Studies on antitumor activity of Nm23/NDPK activators for targeting mitochondria

Abstract

Nucleoside diphosphate kinase (NDPK, Nm23)는 NTP 말단의 phosphate를 NDP로 전달하는 활성을 가지는 효소이다. 10가지 subtype의 Nm23가 발견되었으며 그 중에서도 Nm23-H1는 다양한 암 종에서 암 전이를 저해하는 단백질로 잘 알려져 있다. 이전의 연구에서 세포 내에서 Nm23-H1의 NDPK 효소 활성은 산화 환원 조절에 의해 조절 된 다는 것을 밝혔다. Nm23-H1의 NDPK 활성의 암전이 저해 활성에 중요한 역할을 하였다. 이러한 사실을 바탕으로 천연물 라이브러리를 스크리닝 하여 Nm23-H1의 NDPK활성을 증가 시키는 화합물인 NMac1이 선별되었다. NMac1은 생체 외 실험에서 세포 증식에는 영향을 주지 않으면서 invasion을 감소시켰으며, 생체 내 실험에서 원발 종양의 크기에 영향을 주지 않으면서 암 전이를 감소시켰다. 이번 연구에서 NMac1이 포도당이 없는 환경에서 triple negative 유방암 세포인 MDA-MB-231의 증식을 저해하는 것이 발견되었다. NMac1의 암세포 성장 저해는 Nm23-H1 또는 –H2의 활성화에 의한 현상이 아님을 밝혔다. NMac1은 포도당이 없는 환경에서 마이토콘드리아의 기능을 저해하여 그에 따라 AMPK/mTOR/ERK의 signaling의 변화와 세포내 ATP고갈을 초래하고 그 결과 세포의 proliferation을 감소시켰다. 추가적인 NMac1 유도체를 이용한 스크리닝 연구를 통해 보다 낮은 농도에서 미토콘드리아를 저해하는 화합물들도 선별 되었으며, NMac1의 반응이 세포주에 따라 다르게 나타난다는 것도 확인 되었다. 암세포는 빠른 증식을 위해 호기성 해당작용을 통한 대사의 변환을 통해 포도당을 과량 소비하며, 이에 따라 암세포 내의 포도당 농도는 일반 세포보다 낮은 것이 특징적이다. 또한 미토콘드리아는 암세포가 성장하는 데에 중요한 역할을 한다. 이러한 결과들은 NMac1이 기존의 암전이 효과에 더하여 포도당이 없는 환경에서만 미토콘드리아의 기능장애를 일으키는 기전의 agent로 더 연구 될 수 있을 가능성을 보여준다.;Nucleoside diphosphate kinase (NDPK, Nm23) is housekeeping enzyme catalyzing the transfer of terminal phosphate from nucleoside triphosphates (NTP) to nucleoside diphosphates (NDP). Among the ten subtypes of NM23, Nm23-H1 is well known metastasis suppressor in multiple tumor types. NDPK activity of Nm23-H1 is required for suppressing metastasis. In previous study, small molecule Nm23-H1 activator has been screened in natural product compounds library and one compound of Nm23-H1 activator, NMac1, was found to increase NDPK activity. NMac1 significantly reduces cell invasion in vitro via Rac1 inhibition and cancer metastasis in vivo, not affecting proliferation of cancer cells in vitro and primary tumor size in vivo. This study found that NMac1 treatment decreased cell proliferation in MDA-MB-231 breast cancer cell with specific morphology change only under the glucose depleted condition. This inhibition which can be caused by NMac1 was accompanied with changes of AMPK/mTOR/ERK signaling pathway via ATP depletion induced by mitochondrial dysfunction, not by the activation of NM23-H1 or -H2. Since cancer cells promote the growth and proliferation by reprogramming the metabolic pathway to aerobic glycolysis using extra glucose consumption, low cellular glucose is hallmark of cancer cells. Also mitochondria play critical roles in tumor metabolism. The results shows the prospect of NMac1 as anti-cancer therapeutics suppressing cancer proliferation by inducing mitochondria dysfunction only in the glucose deprived condition, in addition to metastasis suppression. Further screening studies using NMac1 derivatives found several more potent chemicals for inducing mitochondria dysfunction and also found that NMac1 response is varied depending on the cancer cell lines.