Pemetrexed increases BRCA1 protein stability by inhibiting proteasome degradation and potentiates apoptosis in TNBC cells in combination with radiation.

Abstract

Breast cancer type 1 susceptibility protein (BRCA1) is a multifunctional tumor suppressor gene that regulates cellular genomic stability by participating in DNA repair, cell cycle arrest, E3 ligase activity, and apoptosis. While BRCA1 mutations are often associated with Triple-negative breast cancer (TNBC) patients, recent research reveals reduced BRCA1 function in almost half of TNBC cases due to decreased expression, even without genetic mutations. This reduction in BRCA1 has been reported to correlate with unfavorable prognoses in several studies, emphasizing the importance of regulating BRCA1 protein stability in TNBC treatment. Our research team conducted a study, building on previous research, aiming to enhance BRCA1 stability in breast cancer using the multi-antifolate drug Pemetrexed. However, the exact mechanism behind how Pemetrexed improves BRCA1 stability remains unknown. Thus, our study evaluated Pemetrexed's mechanism within TNBC and its synergistic effects when combined with ionizing radiation (IR). Pemetrexed was observed to act on the BRCA1 C-terminal (BRCT) domain at the protein level, enhancing BRCA1 stability, inducing apoptosis in TNBC, and showing increased efficacy when combined with IR. In vivo and in vitro assessments demonstrated heightened TNBC sensitivity to Pemetrexed and IR combination therapy. Pemetrexed tended to regulate BRCA1 stability by inhibiting the ubiquitination proteasome pathway. These results suggest that Pemetrexed, by modulating BRCA1 stability and inducing apoptosis in combination with IR, holds potential as a therapeutic agent for TNBC patients.;BRCA1은 DNA 수리, 세포 주기 정지, E3 리가제 활동 및 세포 사멸에 참여함으로써 세포의 유전체 안정성을 조절하는 다기능 종양 억제 유전자입니다. BRCA1 돌연변이는 종종 삼중 음성 유방암 환자와 관련되지만, 최근 연구에서는 유전적 돌연변이 없이도 거의 절반 이상의 삼중 음성 유방암 환자군에서 BRCA1 기능이 감소된 것으로 나타났습니다. 이러한 BRCA1 감소는 여러 연구에서 불리한 예후와 연관되어 있으며, 삼중 음성 유방암 치료에서 BRCA1 단백질 안정성을 조절하는 중요성을 강조합니다. 저희 연구팀은 이전 연구를 바탕으로 하여, 엽산 항대사 화학 요법인 Pemetrexed를 사용하여 유방암에서 BRCA1 안정성을 올림으로써 삼중 음성 유방암에 병용 치료제로 사용할 수 있는지에 대한 연구를 수행했습니다. Pemetrexed가 BRCA1 안정성을 향상시키는 것은 확인되었지만 정확한 메커니즘은 아직 연구되지 않았습니다. 따라서 Pemetrexed의 삼중 음성 유방암 내 메커니즘과 이를 이온화 방사선(IR)과 병용했을 때의 시너지 효과를 확인하기 위해 연구를 진행했습니다. Pemetrexed는 단백질 수준에서 BRCT 도메인에 작용하여 BRCA1 안정성을 높이고, BRCA1이 유비퀴틴 매개 단백질 분해를 BRCA1의 BRCT domain를 통해 저해하는 경향을 보였습니다. 이러한 현상은 Pemetrexed가 BRCA1의 자가 유비퀴틴화 과정에 E2 ligase에 영향을 주어 유비퀴틴이 붙지 않게 억제하거나, Pemetrexed가 탈유비퀴틴 효소 영향을 주어 이미 BRCA1에 결합된 유비퀴틴을 떼어내어 BRCA1의 안전성을 올리는지는 추가적인 연구가 필요합니다. 더 나아가 Pemetrexed와 방사선 조사를 함께 하였을 때 BRCA1의 발현이 증가하고 삼중 음성 유방암의 세포사멸이 증가하는 것을 볼 수 있었습니다. 삼중 음성 유방암 세포 이종이식을 한 마우스 모델에서도 Pemetrexed를 단독으로 처리했을 때보다 방사선과 병용으로 처리했을 때 종양 성장이 저해되는 것을 확인하였습니다. 이는 Pemetrexed와 방사선 병용처리군에서 Ki67 발현이 감소하고 BRCA1이 주로 세포질에 염색된 것이 확인되었는데 이것을 통해 BRCA1의 발현이 증가해서 종양 내 세포사멸이 증가된 것이라고 생각합니다. 이러한 결과는 Pemetrexed가 BRCA1 안정성을 조절하고 IR과 병용하여 세포 사멸을 유도함으로써 삼중 음성 유방암 환자에게 치료제로서의 잠재력을 가지고 있다는 것을 시사합니다.