Cancer-associated fibroblasts promote metastasis and chemo-resistance by upregulation of IGFBP3 in colorectal cancer cells

Abstract

Colorectal cancer (CRC) is one of the most common malignant cancers worldwide. Increasing evidence has emerged that cancer malignancy such as metastasis and chemo-resistance is associated with cancer-associated fibroblasts (CAF) in the tumor microenvironment. However, the molecular mechanism of CAF-mediated malignancy of CRC is less understood. Here, I generated the CAF exhibiting the expression of CAF markers including FAP, FSP1 and α-SMA by the treatment of HCT116-conditioned medium. The CAF co-cultures promoted the ability of migration and invasion with increased expression levels of master regulators of epithelial-mesenchymal transition (EMT), and attenuated the apoptotic sensitivity induced by various anti-cancer drugs such as 5-FU and oxaliplatin in CRC cell line. KEGG pathway and biochemical analysis of HCT116 cell co-cultured with CAF revealed differentially abundant gene set of transcriptional misregulation in cancer including insulin-like growth factors-binding protein 3 (IGFBP3). Interestingly, immunoblot data showed the increased phosphorylation of AKT in HCT116 cell co-cultured with CAF, regardless of no activation of EGFR and IGFR pathway. Furthermore, selective knockdown of IGFBP3 expression significantly suppressed the enhanced migration/invasion and drug-resistance by regulating signaling pathway of AKT-ZEB1 axis in HCT116 cell co-cultured with CAF. Unexpectedly, I also found that CAF-activated HCT116 more secreted the plasminogen activator inhibitor-1 (PAI-1) protein than non-co-cultured HCT116 as shown by cytokine array and western blot. The analysis of functional hierarchy relationship between IGFBP3 and PAI-1 indicated that IGFBP3-upregulated PAI-1 expression is linked with enhanced migration/invasion, while drug-resistance was not affected. Notably, I further observed the higher expression of both IGFBP3 and PAI-1 in metastatic carcinoma which is correlated with poor survival in CRC patients. Collectively, our data suggested that CAF-induced IGFBP3 improved CRC malignancy such as metastasis and drug-resistance by regulating pathway of both AKT-ZEB1 axis and PAI-1. I indicate that CAF-induced upregulation of IGFBP3 can be a potential target for the new strategy of CRC treatment. |대장암은 전 세계적으로 가장 흔한 악성 암이다. 암의 악성화를 유도하는 전이 및 항암제 저항성과 같은 기전이 종양 미세 환경에서 Cancer-associated fibroblasts (CAFs) 와 관련이 있다는 증거가 증가하고 있다. 그러나 CAF 가 매개하는 대장암의 악성화의 분자적 기전은 여전히 불분명하다. 본 연구에서는 HCT116의 conditioned-media 를 처리하여 FAP, FSP1, α-SMA 를 포함한 CAF 마커의 발현을 나타내는 CAF 를 생성하였다. CAF 와의 공동배양은 HCT116 세포의 Epithelial mesenchymal transition (EMT) 의 조절 인자의 발현 증가를 통해 이동,침윤 능력을 촉진하였고, 5-FU 및 oxaliplatin 과 같은 항암제에 의해 유도되는 세포사멸을 약화시켰다. CAF 와 공동 배양된 HCT116 세포의 KEGG pathway 분석 및 생화학적 분석을 통해 insulin-like growth factors-binding protein 3 (IGFBP3) 의 상당히 높은 발현을 확인했다. 흥미롭게도, CAF와 함께 배양된 HCT116 세포에서 EGFR 및 IGFR 경로의 활성화와 관계없이 AKT 의 증가된 인산화가 관찰되었다. 또한, small interfering RNA (siRNA) 에 의한 IGFBP3 의 억제는 CAF와 공동 배양된 HCT116 세포에서 AKT-ZEB1 축의 신호 전달 경로를 조절함으로써 증가된 세포 이동, 침윤 및 약물 내성을 상당히 억제하였다. 한편, CAF와 함께 배양된 HCT116 세포가 혼자 배양된 HCT116 세포에 비해 PAI-1 을 더 많이 발현 및 분비한다는 것을 발견했다. IGFBP3 와 PAI-1 사이의 기능적 연관성 분석은 IGFBP3 에 의해 유도된 PAI-1 의 발현이 증가된 세포 이동, 침윤 및 세포 외 기질을 조절하는 반면 약물 내성은 영향을 받지 않는다는 것을 나타냈다. 특히, 대장암 환자의 전이성 암종에서 IGFBP3와 PAI-1 의 높은 발현을 관찰했으며, 이는 대장암 환자의 낮은 생존율과 관련이 있었다. 종합적으로, CAF에 의해 유도된 IGFBP3 가 AKT-ZEB1 축과 PAI-1의 발현을 조절함으로써 전이 및 약물 내성과 같은 대장암의 악성화 기전을 촉진하였음을 시사한다. 따라서, CAF에 의해 유도된 IGFBP3 가 대장암 치료를 위한 새로운 전략의 잠재적 표적이 될 수 있을 것이라고 제안한다.