Functional study of malignancy-associated factors in cancer metastasis and therapeutic resistance

Abstract

암은 세계적으로 높은 유병률과 사망률을 나타내는 주요한 질환 중 하나로 암 치료의 재발과 치료의 실패는 암의 악성화가 갖는 주요한 특성인 비정상적 혈관신생, 종양억제인자의 기능 억제, 암의 전이와 같은 요인들에 의해 야기된다. 따라서 이와 같은 요인들을 조절하는 인자의 발굴은 암의 악성화로 인해 발생하는 치료저항성과 전이를 극복하는데 중요하다. 이에 유병률과 사망률이 점차 증가하는 현상을 보이는 뇌종양과 대장암에서 암의 악성화와 관계된 치료저항성과 전이에 대한 기전 연구를 진행하였다. 뇌종양에 의해 유발되는 저산소현상은 암의 악성화에 관여함으로써 뇌종양의 치료에 있어 장애물로 남아있다는 보고가 있으며, 특히 방사선 치료에 의한 반응으로 저산소 조건에서 전사인자로 작용하는 저산소유도인자의 하나인 HIF1α 단백질의 구조적안정화를 통해 종양미세환경에서의 혈관신생을 촉진하고 뇌암세포의 침윤능력을 증가시키는 현상을 본 연구를 통하여 확인할 수 있었다. 방사선 피폭에 따른 HIF1α의 안정화는 HIF1α의 분해에 관여하는 프롤린 수산화효소 PHD2와 유비퀴틴연결효소인 VHL의 단백질 불안정성의 증가로 인해 야기되며, 이러한 현상은 MAPK의 주요한 신호기전중의 하나인 P38의 활성을 통해 조절됨으로써 방사선 치료 저항성으로 야기되는 뇌종양의 악성화와 관련된 침윤과 혈관신생능력에 기여한다는 사실을 확인할 수 있었다. 또 대장암에서 다른 암종에서 비정상적인 발현과 악성화에 기여가 보고된 히알루론산 합성효소중 하나인 HAS2가 악성화된 대장암과 그러한 현상을 나타내는 세포주 그룹에서 역시 그 발현이 증가되어 있는 사실을 연구를 통하여 확인하였으며 방사선과 항암제의 치료민감성과 전이 능력이 HAS2의 발현 여부에 따라서 유의미하게 조절된다는 사실을 확인하였다. 또한 HAS2는 TGF-β와 그 하위신호인자인 SMAD2와 Snail을 통해 악성화에 관여한다는 사실을 실험을 통해 확인할 수 있었다. 이를 통해 뇌종양의 P38 신호를 통한 방사선 매개 HIF1α 안정화 및 대장암에서 HAS2의 특정한 신호기전을 규명하였으며, 추가적으로 암이 갖는 고유한 특성을 유지하여 항암제 연구에 적용될 수 있는 오가노이드 체계를 구축하였다. 종합적으로 이러한 연구는 암의 치료에 관여하는 새로운 인자를 개발하고 기초연구를 통해서도 임상을 대변할 수 있는데 기여 할 것이다.; Cancer is one of the most incurable diseases with a low rate of morbidity and mortality in worldwide. Cancer recurrence and failure of anticancer therapy have been considered to be related to the malignancy characteristics of cancer such as abnormal angiogenesis, evading growth suppressors and distant metastasis. The identification of specific molecules in modulating the malignant characteristics of cancer is necessary to overcome its recurrence and failure of anticancer therapy. Here, I addressed the mechanism of therapeutic resistance and metastasis in malignant phenotypes of cancer, especially brain and colorectal tumor known to be gradually increasing incidence of both morbidity and mortality rate. It has been suggested that tumor hypoxia in brain tumor is a potential therapeutic problem due to hypoxia-driven malignant cancer progression. In response to radiation, I found that irradiation cause to stabilize hypoxia inducible factor (HIF1α) protein, known to mediate transcriptional adaptation of cells to hypoxia. Stabilization of HIF1α under radiation exposure facilitated angiogenesis in tumor microenvironment and infiltrative property of glioma cells by reduced hydroxylation of HIF1α through destabilization of prolyl hydroxylases 2 (PHD2) and von Hippel-Lindau (pVHL), which is a specific E3 ligase for HIF1α. Of note, among mitogen-activated protein kinase (MAPK) signal pathways, inhibition of p38 MAPK attenuated radiation-induced stabilization of HIF1α and its functional property including radiation-induced tube formation of human brain-derived micro-vessel endothelial cells (HB-MEC) and infiltration of glioma cells, indicating that radiation-activated p38 MAPK signaling pathway contributes to malignant phenotypes of glioma through stabilization of HIF1α. For malignancy of colorectal cancer (CRC), I investigated the role of hyaluronic acid synthase2 (HAS2) which was involved in malignancy and abnormal expression in many other carcinomas. Indeed, HAS2 was markedly increased in both CRC tissue and malignant CRC cell lines. The sensitivity of radiation/anticancer drug-mediated apoptotic cell death and metastasis was significantly regulated by expression level of HAS2. In addition that, CRC malignancy was affected through TGF-β expression and SMAD2/Snail downstream components as shown by HAS2 loss- and gain-of-function experiments, indicating that HAS2 contributes to malignant phenotypes of CRC, at least partly, through activation of the TGF-β signaling pathway. Overall, these findings shed light on the novel mechanisms behind radiation-mediated HIF1α stabilization through p38 MAPK in glioblastoma and the constitutive activation of HAS2 signaling in CRC. Furthermore, I also developed the cancer organoids model system from patient tissue for anti-cancer drug discovery due to the retention of primary tumor characteristics. Collectively, all study may contribute to develop a novel molecular target therapy for cancer, and promote the translation from basic cancer research to clinical practice.