Redox control of cell death by peroxiredoxins

Abstract

PART I The intrinsic increase of reactive oxygen species (ROS) production in cancer cells after malignant transformation frequently induces redox adaptation, leading to enhanced antioxidant capacity. Peroxiredoxin I (Prx I), an enzyme responsible for eliminating H2O2, has been found to be elevated in many types of cancer cells. Since overexpression of Prx I promoted cancer cells’ survival and resistance to chemotherapy and radiotherapy, Prx I has been proposed as a therapeutic target for anticancer drugs. Here the anticancer efficacy of a small molecule inhibiting Prx I was investigated. By a high-throughput screening approach, AMRI-59 was identified as a potent inhibitor of Prx I. AMRI-59 increased cellular ROS, leading to the activation of both mitochondria- and apoptosis signal-regulated kinase-1-mediated signaling pathways, resulting in apoptosis of A549 human lung adenocarcinoma. AMRI-59 caused no significant changes in ROS level, proliferation and apoptosis of Prx I-knockdown A549 cells by RNA interference. Prx I overexpression abrogated AMRI-59-induced cytotoxicity. AMRI-59 rendered tumorigenic ovarian cells more susceptible to ROS-mediated death compared with nontumorigenic cells. Moreover, significant antitumor activity of AMRI-59 was observed in mouse tumor xenograft model implanted with A549 cells. These results highlight a promising strategy for cancer therapy that preferentially eradicates cancer cells by targeting the Prx I-mediated redox-dependent survival pathways. PART II Ultraviolet B (UVB) induces generation of reactive oxygen species, which then ultimately leads to skin cell death. Various proapoptotic stimuli including UVB irradiation increase the production of superoxide anion and hydrogen peroxide (H2O2) by mitochondria. In previous study, mitochondrial H2O2 is well removed by peroxiredoxin III (Prx III), a mitochondrial 2-Cys Prx and it is potent regulator of mitochondria mediated apoptosis under various stimuli. Here it was studied whether Prx III plays a protective role against UVB-induced apoptosis of epidermal skin. RNA interference-mediated depletion of Prx III led to marked increase of mitochondrial H2O2 levels in human keratinocyte HaCaT cells exposed to UVB irradiation, which subsequently sensitized keratinocytes to apoptotic cell death. UVB-induced mitochondrial damage, cleavage of poly ADP ribose polymerase (PARP) and activation of caspase 3 and 9 were much higher in Prx III-depleted cells than that of control cells. Furthermore, it was confirmed that UVB-induced increase of cellular H2O2 level, apoptosis and activation of caspases were potentiated in Prx III-deficient neonatal mouse keratinocyte cells compared to wild-type. These results indicate that Prx III is a protective antioxidant against UVB-irradiation-induced apoptosis in epidermal skin.;PART I 암세포는 비정상적으로 증가된 세포증식을 위하여 많은 에너지를 필요로 하기 때문에 정상세포에 비해 대사속도가 매우 증가되어 있다. 이렇게 증가된 대사 과정의 부산물로서 불가피하게 다량의 활성산소종 (reactive oxygen species, ROS)이 발생하는데, 암세포에는 ROS를 효과적으로 제어하기 위한 항산화 시스템이 잘 발달되어 있다. Perxoredoxin (Prx)은 ROS 중의 하나인 hydrogen peroxide (H2O2)를 제거하는 peroxidase 활성을 갖는 단백질이다. 사람을 포함한 포유동물의 조직에 6개의 Prx isoform들이 발현되는데, 그 중에서 Prx I은 세포질에 주로 존재하는 peroxidase이다. 다양한 종류의 암세포에 발현이 증가되어 있는 Prx I은 암세포의 사멸을 억제하는 인자로 알려져 있다. 따라서, 암세포에 Prx I의 기능을 억제할 수 있는 물질을 처리하면 H2O2가 암세포에 축적되고, 결과적으로 ROS에 의한 암세포사멸을 유도할 수 있을 것으로 예견된 바 있다. 본 연구에서는 high-throughput screening을 통하여 선별된 19개의 Prx I 활성억제제들 중에서 가장 탁월한 효과를 나타내는 AMRI-59의 암세포사멸 효과를 입증하였다. AMRI-59는 사람의 폐암 세포주에서 효과적으로 세포 내 ROS를 증가시켰고, 증가된 ROS는 미토콘드리아 또는 apoptosis signal-regulated kinase-1이 매개하는 세포사멸을 유도하는 신호전달계를 활성화시켰다. Prx I 발현이 억제된 암세포 또는 Prx I 발현을 증가시킨 암세포를 이용하여 AMRI-59의 암세포사멸 효과는 Prx I만을 선택적으로 억제함으로써 나타난 결과임을 증명하였다. 또한, 사람의 폐암세포주를 이식한 쥐에 AMRI-59를 투여한 실험을 통하여 탁월한 항암효과를 확인하였다. Prx I의 활성억제제인 AMRI-59는 ROS 증가를 통한 암세포사멸 효과를 나타내었으므로, 이를 응용하여 화학요법 또는 방사선치료에 내성을 보이는 다양한 암세포와 암조직에 병용투여하는 항암보조제로 개발될 가능성이 있다고 사료된다. PART II 피부는 다양한 외부 환경적 요인으로부터 신체를 보호하는 가장 큰 기관으로 표피, 진피, 지방피하조직으로 이루어져있다. 표피의 대부분을 차지하는 각질형성세포는 생성, 분화 및 사멸을 통해 표피의 구조와 기능을 유지한다. 자외선에 직접적인 노출이 불가피한 각질형성세포는 자외선 자극에 의해 reactive oxygen species (ROS)의 생성을 증가시키고, 증가된 ROS에 의해 산화적 스트레스가 축적되어 세포사멸에 이르게 된다. Perxoredoxin (Prx)은 ROS 중의 하나인 hydrogen peroxide (H2O2)를 제거하는 peroxidase 활성을 갖는 단백질이다. 사람을 포함한 포유동물의 조직에 6개의 Prx isoform들이 발현되는데, 그 중에서 Prx III은 미토콘드리아에 존재하는 peroxidase이다. Prx III는 미토콘드리아가 매개하는 세포사멸작용을 억제하는 역할을 담당하는 항산화 단백질로 인식되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 자외선 조사에 의해 각질형성세포에 증가된 ROS가 미토콘드리아가 매개하는 세포사멸을 유발할 때, 미토콘드리아에만 선택적으로 존재하는 Prx III의 역할을 규명하였다. 사람의 표피각질형성 세포주인 HaCaT에 자외선을 조사하면 ROS의 생성이 증가되는데, Prx III의 발현이 억제된 HaCaT의 경우 특히 미토콘드리아 내에 축적되는 H2O2의 양이 현저히 증가되었다. 증가된 H2O2에 의해 미토콘드리아 매개 세포사멸 신호전달이 Prx III의 발현이 억제된 세포주에서 현저히 증가하였다. 그리고, 갓 태어난 마우스의 표피피부세포를 분리하여 자외선을 조사하면, 정상적인 마우스에 비해 Prx III가 발현되지 않도록 유전자가 변형된 마우스의 세포에서 미토콘드리아 내에 축적되는 H2O2의 양이 현저히 증가되었고, 미토콘드리아가 매개하는 세포사멸 신호전달의 활성도 확연히 증가되었다. 이상의 결과들을 종합하면, 표피각질형성세포의 Prx III는 자외선 조사에 의한 세포사멸을 억제하는 역할을 담당하는 중요한 항산화 단백질임을 증명하였고, 나아가 Prx III는 자외선 조사와 관련이 있는 다양한 피부질환의 예방 및 치료의 타겟으로서 가능성이 있다고 사료된다.