Combining PI3K inhibitor with autophagy inhibitor enhances antitumor activity via subcellular localization of FOXO3a in PIK3CA-mutant cancer cells

Abstract

Autophagy is the process of lysosome-mediated degradation and recycling that functions as an adaptive survival mechanism during anti-cancer therapy. Aberrant activation of the phosphoinositide-3-kinase (PI3K) pathway frequently occurs in solid tumors, including cervical cancer. However, single-agent PI3K inhibitors show modest anti-tumor efficacy in clinics. To see whether autophagy inhibition improves the efficacy of PI3K inhibitor in PIK3CA-mutant cancer cells, cells were treated with BKM120, a pan-PI3K inhibitor, and the autophagy inhibitor hydroxychloroquine (HCQ). Autophagy inhibition augmented the efficacy of BKM120 depending on PIK3CA-mutant cancer cell type. BKM120 treatment led to the nuclear accumulation of forkhead box O3 (FOXO3a) in Caski and T47D cells, which showed a synergistic effect of BKM120 and HCQ and the strong induction of autophagy. However, most FOXO3a remained in cytoplasm in C33A and ME180 cells, which did not exhibit synergy. These data suggest that BKM120-induced nuclear translocation of FOXO3a might elicit autophagy and be a critical factor determining the synergistic activity of BKM120 and HCQ in PIK3CA-mutant cancer cells. The release of FOXO3a from 14-3-3 by BV02 or 14-3-3 knockdown induced autophagy by BKM120 in C33A cells and sensitized the cells to the combined BKM120 and HCQ treatment, suggesting that cytoplasmic retention of FOXO3a by 14-3-3 even in the presence of BKM120 inhibit autophagy induction and synergistic effect of BKM120 and HCQ combination. As a result, we found that autophagy inhibition enhances the efficacy of a PI3K inhibitor depending on PIK3CA-mutant cervical cancer cell type. In this context, nuclear translocation of released FOXO3a from 14-3-3 by PI3K inhibitor induces cytoprotective autophagy in PIK3CA-mutant cancer cells, leading to the improved anti-cancer efficacy of PI3K inhibitor when combined with autophagy inhibition. Taken together, our study shows that subcellular localization of FOXO3a might be a potential biomarker for predicting response to the combination treatment with PI3K and autophagy inhibitors in PIK3CA-mutant cervical cancer patients. Furthermore, our study suggests a possible therapeutic benefit of pharmacologic disruption of the association between FOXO3a and 14-3-3 to sensitize PIK3CA-mutant cancers that do not respond to the combined therapy with inhibitors of PI3K and autophagy.;자가포식은 라이소좀에 의한 세포 분해 및 재활용 과정으로 항암 치료에 대한 적응 기전의 하나로 알려져 있다. Phosphoinositide-3-kinase (PI3K) 경로의 비정상적인 활성화는 자궁경부암을 비롯한 여러 고형암에서 자주 발견되고 있다. 그러나 PI3K 억제제를 사용하는 것은 임상적으로 항암 치료에 큰 효과를 보이지 못하고 있다. PIK3CA 변이가 있는 암세포에서 자가포식을 억제하는 것이 PI3K 억제제의 효과를 향상시키는지 알아보고자 본 연구에서는 PI3K 억제제인 BKM120과 자가포식 억제제인 hydroxychloroquine (HCQ)을 상기 변이가 있는 세포주에 대해 처리하였다. PIK3CA 변이가 있는 세포에서 자가포식을 억제하는 것은 세포주의 종류에 따라 BKM120의 효과를 증가시켰다. Caski 세포와 T47D 세포에 BKM120을 처리하였을 때 세포핵 내에 forkhead box O3 (FOXO3a)가 증가하는 것을 보였고, 이 때 자가포식이 강하게 억제되면서 BKM120과 HCQ의 상승효과가 일어남을 볼 수 있었다. 그러나 대부분의 FOXO3a는 C33A세포와 ME180세포에서 세포질 내에 머물러 있었고 이 때 상승작용은 볼 수 없었다. 이 결과로 볼 때 BKM120에 의한 FOXO3a의 세포핵 내로의 이동이 자가포식 과정을 억제시키는 과정과 PIK3CA-변이가 있는 세포주에서 BKM120과 HCQ의 상승작용을 일으키는 것에 중요한 인자로 보였다. BV02에 의해 14-3-3 단백질과 FOXO3a를 분리시키는 것이나 14-3-3을 발현억제(knockdown)시키는 것은 C33A 세포에서 자가포식을 유도하였고 나아가 BKM120과 HCQ의 병합 치료에 대한 반응을 상승시키는 결과를 보였고, 이는 14-3-3 단백질에 의해 FOXO3a가 세포질 내에 정체되는 것이 자가포식을 억제시키고 나아가 BKM120과 HCQ의 병합 치료에 대한 상승효과를 떨어뜨리는 것으로 생각할 수 있었다. 이 연구의 결과, FOXO3a의 세포 내의 위치는 PIK3CA-변이가 있는 자궁경부암 환자에서 PI3K 억제제와 자가포식 억제제의 병합 치료에 대한 반응을 예측할 때 생화학적 지표로서의 가능성이 있는 것으로 판단된다.