kudryavtseva, A. V., Kardymon, O. L., Savvateeva, M. V., Melnikova, N. V., et al. (2019) ROS generation and antioxidant defense systems in normal and malignant cells, Oxid. Med. Cell. Longev., 2019, 6175804, doi: 10.1155/2019/6175804.

12. Maryanovich, M., and Gross, A. (2013) A ROS rheostat for cell fate regulation, Trends Cell Biol., 23, 129-134.

13. Schieber, M., and Chandel, N. S. (2014) ROS function in redox signaling and oxidative stress, Curr. Biol., 24, R453-R462.

14. Crane, F., and Low, H. (2008) Reactive oxygen species generation at the plasma membrane for antibody control, Autoimmun. Rev., 7, 518-522.

15. Krause, K.-H. (2004) Tissue distribution and putative physiological function of NOX family NADPH oxidases, Jpn. J. Infect. Dis., 57, S28-S29.

16. Weyemi, U., Redon, C. E., Parekh, P. R., Dupuy, C., and Bonner, W. M. (2013) NADPH oxidases NOXs and DUOXs as putative targets for cancer therapy, Anticancer Agents Med. Chem., 13, 502-514.

17. Juhasz, A., Markel, S., Gaur, S., Liu, H., Lu, J., et al. (2017) NADPH oxidase 1 supports proliferation of colon cancer cells by modulating reactive oxygen species-dependent signal transduction, J. Biol. Chem., 292, 7866-7887.

18. Banskota, S., Regmi, S. C., and Kim, J.-A. (2015) NOX1 to NOX2 switch deactivates AMPK and induces invasive phenotype in colon cancer cells through overexpression of MMP-7, Mol. Cancer, 14, 123.

19. Jaramillo, M. C., and Zhang, D. D. (2013) The emerging role of the Nrf2–Keap1 signaling pathway in cancer, Genes Dev., 27, 2179-2191.

20. Kessel, D., Beck, W. T., Kukuruga, D., and Schulz, V. (1991) Characterization of multidrug resistance by fluorescent dyes, Cancer Res., 51, 4665-4670.

21. Shen, F., Chu, S., Bence, A. K., Bailey, B., Xue, X., et al. (2008) Quantitation of doxorubicin uptake, efflux, and modulation of multidrug resistance (MDR) in MDR human cancer cells, J. Pharmacol. Exp. Ther., 324, 95-102.

22. Serrander, L., Cartier, L., Bedard, K., Banfi, B., Lardy, B., et al. (2007) NOX4 activity is determined by mRNA levels and reveals a unique pattern of ROS generation, Biochem J., 406, 105-114.

23. Waghela, B. N., Sharma, A., Dhumale, S., Pandey, S. M., and Pathak, C. (2015) Curcumin conjugated with PLGA potentiates sustainability, anti-proliferative activity and apoptosis in human colon carcinoma cells, PLoS One, 10, e0117526.

24. Vaidya, F. U., Sharma, R., Shaikh, S., Ray, D., Aswal, V. K., and Pathak, C. (2019) Pluronic micelles encapsulated curcumin manifests apoptotic cell death and inhibits pro-inflammatory cytokines in human breast adenocarcinoma cells, Cancer Rep., 2, e1133.

25. Tonelli, C., Chio, I. I. C., and Tuveson, D. A. (2018) Transcriptional regulation by Nrf2, Antioxid. Redox Signal., 29, 1727-1745.

26. Furfaro, A., Traverso, N., Domenicotti, C., Piras, S., Moretta, L., et al. (2016) The Nrf2/HO-1 axis in cancer cell growth and chemoresistance, Oxid. Med. Cell. Longev., 2016, 1958174, doi: 10.1155/2016/1958174.

27. Aggarwal, V., Tuli, H. S., Varol, A., Thakral, F., Yerer, M. B., et al. (2019) Role of reactive oxygen species in cancer progression: Molecular mechanisms and recent advancements, Biomolecules, 9, 735.

28. Wang, X., Son, Y.-O., Chang, Q., Sun, L., Hitron, J. A., et al. (2011) NADPH oxidase activation is required in reactive oxygen species generation and cell transformation induced by hexavalent chromium, Toxicol. Sci., 123, 399-410.

29. Das, D., Preet, R., Mohapatra, P., Satapathy, S. R., Siddharth, S., et al. (2014) 5-Fluorouracil mediated anti-cancer activity in colon cancer cells is through the induction of adenomatous polyposis Coli: implication of the long-patch base excision repair pathway, DNA Rep., 24, 15-25.

30. Grem, J. L. (2000) 5-Fluorouracil: forty-plus and still ticking. A review of its preclinical and clinical development, Invest. New Drugs, 18, 299-313.

31. Zhang, N., Yin, Y., Xu, S.-J., and Chen, W.-S. (2008) 5-Fluorouracil: mechanisms of resistance and reversal strategies, Molecules, 13, 1551-1569.

32. Pardini, B., Kumar, R., Naccarati, A., Novotny, J., Prasad, R. B., Forsti, A., et al. (2011) 5-Fluorouracil-based chemotherapy for colorectal cancer and MTHFR/MTRR genotypes, Br. J. Clin. Pharmacol., 72, 162.

33. Kovalev, A. A., Tsvetaeva, D. A., and Grudinskaja, T. V. (2013) Role of ABC-cassette transporters (MDR1, MRP1, BCRP) in the development of primary and acquired multiple drug resistance in patients with early and metastatic breast cancer, Exp. Oncol., 35, 287-290.

34. Van der Jeught, K., Xu, H.-C., Li, Y.-J., Lu, X.-B., and Ji, G. (2018) Drug resistance and new therapies in colorectal cancer, World J. Gastroenterol., 24, 3834.

35. Liu, Y., Li, Q., Zhou, L., Xie, N., Nice, E. C., et al. (2016) Cancer drug resistance: redox resetting renders a way, Oncotarget, 7, 42740.

36. Kamata, T. (2009) Roles of Nox1 and other Nox isoforms in cancer development, Cancer Sci., 100, 1382-1388.

37. Adachi, Y., Shibai, Y., Mitsushita, J., Shang, W., Hirose, K., and Kamata, T. (2008) Oncogenic Ras upregulates NADPH oxidase 1 gene expression through MEK-ERK-dependent phosphorylation of GATA-6, Oncogene, 27, 4921-4932.

38. Martner, A., Aydin, E., and Hellstrand, K. (2019) NOX2 in autoimmunity, tumor growth and metastasis, J. Pathol., 247, 151-154.

39. Taguchi, K., Motohashi, H., and Yamamoto, M. (2011) Molecular mechanisms of the Keap1–Nrf2 pathway in stress response and cancer evolution, Genes Cells, 16, 123-140.

40. Shibata, T., Kokubu, A., Gotoh, M., Ojima, H., Ohta, T., et al. (2008) Genetic alteration of Keap1 confers constitutive Nrf2 activation and resistance to chemotherapy in gallbladder cancer, Gastroenterology, 135, 1358-1368.e1354.

41. Sekhar, K. R., Crooks, P. A., Sonar, V. N., Friedman, D. B., Chan, J. Y., et al. (2003) NADPH oxidase activity is essential for Keap1/Nrf2-mediated induction of GCLC in response to 2-indol-3-yl-methylenequinuclidin-3-ols, Cancer Res., 63, 5636-5645.

42. Wu, R. F., and Terada, L. S. (2009) Ras and Nox: linked signaling networks? Free Radic. Biol. Med., 47, 1276-1281.

43. Laurent, E., McCoy, J. W. 3rd, Macina, R. A., Liu, W., Cheng, G., et al. (2008) Nox1 is over-expressed in human colon cancers and correlates with activating mutations in K-Ras, Int. J. Cancer, 123, 100-107.

44. Tao, S., Wang, S., Moghaddam, S. J., Ooi, A., Chapman, E., et al. (2014) Oncogenic KRAS confers chemoresistance by upregulating NRF2, Cancer Res., 74, 7430-7441.

45. Kovac, S., Angelova, P. R., Holmstrцm, K. M., Zhang, Y., Dinkova-Kostova, A. T., and Abramov, A. Y. (2015) Nrf2 regulates ROS production by mitochondria and NADPH oxidase, Biochim. Biophys. Acta, 1850, 794-801.

46. Han, M., Zhang, T., Yang, L., Wang, Z., Ruan, J., and Chang, X. (2016) Association between NADPH oxidase (NOX) and lung cancer: a systematic review and meta-analysis, J. Thorac. Dis., 8, 1704.

47. Parekh, A., Das, S., Parida, S., Das, C. K., Dutta, D., et al. (2018) Multi-nucleated cells use ROS to induce breast cancer chemo-resistance in vitro and in vivo, Oncogene, 37, 4546-4561.

48. Longley, D. B., Harkin, D. P., and Johnston, P. G. (2003) 5-fluorouracil: mechanisms of action and clinical strategies, Nat. Rev. Cancer, 3, 330-338.

49. He, L., Zhu, H., Zhou, S., Wu, T., Wu, H., et al. (2018) Wnt pathway is involved in 5-FU drug resistance of colorectal cancer cells, Exp. Mol. Med., 50, 1-12.

50. Kim, E.-K., Jang, M., Song, M.-J., Kim, D., Kim, Y., and Jang, H. H. (2019) Redox-mediated mechanism of chemoresistance in cancer cells, Antioxidants, 8, 471.

51. Kang, K., Piao, M., Kim, K., Kang, H., Chang, W., et al. (2014) Epigenetic modification of Nrf2 in 5-fluorouracil-resistant colon cancer cells: involvement of TET-dependent DNA demethylation, Cell Death Dis., 5, e1183.