Increased BRCA1 Stability by Pemetrexed in Breast Cancer Cells

Abstract

Breast Cancer Susceptibility Gene 1 (BRCA1)은 종양 억제 유전자로, DNA 손상 수리 기전과 세포 주기 조절 그리고 세포사의 증가 등 다양한 기능을 통해 종양 억제를 매개한다. 이러한 BRCA1이 변이가 되면 종양 억제 기능의 상실이 일어나고, 이는 악성종양을 유도한다. 실제로, 유방암 환자 중 상당수가 BRCA1이 변이된 형태를 보였다. 그러나, BRCA1 돌연변이 뿐만 아니라 BRCA1 발현 감소 또한 유방암 환자에서 많이 발견되었고 BRCA1 유전자가 돌연 변이된 유방암 환자는 나쁜 예후를 보인다. 이를 통해 우리 연구팀은 BRCA1의 안정성을 유지하는 것이 유방암을 예방할 수 있는 하나의 전략이 될 수 있음을 짐작하였고 BRCA1의 기능 회복을 통한 효과적인 유방암 치료제 개발을 목표로 연구를 진행하였다. 이전 연구를 통해, FDA 승인된 약물 중 엽산 항대사 화학요법제인 Pemetrexed를 BRCA1 발현 증가를 위한 치료제로 선택하였다. Pemetrexed와 BRCA1의 상관관계에 대해 자세히 알기 위해 Pemetrexed에 의한 BRCA1 단백질 발현의 변화를 관찰하였고 이에 대한 조절 메커니즘 규명을 목표로 연구를 진행하였다. 더불어 Pemetrexed와 방사선 조사를 함께하여 혼합 요법에 대한 효과가 있는지 보고자 하였다. 본 실험을 통해, Pemetrexed에 의해 BRCA1 안전성이 증가하는 것을 확인하였고 Pemetrexed가 BRCA1 유비퀴틴 매개 단백질 분해를 BRCA1의 RING domain을 통해 저해하는 것을 확인하였다. 그러나 이에 대한 자세한 메커니즘을 밝히기 위해선 더 심화적인 연구가 필요하다. 더 나아가, Pemetrexed와 방사선 조사를 함께 하였을 때 BRCA1의 발현과 유방암 세포사가 증가하는 것을 볼 수 있었다. 또한 유방암 세포이종이식 마우스 모델을 통한 동물 실험 결과에서도 Pemetrexed와 방사선 조사를 혼합 처리하였을 때 종양 성장이 저해되는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 BRCA1 발현 수준 회복에 따른 세포사멸의 증가에 기인한 것이라 예상된다. 본 실험 결과는 Pemetrexed가 BRCA1 기능 회복을 통한 효과적인 유방암 치료제가 될 가능성이 있음을 시사한다.;Breast Cancer Susceptibility Gene 1(BRCA1) is a multi-functional tumor suppressor gene involved in DNA repair pathways, cell cycle arrest, and cell death induction. Mutations in these genes have been considered a high-risk factor of breast cancer. However, several studies revealed that loss expression of BRCA1 has been reported in sporadic breast cancer and it indicated a poor prognosis. Therefore, maintaining the BRCA1 protein stability could be a key for preventing breast cancer. So our research team conducted a study for the restoration of BRCA1 levels in breast cancer. In a previous study, we selected Pemetrexed, a folate antimetabolite chemotherapy agent, as the treatment for restoration of BRCA1 levels in breast cancer but its mechanisms remain unclear. Thus, I evaluated the mechanisms of Pemetrexed on BRCA1 stability in breast cancer cells and optimized the sensitization effects in combination with IR and Pemetrexed. Here, I elucidated that Pemetrexed increases BRCA1 stability in breast cancer cells. Pemetrexed regulates the protein level of BRCA1. Pemetrexed enhanced the BRCA1 stability by inhibiting early levels of the ubiquitin-proteasome pathway and it regulated BRCA1 ubiquitin-degradation through the BRCA1 RING domain. Furthermore, the combination effects of Pemetrexed with irradiation showed sensitization effects in vitro and in vivo. Taken together, Pemetrexed induced BRCA1 stability by inhibiting BRCA1 ubiquitin-degradation and it can be an effective treatment combined with IR therapy.