대사체학을 이용한 지방산 합성 효소 저해 상태에서의 기전 연구

Abstract

PART Ⅰ. 대사체학을 통한 전립선 암세포에서 지방산 합성 효소 억제에 의한 대사 유연성 확인 지방산 합성 효소 (FAS: Fatty acid synthase)는 세포 성장 및 신호 전달에 필요한 지질을 생성하는 지방산 생합성 (DNL: de novo lipogenesis)에 관여하는 주요 효소이며, 특히 암 세포에서 과발현되는 것으로 알려져 있다. 암세포의 지질 합성을 차단하기 위해 FAS를 표적화 하는 약물의 개발은 대사 적응성을 갖는 암 세포의 특성에 의해 방해되어 신속한 적응 및 저항을 초래한다. 따라서, FAS 억제 동안 세포 수준에서 대사 변경을 확인하기 위해, FAS 저해제 (fasnall, cerulenin, GSK2194069 및 TVB-3166)로 LNCaP-LN3 전립선 암 세포를 치료했다. 비표적 대사체학으로 약물 치료군에서 총 70 개의 대사 산물에서 유의한 변화가 관찰되었다. 변경된 대사 산물 중 10 가지 대사 산물이 모든 약물 처리 군에서 유의하게 변화되었다. 흥미롭게도, 대사 산물 수준에서 약물 특이적 변화가 있었다; 각각 cerulenin에서 14개, fasnall에서 4개, GSK2194069에서 2개, TVB-3166에 의해 2개 변경되었다. 놀랍게도, 4 가지 약물이 일반적으로 FAS를 목표로 하지만 대사 경로에 미치는 영향은 달랐다. 주목할 만한 대사 경로 중 일부는 폴리 아민 대사 및 에너지 대사를 포함한다. 이 연구는 대사체학을 통해 4 가지 다른 FAS 저해제를 사용하여 세포 대사 유연성에 대한 FAS 억제의 효과를 비교하고 설명하는 최초의 연구이다. 이 결과가 향후 FAS 표적화 약물 개발을 위한 주요 데이터를 제공할 수 있다고 생각한다. PART Ⅱ. 외인성 팔미트산 노출에 따른 지방산 합성 효소 저해 상태에서 내인성 대사체 변화 암세포는 지방산 합성 효소(FAS: Fatty acid synthase)의 과발현을 보이며 증가한 지방산 생합성 (DNL: de novo lipogenesis)을 보인다. FAS에 의해 합성된 팔미트산은 더 복잡한 지방산의 합성을 만들어내며 세포막 구조와 신호 전달 등 중심적인 역할을 담당한다. 미세환경에서도 생존 하고자 하는 암세포의 특성상, 전립선 암세포에서도 지방산 생합성이 저해되었을 때, 세포내에서 다른 경로의 up-regulation을 통해 지방산을 만들어내거나 필요한 지방산을 외부로부터 흡수하려는 경향이 보고되었다. 이번 연구에서는 외인성 지방산인 팔미트산이 FAS 저해제를 통한 암세포 사멸과 대사 경로에 미치는 영향을 알아보고자 한다. 따라서, FAS를 억제하는 동안 세포 수준에서 팔미트산의 흡수로 인한 세포 생존력과 대사 변화를 확인하기 위해, FAS 저해제인 TVB-3166과 외인성 팔미트산으로 LNCaP-LN3 전립선 암세포에 처리해했다. 비표적 대사체학으로 약물 치료군에서 총 58개의 대사 산물에서 유의적인 변화가 관찰되었다. 흥미롭게도, 변경된 대사 산물 중 41개의 대사 산물이 FAS가 동일하게 저해된 상태에서 팔미트산 처리 여부에 따라 유의적인 차이를 보였다. 놀랍게도, 팔미트산을 처리한 그룹은 유의적으로 세포 생존력을 증가시키며 암세포의 성장과 증식을 회복하고자 하는 대사 산물의 증감 변화를 보였다. 주목할 만한 대사 경로 중 일부는 지방산, 글리세롤 인지질 대사와 glutamate 대사를 포함한다. 이 연구는 대사체학을 통해 FAS 저해 상태에서 외인성 팔미트산 노출에 따른 전립선 암세포의 내인성 대사체 변화를 확인하는 최초의 연구이다. 이 결과가 향후 FAS 표적화 약물 개발을 위한 주요 데이터를 제공할 수 있으며 암세포의 대사 유연성을 위한 주요 데이터를 제공할 수 있다고 생각한다. ;PART Ⅰ. The metabolic flexibility of fatty acid synthase inhibitors on human prostate cancer cell using metabolomic approach. Fatty acid synthase (FAS) is a key enzyme involved in de novo lipogenesis that produces lipids that are necessary for cell growth and signal transduction, and it is known to be overexpressed, especially in cancer cells. Although lipid metabolism alteration is an important metabolic phenotype in cancer cells, the development of drugs targeting FAS to block lipid synthesis is hampered by the characteristics of cancer cells with metabolic flexibility leading to rapid adaptation and resistance. Therefore, to confirm the metabolic alterations at the cellular level during FAS inhibition, we treated LNCaP-LN3 prostate cancer cells with FAS inhibitors (fasnall, cerulenin, GSK2194069, and TVB-3166). With nontargeted metabolomics, we observed significant changes in a total of 70 metabolites in the drug-treated groups. Among the altered metabolites, 10 metabolites were significantly changed in all of the drug-treated groups. Interestingly, there were drug-specific alterations in the metabolite levels; 14, 4, 2, and 2 metabolites were altered specifically by cerulenin, fasnall, GSK2194069, and TVB-3166, respectively. To our surprise, although the four drugs commonly target FAS, their impact on metabolic pathways was different. Some of the notable metabolic pathways include polyamine metabolism and energy metabolism. This is the first study to compare and elucidate the effect of FAS inhibition on cellular metabolic flexibility using four different FAS inhibitors through metabolomics. We believe that our results may provide key data for the development of future FAS-targeting drugs. PART Ⅱ. The UPLC-Orbitrap-MS aided metabolic profiling of the effects of extracellular palmitate in fatty acid synthase inhibition. Cancer cells usually show overexpression of fatty acid synthase and increased de novo fatty acid biosynthesis (DNL: de novo lipogenesis). Palmitate, synthesized through FAS acts as a precursor to more complex fatty acids and plays a central role in maintaining the cell membrane structure and signal transduction. Metabolic reprogramming in cancer cells is well known hallmarks of cancer and when the supply of the membrane-forming and energy-supplying fatty acid is blocked, it was previously reported that the cancer cells try to compensate the needed fatty acids through absorbing them from the outer cell membranes. However, the underlying mechanism of this phenomenon is still unclear. Therefore, to elucidate the metabolic alterations during this phenomenon, LNCaP-LN3 prostate cancer cells were treated with TVB-3166 to inhibit FAS then palmitate was supplied in the cell growth medium to see the effects of the palmitate uptake. With non-targeted metabolomics, we showed significant changes in a total of 58 metabolites in the drug treated group. Interestingly, 41 metabolites showed significant alterations when palmitate was treated after the inhibition of FAS. To our surprise, palmitate-treated groups significantly increased cell viability. Some of the notable alterations in the metabolic pathways include fatty acid metabolism, glycerophospholipid metabolism, and glutamate metabolism. This is the first study using metabolomics to identify the effects of the palmitate uptake on the changes in the endogenous metabolites while FAS is inhibited. We believe our results provide key data of the exogenous palmitate-triggered metabolic alterations in the LNCaP-LN3 cells during DNL blockade and may provide an insight for the underlying mechanism of cancer’s metabolic flexibility.