미토콘드리아 대사의 표적 (급성 골수성 백혈병)

2021

Mitochondrial metabolism as a target for acute myeloid leukemia treatment

https://link.springer.com/article/10.1186/s40170-021-00253-w

 

 

 

α-TOS: (+)alpha-tocopheryl succinate; ANT: adenine nucleotide translocator; ATO: arsenic trioxide; CCCP: carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazone; CPT1: carnitine O-palmitoyltransferase 1; DAP: 2,2-dichloroacetophenone; DCA: dichloroacetate; ddC: 2′3′-dideoxycytidine; DHODH: dihydroorotate dehydrogenase; FAO: fatty acid oxidation; glucoso-6-P: glucose-6-phosphate; IDH2mut: mutant isocitrate dehydrogenase 2; Mcl1: myeloid cell leukemia 1; miR: miRNA; mtDNA: mitochondrial DNA; PDC: pyruvate dehydrogenase complex; PDK: pyruvate dehydrogenase kinase; ROS: reactive oxygen species; SR4,9: dichlorophenyl urea compounds; CAC: citric acid cycle; UCP2: uncoupling protein 2; 2-DG: 2-deoxy-D-glucose; 3-BP: 3-bromopyruvate; 3-BrOP: 3-bromo-2-oxopropionate-1-propyl ester; I–V: Complexes of mitochondrial electron transport chain

 

 

치료 표적으로서의 미토콘드리아 전자 수송 사슬(ETC)

 

해당 분해 장애

해당과정의 첫 번째 단계인 포도당에서 포도당-6-인산으로의 전환은 헥소키나아제에 의해 촉매됩니다. 

인슐린에 민감한 조직에서 가장 흔한 효소인 Hexokinase II는 이 경로를 통한 대사 흐름을 조절하는 핵심 역할을 합니다. 당연히 암세포에서도 자주 상향조절됩니다.

hexokinase를 표적으로 하는 한 가지 잠재적인 방법은 3-bromopyruvic acid 또는 2-deoxy- D를 사용하는 것입니다.-포도당(2-DG), 둘 다 포도당 대사를 억제합니다.

2-DG 단독으로 헥소키나제를 표적화하는 것은 일반적으로 효과가 없지만 미토콘드리아에 영향을 미치는 다른 약물에 AML 세포를 민감하게 할 수 있습니다

(시타라빈, ETC의 복합체 I 억제제(예: 로테논), 미토콘드리아 언커플러 CCCP 및 ABT-737과 같은 Bcl-2의 BH3 모방 억제제 포함)

 

해당과정의 다음 속도 제한 단계이자 첫 번째 수행 단계는 과당 1,6-이인산 fructose 1,6-bisphosphate을 생성하기 위해 PFK1(phosphofructokinase-1)에 의한 6-포스포프룩토오스 6-phosphofructose의 인산화입니다. 

PFK1은 과당 2,6-이인산 fructose 2,6-bisphosphate 화합물에 의해 알로스테릭하게 활성화되며,

이는 치료 표적인 이중 기능 6-포스포프룩토-2-키나아제/과당-2, 6-비스포스파타아제인 PFKFB3의 과발현에 의해 많은 암 유형에서 과잉 생성됩니다.

백혈병 세포를 포함하여 PFKFB3의 과발현은 PFK1의 활성을 증가시켜 해당 작용 흐름을 증가시킵니다. 

 

돌연변이로 인한 대사 변화는 또한 이들 세포를 3-브로모피루브산과 같은 해당 억제제에 민감하게 하여 티로신 키나제 억제제 치료를 강화합니다

Citric acid cycle

해당과정과 CAC 회로 사이의 전환에서 피루브산은 탈카르복실화되고 조효소 A(CoA)와 축합되어 아세틸-CoA를 생성하고 옥살로아세테이트와 결합하여 시트르산을 생성할 수 있습니다. 

Acetyl-CoA 생산에는 세 가지 다른 효소로 구성된 PDC(pyruvate dehydrogenase complex)가 필요합니다. .암 조직은 종종 CAC 활성을 제한하는 PDC 키나제의 발현 증가를 나타내어 피루브산을 젖산으로 전환하도록 유도하며, 에너지 생산 및 종양 미세 환경의 수정에 중요한 의미를 갖습니다. 

Nov3r, AZD7545, Pfz3, radicicol 및 CPI-613과 같은 PDK의 여러 합성 억제제가 확인되었습니다

불행하게도, 이들 화합물의 대부분은 밀리몰 범위의 IC 50 값을 가지며, 이러한 화합물의 적절한 농도를 종양 세포에 전달하는 것이 매우 어려울 것임을 시사합니다.

 

AML 환자 의 이소시트레이트 탈수소효소( IDH ) 유전자의 돌연변이는 연구자에게 AML에서 미토콘드리아 대사가 손상되었다는 첫 번째 힌트 중 하나를 제공했습니다

일반적으로 이것은 IDH1(세포질) 및 IDH2(미토콘드리아) 효소의 새로운 기능화를 일으켜 α-케토글루타레이트를 2-하이드록시글루타레이트로 전환하도록 합니다. 이 종양 대사 산물은 세포 대사와 후성 유전적 조절을 방해하고 미토콘드리아 DNA 불안정에 기여합니다. 

2-하이드록시글루타레이트가 히스톤 및 DNA 탈메틸화와 같은 α-케토글루타레이트를 필요로 하는 과정을 방해하는 능력은 또한 HIF-1α를 조절하는 프롤릴 하이드록실라제를 방해할 가능성이 있는 것으로 믿어집니다.

돌연변이 IDH 단백질은 IDH 효소 기능을 방지함으로써 백혈병 세포에서 가역적인 분화 차단을 유도할 수 있습니다

글루타민: 암세포 생존을 위한 핵심 아미노산

암세포가 생존과 성장을 위해 다양한 물질을 필요로 하지만, 가장 기본적인 수준에서 이것은 포도당(혐기성 해당작용을 위한)과 글루타민이라는 두 가지 영양소에 대한 수요로 줄일 수 있습니다[. 

암에서 글루타민의 독특하게 중요한 역할은 주요 mTORC1 경로(신진대사 활동, 자가포식 및 세포자멸사를 조절하기 위한 무수한 입력을 통합함)를 활성화하는 능력에서 비롯됩니다. 

글루타민은 또한 시스테인 및 글리신과 응축되어 산화환원 조절을 지원하고 ROS 손상을 제한하는 글루타티온을 형성할 수 있습니다. 

또한 DNA 복제를 위한 뉴클레오티드 합성을 위한 질소를 제공합니다.

 

글루타민 사용의 핵심 첫 번째 단계는 글루타민을 탈아미노화하여 글루타메이트를 생성하는 글루타미나아제에 의해 수행됩니다. 

글루타미나제 억제는 산화환원 표적 요법에 대한 감수성을 증가시키고 AML 세포자멸사 비율을 개선 하는 한편 mTOR 신호 전달을 감소시킵니다.

 

티로신 키나제 억제제 AC220(퀴자티닙이라고도 함)에 의한 기능 억제는 글루타민 흡수와 글루타티온 생성을 손상시켜 AML 세포를 산화 스트레스에 과민하게 만듭니다.

FLT3-ITD AML 세포/1차 샘플을 CB-839 및 AC220과 병용 처리하면 일관되게 산소 소비 감소, ROS 생성 증가, 세포자멸사 활성화가 나타났습니다.

미토콘드리아 질량, 미토콘드리아 호흡 및 OxPhos에 대한 의존성

낮은 수준의 ROS를 가진 정지된 LSC는 에너지 항상성을 위한 해당 분해를 효율적으로 활용할 수 없기 때문에 산화적 인산화에 더 의존합니다. 

이와 일치하게, 미토콘드리아 번역을 억제하는 약물은 미토콘드리아 생합성을 손상시켜 LSC(HSC와 비교하여)를 선택적으로 죽입니다

흥미롭게도 LSC를 포함한 AML 세포는 골수 세포와 같은 환경의 다른 세포에서 기능적 미토콘드리아를 흡수하여 미토콘드리아 질량을 증가시킬 수 있으며 이러한 현상은 화학 내성에 기여하는 것으로 생각됩니다.이 미토콘드리아 전달은 화학 요법 치료 중에 증가하며 AML 세포에 에너지를 제공하는 추가 메커니즘으로 제안되었습니다. 

보다 구체적으로, 골수 중간엽 줄기 세포는 주로 글루타티온 퍼옥시다제 시스템을 통해 글루타티온 가용성 및 활용도를 증가시켜 화학 요법으로 유발된 ROS로부터 백혈병 세포를 유의하게 보호합니다.

 

ETC의 복합체가 AML을 포함하여 치료적 개입을 위한 실행 가능한 표적이라는 실질적인 증거가 있습니다. 이러한 이유로 AML에서 미토콘드리아 ETC를 비활성화하는 다양한 전략이 조사되었습니다.

 

복합 I 억제제 중 가장 잘 알려진 것은 항당뇨병 비구아니드 메트포르민입니다. 

메트포르민은 대사 재프로그래밍을 자극하여 해당 작용, 오탄당 인산 경로, 지방산 및 보충 대사를 증가시키고 백혈병 세포에서 미토콘드리아 유전자 발현을 변화시킵니다.

불행히도 메트포르민은 그 자체로 항 AML 제제로서 효과가 없습니다. 미토콘드리아 호흡을 차단하지만 표적 세포 증식이나 생존력에는 거의 영향을 미치지 않습니다.

대조적으로, 보다 강력한 복합 I 억제제인 ​​IACS-010759는 에너지 고갈과 감소된 글루타민분해로 인한 손상된 뉴클레오티드 생합성의 조합을 통해 증식을 강력하게 억제하고 세포자멸사를 유도합니다.

같은 연구에서 우리는 또한 잘 알려진 복합체 I 억제제인 ​​로테논이 해당 억제제 2-DG와 상승 작용할 수 있음을 확인했습니다. 

로테논은 이전에 잠재적인 암 치료제로 조사 되었지만 , 표적을 벗어난 독성과 그에 따른 조혈 억제로 인해 증식을 방지하는 데 필요한 용량으로 사용하기에 부적절하다고 결정되었습니다.

 

ETC를 표적으로 하려는 대부분의 시도는 콤플렉스 I에 초점을 맞추었지만 다른 ETC 콤플렉스에 대한 일부 제한적인 연구가 수행되었습니다. 

 

더 넓은 규모로 ETC를 파괴하는 것도 백혈병 세포 생존율을 줄이는 데 효과적입니다. 

AML 치료 전략으로서 미토콘드리아 ROS의 조절

ROS의 형성은 정상적인 세포 생리학에 필수적입니다(그림  3 ). 

ROS는 미토콘드리아 산화 대사 과정에서 뿐만 아니라 생체이물, 사이토카인 및 세균 침입자에 대한 노출에 대한 반응으로 생성됩니다.

그러나 ROS는 세포 신호 전달에서 역할을 하는 것으로 오랫동안 인정되어 왔습니다.

예를 들어, 미토콘드리아 ROS는 JNK/ERK, HIF-1 α 및 미토콘드리아 생물 발생과 같은 종양 형성을 촉진하는 신호 전달 경로를 자극합니다.

ROS는 또한 다양한 산화적 번역 후 변형을 통해 단백질 기능(키나제 및 포스파타제 포함)을 조절하는 것으로 나타났습니다

 

 

AML 생물학 및 치료에서 활성산소종(ROS)의 중심 역할. 

 

AML에서 ROS 생성을 생성하고 제한하는 다양한 요인과 이러한 세포에서 과도한 ROS 생성의 결과를 나타냅니다

 

ETC: electron transport chain; FOXO: forkhead box protein O; HDACi: histone deacetylases inhibitors; HIF-1α: hypoxia-inducible factor 1α; JNK: c-Jun N-terminal kinase; Nrf2: nuclear factor erythroid 2-related factor 2; NOX: NADH-oxidases; OxPhos: oxidative phosphorylation; PTM: post-translational modifications

 

슈퍼옥사이드 음이온(O 2 - )은 미토콘드리아의 호흡 사슬, NADH 산화효소 1-3 및 5(NOX), 기타 세포 효소에 의해 부산물로 생성됩니다. 

주로 복합체 I과 III인 전자 수송 사슬은 과산화물의 주요 공급원입니다. 

산화적 인산화 동안 1-5%의 전자가 ETC에서 빠져 나와 O 2 - 를 생성합니다. 

모든 NOX 계열 구성원은 세포내 NADPH를 사용하여 세포외 산소를 ROS로 감소시키는 막횡단 단백질입니다

인간 AML에서 NOX2 유래 슈퍼옥사이드는 골수 기질 세포를 자극하여 미토콘드리아를 AML 아세포로 전달합니다. 

슈퍼옥사이드 음이온은 다양한 슈퍼옥사이드 디스뮤타제에 의해 과산화수소(H 2 O 2 )로 전환되며, 이 디스뮤타제는 여러 세포 내 구획에서 발견됩니다(슈퍼옥사이드의 하전된 특성은 세포 전체에서 이동하는 능력을 제한합니다). 과산화수소도 NOX4에 의해 생성됩니다. 

정상적인 HSC의 경우 ROS는 세포 사멸을 유발하거나 정지 상태를 상실하거나 분화를 유도할 수 있기 때문에 상당한 위협이 됩니다. 이것은 LSC에도 해당됩니다. 

이 상태를 제한하기 위한 대사 적응이 나타날 가능성이 있으며 미토콘드리아 기질로의 전기화학적 구배 아래로 증가된 양성자 누출, 미토콘드리아 분리( ΔΨm 에 대한 반응으로 ATP 합성 중단 ), 증가된 자가포식을 포함할 수 있습니다. 

이러한 사건은 또한 CAC로부터의 Warburg 효과와 촉매반응을 촉진하고 글루타민분해 의존성 지방산 산화glutaminolysis-dependent fatty acid oxidation(FAO)로의 전환을 지원합니다. 

이것이 이러한 사건을 방해하는 것이 암세포를 죽이는 데 효과적인 이유일 수 있습니다. 

 

ROS를 사용하여 AML 세포를 죽일 수 있는 가능성이 최근에 검토되었습니다.

혈액암에 대한 산화환원 기반 치료는 두 가지 접근 방식으로 나눌 수 있습니다.

1) ROS의 과잉 생산을 자극하는 화합물; 

2) 미토콘드리아 항산화 시스템을 손상시키는 화합물.

 

예를 들어, 안트라사이클린 독소루비신의 세포독성 효과는 슈퍼옥사이드로부터 치명적인 하이드록실 라디칼을 생성하는 펜톤 반응의 자극과 관련이 있습니다. 

펜톤 반응은 철과 같은 중금속의 존재를 필요로 합니다. 독소루비신 치료의 한 가지 부작용은 미토콘드리아 내부에 철분이 우선적으로 축적된다는 것입니다.

안트라사이클린과 달리 HDAC 억제제인 ​​보리노스타트는 NADH 산화효소를 활성화하여 백혈병 세포에서 ROS 생성을 상향 조절합니다.

또한 vorinostat와 PEITC(β-phenylethyl isothiocyanate)의 조합은 항산화제 글루타티온을 고갈시키며 세포 산화 환원 상태의 조절과 H 2 O 2 축적을 통해 AML 세포에서 상승적으로 작용합니다..

 

삼산화비소(ATO)는 또 다른 흥미로운 예입니다. ATO는 강력한 ROS 유도제이며 AML의 하위 유형인 급성 전골수구성 백혈병(APL)을 치료하기 위해 전 트랜스 레티노산(ATRA) 과 함께 널리 사용됩니다.

ATRA는 이 조합에서 전골수세포 모세포의 분화를 자극하는 기능을 하며, 이는 자발적으로 세포자멸사를 겪습니다. ATRA는 또한 미토콘드리아 투과성 전환과 세포 사멸을 유발하는 것으로 보입니다.

흥미롭게도 APL 세포주에서 증가된 카탈라아제 발현은 ATO 내성과 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다

 

또한 산화 환원 균형의 중요한 메커니즘을 표적으로 삼아 항 LSC 특성을 나타내는 여러 식물 유래 화합물이 있습니다. 

이러한 분자에는 파르테놀리드, 트립톨리드, 시클로파민, 레스베라트롤 및 아보카틴 B가 포함됩니다

(parthenolide, triptolide, cyclopamine, resveratrol, and avocatin B )

 

파르테놀리드와 그 가용성 유사체인 디메틸아미노 파르테놀리드는 NADH 산화효소를 활성화한 다음 키나제 JNK 및 NK-κB를 활성화하여 슈퍼옥사이드 음이온 생성을 자극합니다

 

또 다른 자연 발생 화합물인 사이클로파민은 Hedgehog 신호 전달을 억제하고 AML CD34 + 아세포에서 세포자멸사를 유도하고 폐 종양에서 OxPhos를 직접 억제합니다.

 

Avocatin B는 AML 세포에서 ROS 의존성 미토콘드리아 매개 세포자멸사를 유도할 뿐만 아니라 지방산 산화를 억제합니다. 또한 백혈병 세포 사멸을 유도하기 위해 시타라빈/독소루비신과 상승 작용을 합니다

 

항산화 방어 능력 이상으로 ROS 수준을 증가시키면 AML에서 여러 유형의 세포 사멸을 유발할 수 있습니다.

Apoptosis는 증가된 ROS 생성으로 인한 가장 흔한 유형의 세포 사멸입니다.

ROS는 세포자살의 미토콘드리아(내인성) 및 사멸 수용체(외인성) 경로를 모두 활성화할 수 있습니다. 

미토콘드리아 유래 ROS는 mtDNA를 표적으로 삼고, 호흡 사슬 기능을 방해하고, 미토콘드리아 막 전위의 손실을 일으키고, ATP 합성을 손상시키고, 미토콘드리아 외막 투과화로 인해 시토크롬 c 의 방출을 유발할 수 있습니다.

apoptosis 외에도 AML에서 상승된 ROS는 ferroptosis를 유발할 수 있습니다. 

Ferroptosis는 글루타티온 의존성 항산화 방어의 실패와 조절되지 않은 지질 과산화로 인해 발생하는 철 의존성 프로그램된 세포 사멸 경로입니다.

이것은 AML 치료에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 낮은 용량의 에라스틴(페로프토시스 유도제)은 AML 세포에서 시타라빈 또는 독소루비신의 항암 활성을 향상시킵니다. 

 

마지막으로, 세포 사멸의 한 유형인 괴사(necroptosis)는 종종 AML에서 ROS 생성과 관련이 있습니다.

사멸 수용체 활성화제(TNFα, FasL)는 미토콘드리아 및 비-미토콘드리아 ROS 생성을 유도할 수 있으며, 이어서 ASK1(아폽토시스 신호 조절 키나제 1) 및 p38 MAPK(미토겐 활성화 단백질 키나제)가 활성화되어 카스파제 비의존성 AML 세포의 죽음이 발생됩니다. 

 

이론상으로는 이러한 접근법의 한 가지 한계는 증가된 ROS가 치료 저항의 확률을 증가시킬 수 있는 게놈 불안정성에 기여할 것이라는 점이다. 저항성을 발달시키지 않는 세포는 모두 소멸되어 저항성 세포만 분열하게 된다는 생각이다.

또한 AML 세포가 ROS에 매우 민감한 유일한 세포는 아닙니다. 

HSC는 또한 강한 감수성을 나타내며 건강한 HSC에 상당한, 아마도 회복할 수 없는 손상을 입히지 않고 AML 세포를 죽이기 어려울 것입니다.