Активация аутофагии в клетках рака молочной железы in vitro после воздействия ингибиторами PI3K/AKT/mTOR

Introduction. Current chemotherapy of breast cancer has a wide range of disadvantages, in particular, the development of therapy-related infections and hormonal imbalance. Combination of main cytostatic with glucocorticoids allows to broaden its therapeutic interval and to decrease the total toxicity of the treatment. However, long-term treatment with glucocorticoids leads to the development of severe side effects via activation of multiple molecular mechanisms. Thus, glucocorticoids activate prosurvival mTOR-dependent autophagy. Therefore, the evaluation of PI3K (phosphoinositide 3-kinases) / Akt (protein kinase B) / mTOR (mammalian target of rapamycin) inhibitors as adjuvants for breast cancer therapy is important for optimization of treatment protocol.Aim. Analysis of the effects of PI3K/Akt/mTOR inhibitors, rapamycin, wortmannin and LY-294002 in combination with glucocorticoids in breast cancer cell lines of different subtypes.Materials and methods. We demonstrated the inhibition of PI3K/Akt/mTOR signaling and the autophagy induction after the treatment of breast cancer cells with rapamycin, wortmannin and LY-294002 by Western blotting analysis of Beclin-1, phospho-Beclin-1 (Ser93 and Ser30).Conclusion. PI3K/Akt/mTOR inhibitors in combination with Dexamethasone cooperatively inhibited mTOR signaling and activated autophagy in breast cancer cells in vitro.Введение. Химиотерапия рака молочной железы имеет широкий спектр недостатков, в частности развитие сопутствующих инфекций и гормональных нарушений. Комбинация с синтетическими глюкокортикоидами позволяет расширить терапевтический интервал и снизить общую токсичность препаратов основной линии терапии. Однако длительное применение глюкокортикоидов способствует развитию ряда побочных эффектов, которые могут реализовываться за счет различных молекулярных механизмов. Так, глюкокортикоиды могут инициировать индукцию аутофагии, ведущую к выживанию опухолевых клеток. Запуск механизма аутофагии является mTOR-зависимым, в связи с чем актуальной является оценка возможности введения в качестве адъювантов в терапию рака молочной железы ингибиторов сигнального пути PI3K (фосфоинозитид-3‑киназа) / Akt (протеинкиназа B) / mTOR (мишень рапамицина млекопитающих).Цель работы – анализ действия ингибиторов PI3K / Akt / mTOR рапамицина, вортманнина и LY-294002 в комбинации с глюкокортикоидами на запуск аутофагии в клеточных линиях рака молочной железы различного гистогенеза.Материалы и методы. Методом Вестерн-блоттинга было показано, что рапамицин, вортманнин и LY-294002 ингибируют активность сигнального пути PI3K / Akt / mTOR и индуцируют аутофагию в клетках рака молочной железы, о чем судили по повышению уровня ключевого белка макроаутофагии, Beclin-1, и его фосфорилированных форм phospho-Beclin-1 по остаткам серина Ser93 и Ser30.Заключение. В ходе работы было показано, что ингибиторы сигнального пути PI3K / Akt / mTOR в комбинации с дексаметазоном кооперативно подавляют сигнальный путь mTOR и активируют аутофагию в клетках РМЖ in vitro

Molecular and biochemical characterisation of a novel mutation in POLG associated with Alpers syndrome

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>DNA polymerase γ (<it>POLG</it>) is the only known mitochondrial DNA (mtDNA) polymerase. It mediates mtDNA replication and base excision repair. Mutations in the <it>POLG </it>gene lead to reduction of functional mtDNA (mtDNA depletion and/or deletions) and are therefore predicted to result in defective oxidative phosphorylation (OXPHOS). Many mutations map to the polymerase and exonuclease domains of the enzyme and produce a broad clinical spectrum. The most frequent mutation p.A467T is localised in the linker region between these domains. In compound heterozygote patients the p.A467T mutation has been described to be associated amongst others with fatal childhood encephalopathy. These patients have a poorer survival rate compared to homozygotes.</p> <p>Methods</p> <p>mtDNA content in various tissues (fibroblasts, muscle and liver) was quantified using quantitative PCR (qPCR). OXPHOS activities in the same tissues were assessed using spectrophotometric methods and catalytic stain of BN-PAGE.</p> <p>Results</p> <p>We characterise a novel splice site mutation in <it>POLG </it>found <it>in trans </it>with the p.A467T mutation in a 3.5 years old boy with valproic acid induced acute liver failure (Alpers-Huttenlocher syndrome). These mutations result in a tissue specific depletion of the mtDNA which correlates with the OXPHOS-activities.</p> <p>Conclusions</p> <p>mtDNA depletion can be expressed in a high tissue-specific manner and confirms the need to analyse primary tissue. Furthermore<it>, POLG </it>analysis optimises clinical management in the early stages of disease and reinforces the need for its evaluation before starting valproic acid treatment.</p

ИНГИБИРОВАНИЕ ЭКСПРЕССИИ ГЕНА REDD1 ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОБОЧНЫХ ЭФФЕКТОВ ГЛЮКОКОРТИКОИДОВ

Glucocorticoids (GC ) have been an integral component of the treatment of leukemias and lymphomas for several decades. Specific cytotoxic effect of GC on transformed lymphoblasts mediates their use at the stage of the remission induction as well as consolidation of treatment. However, the main problem of the long-term GC use is the development of atrophic and metabolic side effects as well as GC resistance. The biological effects of GC are realized via activation of the glucocorticoid receptor (GR) by two mechanisms: transrepression (TR) associated with the therapeutic effects of GC , and transactivation (TA ), which mediates the development of metabolic and atrophic complications. It was demonstrated that an increase in the expression of the GC - dependent gene REDD1 associated with GC -induced skin, muscle and bone atrophy of the skin, muscle and bone tissue was realized via the induction of transactivation. Therefore, identification of potential inhibitors of REDD1 expression and study of their biological effects in combination with GC in models of leukemia and lymphoma is of particular interest. In our recent study we have selected a number of drugs from the class of PI 3K/Akt/mTO R modulators using bioinformatic screening. These drugs effectively inhibited REDD1 expression, modulated GR activity and shifted it towards transrepression, and prevented the development of GC -induced side effects in mice. Here we aimed to study the effects of potential inhibitors of REDD1 expression from different pharmacological groups, the compounds Emetine and CGP -60474, on leukemia and lymphoma cells in combination with GC . We demonstrated antitumor effect of the compounds in vitro, a decrease in the expression of TA -associated genes and an increase in TR induction. Further studies of the antitumor effects of REDD1 expression inhibitors (Emetine and CGP -60474 is a promising area of research.Глюкокортикоиды (GC ) являются неотъемлемым компонентом терапии лейкозов и лимфом на протяжении нескольких десятков лет. Их специфическое цитотоксическое действие на трансформированные лимфобласты обусловливает применение данных препаратов как при индукции ремиссии, так и в ходе дальнейшего лечения. Однако одной из проблем, осложняющих длительное применение GC , является развитие атрофических и метаболических побочных эффектов, а также резистентности. Биологические эффекты GC реализуются посредством активации глюкокортикоидного рецептора (GR) по двум механизмам: трансрепрессии (TR), обусловливающей терапевтическое действие GC , и трансактивации (TA ), опосредующей развитие побочных эффектов. В частности, с индукцией трансактивации связано увеличение экспрессии GC -зависимого гена REDD1, ассоциированного с GC -индуцированной атрофией кожного покрова, мышечной и костной ткани. В связи с этим актуальным является поиск потенциальных ингибиторов экспрессии REDD1 и изучение их эффектов в комбинации с GC на моделях лейкозов и лимфом. Ранее нами с помощью биоинформатического анализа был отобран ряд препаратов класса модуляторов сигнального пути PI 3K/Akt/mTO R. Данные лекарственные средства оказались эффективными ингибиторами экспрессии гена REDD1, модулировали активность GR, усиливая трансрепрессию, а также предотвращали развитие GC -индуцированных побочных эффектов у мышей. В представленной работе изучены эффекты потенциальных ингибиторов экспрессии REDD1, соединений других фармакологических групп, эметина и CGP -60474 на клетки лейкозов и лимфом совместно с GC . Было отмечено противоопухолевое действие соединений in vitro, снижение экспрессии генов, ассоциированных с TA , и усиление TR. В связи с этим дальнейшее изучение противоопухолевых эффектов ингибиторов экспрессии REDD1 эметина и CGP -60474 является перспективным направлением исследований

Эффективность в системе in vitro гликозилированных производных триметилового эфира хлорина е6 в зависимости от положения углеводного фрагмента в макроцикле

The physicochemical and photophysical properties, as well as photo-induced activity, of glycoconjugates based on chlorine е6 trimethyl ether with various positions of carbohydrate fragment in the macrocycle have been studied. The photo-induced activity was investigated in the human (HEp2, A549 and HT29) and animal (LLC) cell lines. The tested compounds showed in vitro both high photo-induced activity and high stability in the dark. The photosensitizer with galactose in the A pirrole ring demonstrated the highest activity (the half maximal inhibitory concentration (ИК50) varied from 27±2 nM to 75±5 nM in tests on different cell lines). Dyes with sugar substitutes in the C pirrole ring were 5–10 times less active. Изучены физико-химические и фотофизические свойства гликоконъюгатов на основе триметилового эфира хлорина е6  с углеводными заместителями в разных положениях макроцикла, а также их фотоиндуцированная активность относительно опухолевых клеток человека (НЕp2, А549 и НТ29) и животных (LLC) в системе in vitro. Показано, что все фотосенсибилизаторы оставались стабильными в течение длительного времени в темновых условиях. При оценке эффективности соединений выявлено, что наибольшую активность проявлял фотосенсибилизатор с галактозой в пирроле А (величина ИК50 варьировалась от 27±2 до 75±5 нМ в зависимости от клеточной культуры), в то время как наличие остатка углевода в пирроле С снижало фотоиндуцированную активность в 5–10 раз.

POLG1 p.R722H mutation associated with multiple mtDNA deletions and a neurological phenotype

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>The c.2447G>A (p.R722H) mutation in the gene <it>POLG1 </it>of the catalytic subunit of human mitochondrial polymerase gamma has been previously found in a few occasions but its pathogenicity has remained uncertain. We set out to ascertain its contribution to neuromuscular disease.</p> <p>Methods</p> <p>Probands from two families with probable mitochondrial disease were examined clinically, muscle and buccal epithelial DNA were analyzed for mtDNA deletions, and the <it>POLG1, POLG2, ANT1 </it>and <it>Twinkle </it>genes were sequenced.</p> <p>Results</p> <p>An adult proband presented with progressive external ophthalmoplegia, sensorineural hearing impairment, diabetes mellitus, dysphagia, a limb myopathy and dementia. Brain MRI showed central and cortical atrophy, and ¹⁸F-deoxyglucose PET revealed reduced glucose uptake. Histochemical analysis of muscle disclosed ragged red fibers and cytochrome c oxidase-negative fibers. Electron microscopy showed subsarcolemmal aggregates of morphologically normal mitochondria. Multiple mtDNA deletions were found in the muscle, and sequencing of the <it>POLG1 </it>gene revealed a homozygous c.2447G>A (p.R722H) mutation. His two siblings were also homozygous with respect to the p.R722H mutation and presented with dementia and sensorineural hearing impairment. In another family the p.R722H mutation was found as compound heterozygosity with the common p.W748S mutation in two siblings with mental retardation, ptosis, epilepsy and psychiatric symptoms. The estimated carrier frequency of the p.R722H mutation was 1:135 in the Finnish population. No mutations in <it>POLG2</it>, <it>ANT1 </it>and <it>Twinkle </it>genes were found. Analysis of the POLG1 sequence by homology modeling supported the notion that the p.R722H mutation is pathogenic.</p> <p>Conclusions</p> <p>The recessive c.2447G>A (p.R722H) mutation in the linker region of the <it>POLG1 </it>gene is pathogenic for multiple mtDNA deletions in muscle and is associated with a late-onset neurological phenotype as a homozygous state. The onset of the disease can be earlier in compound heterozygotes.</p

Ингибирование глюкокортикоидиндуцированной экспрессии REDD1 рапамицином в клетках рака молочной железы

Introduction. Glucocorticoids are often used in combination therapy for breast cancer as an adjuvant to increase therapeutic effects of the main cytotoxic drug and to reduce side effects of chemotherapy. However, glucocorticoids can cause serious complications and trigger tumor progression. In the last decade, it was found that side effects from glucocorticoids are mediated by an increase in REDD1 gene expression. Using this knowledge, we have developed a new chemotherapeutic strategy for blood cancers aimed at reducing adverse events from glucocorticoids. Successful experiments with a combination of glucocorticoids and REDD1 expression inhibitors on the models of blood tumors allowed us to use this regimen for the treatment of certain subtypes of breast cancer.Objective: to optimize the algorithm of breast cancer cell treatment with a combination of glucocorticoids and REDD1 expression inhibitors on the example of rapamycin.Materials and methods. We used the MCF-7 and MDA-MB-231 breast cancer cell lines. The antiproliferative activity was estimated by direct cell count; REDD1 expression was measured using western blotting and quantitative polymerase chain reaction.Results. We found that rapamycin can inhibit both baseline and glucocorticoids induced REDD1 expression in the cells of luminal and triple negative breast cancer. The drug demonstrated lower ability to inhibit the viability of breast cancer cells than that of leukemia and lymphoma cells.Conclusion. Inhibited proliferation of breast cancer cells after their incubation with rapamycin and dexamethasone, as well as the ability of rapamycin to reduce basal and glucocorticoid-induced REDD1 expression in breast cancer cells suggest the importance of studies analyzing the impact of combinations that include glucocorticoids and REDD1 expression inhibitors from the class of PI3K/Akt/mTOR signaling pathway modulators (phosphoinositide-3-kinase/α-serine-threonine kinase/mammalian rapamycin target) on breast cancer cells.Введение. В комбинированной терапии рака молочной железы в качестве адъюванта для расширения терапевтического интервала основного цитотоксического препарата и снижения побочных эффектов химиотерапии применяют глюкокортикоиды. Однако они вызывают развитие серьезных осложнений и могут способствовать прогрессии опухоли. В последнее десятилетие появились данные о том, что побочные эффекты глюкокортикоидов опосредованы активацией экспрессии гена REDD1. На их основе мы разработали новую стратегию химиотерапии злокачественных новообразований кроветворной системы, направленную на уменьшение нежелательных явлений при применении данных препаратов. Успешное тестирование комбинаций глюкокортикоидов и ингибиторов экспрессии REDD1 на моделях опухолей кроветворной системы позволило использовать данную схему в лечении определенных подтипов рака молочной железы.Цель исследования – оптимизация условий обработки клеток рака молочной железы комбинацией глюкокортикоидов и ингибиторов экспрессии REDD1 на примере рапамицина.Материалы и методы. В работе использовались клетки рака молочной железы MCF-7 и MDA-MB-231. антипролиферативную активность определяли путем прямого подсчета клеток, экспрессию REDD1 – методами вестерн-блоттинга и количественной полимеразной цепной реакции.Результаты. Было показано, что рапамицин может подавлять базальную и индуцированную глюкокортикоидами экспрессию REDD1 в клетках рака молочной железы люминального и тройного негативного подтипов. Способность этого препарата подавлять жизнеспособность клеток рака молочной железы была гораздо менее выражена, чем клеток лейкозов и лимфом.Заключение. Наблюдаемое подавление пролиферации клеток рака молочной железы после их инкубации с рапамицином и дексаметазоном, а также способность рапамицина снижать базальную и индуцированную глюкокортикоидами экспрессию REDD1 в клетках рака молочной железы обусловливают актуальность исследования влияния комбинаций глюкокортикоидов и ингибиторов экспрессии REDD1 класса модуляторов сигнального пути PI3K/Akt/mTOR (фосфоинозитид-3-киназа/α-серин-треониновая киназа/мишень рапамицина млекопитающих) на клетки рака молочной железы

Functional Roles of the N- and C-Terminal Regions of the Human Mitochondrial Single-Stranded DNA-Binding Protein

Biochemical studies of the mitochondrial DNA (mtDNA) replisome demonstrate that the mtDNA polymerase and the mtDNA helicase are stimulated by the mitochondrial single-stranded DNA-binding protein (mtSSB). Unlike Escherichia coli SSB, bacteriophage T7 gp2.5 and bacteriophage T4 gp32, mtSSBs lack a long, negatively charged C-terminal tail. Furthermore, additional residues at the N-terminus (notwithstanding the mitochondrial presequence) are present in the sequence of species across the animal kingdom. We sought to analyze the functional importance of the N- and C-terminal regions of the human mtSSB in the context of mtDNA replication. We produced the mature wild-type human mtSSB and three terminal deletion variants, and examined their physical and biochemical properties. We demonstrate that the recombinant proteins adopt a tetrameric form, and bind single-stranded DNA with similar affinities. They also stimulate similarly the DNA unwinding activity of the human mtDNA helicase (up to 8-fold). Notably, we find that unlike the high level of stimulation that we observed previously in the Drosophila system, stimulation of DNA synthesis catalyzed by human mtDNA polymerase is only moderate, and occurs over a narrow range of salt concentrations. Interestingly, each of the deletion variants of human mtSSB stimulates DNA synthesis at a higher level than the wild-type protein, indicating that the termini modulate negatively functional interactions with the mitochondrial replicase. We discuss our findings in the context of species-specific components of the mtDNA replisome, and in comparison with various prokaryotic DNA replication machineries

Overexpression of DNA Polymerase Zeta Reduces the Mitochondrial Mutability Caused by Pathological Mutations in DNA Polymerase Gamma in Yeast

In yeast, DNA polymerase zeta (Rev3 and Rev7) and Rev1, involved in the error-prone translesion synthesis during replication of nuclear DNA, localize also in mitochondria. We show that overexpression of Rev3 reduced the mtDNA extended mutability caused by a subclass of pathological mutations in Mip1, the yeast mitochondrial DNA polymerase orthologous to human Pol gamma. This beneficial effect was synergistic with the effect achieved by increasing the dNTPs pools. Since overexpression of Rev3 is detrimental for nuclear DNA mutability, we constructed a mutant Rev3 isoform unable to migrate into the nucleus: its overexpression reduced mtDNA mutability without increasing the nuclear one

Replication Pauses of the Wild-Type and Mutant Mitochondrial DNA Polymerase Gamma: A Simulation Study

The activity of polymerase γ is complicated, involving both correct and incorrect DNA polymerization events, exonuclease activity, and the disassociation of the polymerase:DNA complex. Pausing of pol-γ might increase the chance of deletion and depletion of mitochondrial DNA. We have developed a stochastic simulation of pol-γ that models its activities on the level of individual nucleotides for the replication of mtDNA. This method gives us insights into the pausing of two pol-γ variants: the A467T substitution that causes PEO and Alpers syndrome, and the exonuclease deficient pol-γ (exo−) in premature aging mouse models. To measure the pausing, we analyzed simulation results for the longest time for the polymerase to move forward one nucleotide along the DNA strand. Our model of the exo− polymerase had extremely long pauses, with a 30 to 300-fold increase in the time required for the longest single forward step compared to the wild-type, while the naturally occurring A467T variant showed at most a doubling in the length of the pauses compared to the wild-type. We identified the cause of these differences in the polymerase pausing time to be the number of disassociations occurring in each forward step of the polymerase