5H-Indeno[1,2-b]pyridine Derivative Inhibits Catalytic Activity of Topoisomerase II and Induces Apoptosis in Breast Cancer Cells

Abstract

Topoisomerase is a nuclear enzyme that solves topological problems of DNA inevitably encountered during DNA replication, transcription, recombination, chromosome condensation and segregation processes through DNA breakage of transient single or double strand. Since topoisomerase plays an essential role in various processes of cell survival, topoisomerase has been, for a long time, regarded as one of the most popular target for cancer therapy. Topoisomerase inhibitors are commonly divided into two groups; topoisomerase poison and catalytic inhibitor. The first group, topoisomerase poison, very effectively kills cancer cells by stabilizing the transiently formed DNA-enzyme cleavable complex, followed by prevention of DNA religation. However it has a limitation for being used due to its severe DNA toxicity caused by undesirable accumulation of truncated DNA. The second group, catalytic inhibitor acts on other steps in the catalytic cycle of DNA topoisomerase except for stabilizing cleavable DNA-enzyme complex therefore it generally induces relatively lower DNA damage than topoisomerase poison. Our laboratory has continuously put efforts to develop topoisomerase catalytic inhibitors which can have stronger topoisomerase inhibitory activity and less genetic toxicity than topoisomerase poison. In the current study, a series of 5H-indeno[1,2-b]pyridine derivatives provided from Prof. E.S. Lee (Yeungnam University) were evaluated for their biological activity using topoisomerase relaxation assay and cytotoxicity test in several human cancer cells. Among tested synthetic compounds, UT-II-199 showed most potent topoisomerase inhibitory activity and cytotoxicity in T47D human breast cancer cells. I chose UT-II-199 to clarify the mode of action using diverse assay methods such as DNA decatenation, topoisomerase II ATPase, DNA unwinding, stabilization of cleavable complex, comet and cell viability assays and cell cycle and apoptosis analyses. As a result, UT-II-199 was proven as a non-intercalative topoisomerase catalytic inhibitor and induced G1 arrest and apoptosis in MCF7 human breast cancer cells.;토포아이소머라아제는 핵 내에 존재하는 효소로서 복제, 전사, 재조합, 염색체의 응축과 분리와 같은 세포 내 필수적인 과정 중에서 발생할 수 있는 DNA의 위상 문제를 DNA 가닥을 자름으로써 해결한다. 이러한 기능을 하는 토포아이소머라아제는 세포의 생존에 필수적이기 때문에 이전부터 항암치료에 타깃이 되어왔다. 토포아이소머라아제 억제제는 독성 억제제와 촉매 억제제로 구분할 수 있다. 먼저, 독성 억제제는 topoisomerase와 DNA 절단복합체를 안정화시켜 그 산물로 절단된 DNA를 축적시키며 이것이 세포에 독성을 주는 억제제이다. 독성 억제제는 매우 효과적으로 세포를 죽이지만 세포에 독성을 주기 때문에 항암제로서는 한계를 가진다. 두번째는 촉매 억제제로 독성억제제가 작용하는 단계를 제외한 단계에서 토포아이소머라아제를 저해한다. 촉매 억제제는 독성억제제보다 독성이 적어서 부작용이 적은 항암제로서 개발 가능성이 크다. 본 연구에서는 독성 억제제보다 효과는 좋고 독성은 더 적은 촉매 억제제 개발을 목표로 수행되었다. 영남대학교 이응석 교수님께 5H-indeno[1,2-b]pyridine 유도체인 32개의 화합물을 제공받아 토포아이소머라아제의 활성 억제 효과와 다양한 인간 암 세포주에서 세포 독성을 측정하였다. 32개의 화합물 중 강한 topoisomerase 활성 억제 효과를 보인 UT-II-199를 선도물질로 정하였으며 UT-II-199가 유방암 세포주에서 강한 독성을 보였으므로 추가 실험들을 유방암 세포주에서 수행하였다. UT-II-199의 기전을 밝히기 위해 DNA decatenation, topoisomerase II ATPase, DNA unwinding, stabilization of cleavable complex, comet, cell cycle, apoptosis에 관한 실험들을 수행하였다. 실험 결과를 통해 UT-II-199가 끼어들기 약물로 작용하지 않지만 세포 내 G1 arrest를 일으키며 세포 사멸을 유도하는 촉매 억제제임을 확인하였다.