Role of SWI/SNF and BAP1 in DNA repair and its applications in cancer treatment

Abstract

One of the main strategies to treat cancer is to induce DNA damage by chemotherapeutic drugs or radiation. However, DNA damage response (DDR) in cancer cells often leads to therapeutic resistance by overcoming DNA damage and escaping cell death. Therefore, it is important to understand DDR in cancer cells and develop strategies to render cancer cells sensitive to agents targeting DDR proteins. My study aimed to investigate the role of SWI/SNF and BRCA1-associated protein-1 (BAP1) in DNA repair and its potential applications in cancer treatment. In the first part of my thesis, I investigated the applicability of PFI-3, a recently developed bromodomain inhibitor specifically targeting the SWI/SNF chromatin remodeling complex, which functions in DNA double strand break (DSB) repair, in cancer treatment. I showed that PFI-3 effectively blocks chromatin binding of its target bromodomain and dissociates the corresponding SWI/SNF proteins from chromatin in cancer cells. Then, I found that, while having little toxicity by itself, PFI-3 synergistically sensitizes A549 lung cancer cells to DNA damage induced by chemotherapeutic drugs and ionizing radiation. This DNA damage sensitization activity of PFI-3 occurs only for the cancer cells that require SWI/SNF for DNA repair. My mechanism studies showed that PFI-3 sensitizes A549 cells by directly blocking the chromatin binding of SWI/SNF, which causes defects in DSB repair and aberrations in damage checkpoint, eventually inducing increase of cell death via necrosis and senescence. These results demonstrated the activity of PFI-3 of sensitizing cancer cells to DNA damage and its mechanism of action via targeting SWI/SNF. This work therefore provides an experimental rationale for developing PFI-3 as a sensitizing agent for cancer treatment. In the second part of my thesis, I investigated whether BAP1 functions in the repair of UV-induced DNA damage. BAP1 is a nuclear deubiquitinase with tumor suppressor activity and involved in many cancer-related cellular functions, such as DNA repair and replication. Although BAP1 is known to stimulate DSB repair, whether it functions in nucleotide excision repair (NER) is unknown. In this study, I showed that BAP1 promotes the repair of UV-induced DNA damage via its deubiquitinating activity. BAP1 binds to chromatin after UV damage and is recruited to damage sites, demonstrating its direct role in the repair process. Poly(ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) recruits BAP1 to the damage sites for DNA repair. ATM appears to play a role in the BAP1 recruitment to damage sites and DNA repair in the same pathway as PARP1. This work therefore revealed a novel function of BAP1 in the NER pathway and the involvement of PARP1 in this function of BAP1. ;항암치료에서 항암제나 방사선을 이용한 치료법은 DNA 손상을 유도해 암세포를 죽이는 전략을 이용한다. 그러나, DNA가 손상되었을 때 발생하는 암세포에서의 DNA 손상 반응으로 인해 종종 DNA 손상을 극복하거나 세포사멸을 회피하게 되어 내성을 갖게 되고 성공적인 항암치료에 어려움을 겪는다. 따라서 암세포의 DNA 손상반응의 메커니즘을 연구하여, 효과적인 항암치료에 대한 타겟으로 이용될 단백질을 찾는 것이 중요하다. 이 논문에서는 암세포에서 DNA 복구 과정에 관여하는 SWI/SNF 크로마틴 복합체와 BAP1의 역할과, 이들의 새로운 항암치료의 타겟으로의 적용 가능성에 대하여 연구하였다. 첫번째 파트에서는 SWI/SNF 크로마틴 리모델러 복합체의 브로모도메인을 특이적으로 타겟팅하는 저분자 저해제 PFI-3를 이용하여 암세포에서 기존에 사용되던 항암제와의 병용 효능 가능성과 그 메커니즘에 대한 연구를 진행했다. SWI/SNF는 DNA에 직접 결합하여 DNA 복제, 전사 그리고 손상반응에 관여한다고 알려져 있으며, 특히 브로모도메인이 DNA에 결합하는데 중요한 부위로 작용한다. 연구 결과, PFI-3는 암세포에서 직접적으로 SWI/SNF 복합체의 타겟 단백질의 크로마틴 결합을 저해하며 항암제가 처리된 상황에서 SWI/SNF의 DNA 손상 복구 작업을 억제하게 된다. 따라서 PFI-3는 항암제와 병용 처리될 시, 암세포의 세포 괴사와 세포 노화를 증가시켜서 궁극적으로 암세포 생존도를 시너지효과로 감소시켜 새로운 항암제 민감도 증진 약물로의 활용 가능성을 보여주었다. 두번째 파트에서는 UV로 발생하는 DNA 손상 복구 과정에서 BRCA-associated protein-1 (BAP1)의 역할에 대해 연구하였다. BAP1은 세포 내 단백질 조절에 관여하는 탈유비퀴틴화 효소로 종양억제자 활성을 갖는다. 본 연구에서는 UV로 발생하는 DNA 손상 복구 과정인 뉴클레오티드 절제 복구(Nucleotide Excision Repair, 이하 NER)에서의 BAP1의 역할을 조사하였다. 연구 결과, UV에 의한 DNA 손상이 발생 시, BAP1은 PARP1의 매개에 의해 크로마틴에 결합, 손상부위에 직접 위치하여 DNA 복구에 작용한다는 사실을 입증하였다. UV에 의한 DNA 손상 복구에는 BAP1이 필수적이며, H2A를 탈유비퀴틴화 시키는 효소 활성이 중요하게 작용한다. 또한, DNA 손상복구 과정에서 BAP1은 PARP1 뿐만 아니라 기존에 NER에 관여한다고 알려진 종양억제자 단백질인 ATM의 조절도 받으며 이들은 동일선상의 경로에서 BAP1을 조절한다. 이러한 연구결과를 통해, BAP1이 UV에 의한 DNA 손상 시 복구 기작을 촉진하는 새로운 인자이며, 이때 PARP1의 매개가 중요하게 작용한다는 사실을 새롭게 규명하였다.