Identifying epigenetic modifiers of glioblastoma multiforme apoptosis resistance

Abstract

Glioblastoma Multiforme (GBM) en yaygın ve agresif primer beyin tümörüdür. Cerrahi, kemo- ve radyoterapi alalarındaki gelişmelere rağmen, GBM hastalarının prognozunun iyileştirilememesi, yeni tedavi stratejilerine acil ihtiyaç duyulduğunu açıkça vurgulamaktadır. TNF-ilişkili Apoptoz Indükleyen Ligand (TRAIL), sağlıklı hücrelere zarar vermeden, seçici olarak kanser hücrelerinde apoptozu indükleyebilen güçlü bir anti-kanser ajanıdır. Ancak GBM hücrelerinin sıklıkla TRAIL'e direnç geliştirmesi, TRAIL terapötiklerinin klinik uygulamasını verimsiz hale getirmektedir. TRAIL ve reseptörleri tarafından aktive edilen sinyal yolağının epigenetik modülasyonu literatürde belirgindir. Bu nedenle epigenetik mekanizmaların, tümör hücrelerinin TRAIL'e tepkisinin düzenlenmesinde etkili olduğu öngörülmektedir. Tümörün başlaması, ilerlemesi ve apoptotik tepkisinin düzenlenmesinde epigenetik mekanizmaların önemi konusundaki farkındalığımız, araştırmamızı GBM apoptoz direncini ve sağ kalımını düzenleyen epigenetik faktörlerin kimyasal tarama aracılığıyla saptamaya yöneltmemizi sağlamıştır. Bu amaçla, GBM hücrelerinde TRAIL'e yanıtı artırabilecek bileşikleri saptayabilmek adına epigenetik hedefli ilaç kütüphanesini kullanarak kimyasal bir tarama gerçekleştirdik. Taramamız sonucunda bir histon metil transferaz inhibitörü olan fungal metabolit Kaetosin, TRAIL duyarlılaştırıcısı olarak tanımlanmıştır. Düşük ve toksik olmayan dozlarda Kaetosin ve TRAIL'in birlikte kullanımının GBM hücrelerinde güçlü ve hızlı apoptoza yol açtığı gözlemlenmiştir. Kaetosin'in GBM hücrelerini, FasL ve BH3 mimetikleri gibi diğer proapoptotik ajanlara karşı da duyarlılaştırdığı saptanmıştır. Kaetosin' in yarattığı apoptoz duyarlılığının, ROS üretimi ve bunun takip eden DNA hasarı indüksiyonu ve artan TP53 aktivitesi aracılığıyla gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Kaetosin kaynaklı transkriptomik değişiklikler, antioksidan savunma mekanizmalarının ve DNA hasar tepki sinyal yolaklarının indüklendiğini göstermiştir. Transkripsiyonu en üst düzeyde regüle edilen genlerden biri olan Heme Oksijenaz 1 (HMOX1)'in indüksiyonunun ROS üretimine bağımlı olduğu saptanmıştır. Son olarak, Kaetosin ve TRAIL kombinasyon tedavisinin in vivo sistemde de etkinliği saptanmıştır. Birlikte ele alındığında, sonuçlarımız Kaetosin'e apoptoz primeri rolünü kazandırmaktadır. Tümör ilaç tepkisi ve sağ kalımını modüle eden epigenetik faktörlerin, bu çalışmada detaylı olarak sunulan kimyasal taramamız gibi yüksek verimli, sağlam ve uygun fiyatlı taramalar yoluyla tespit edilmesi, yeni ve etkili tedavilerin üretilmesine imkân sağlayacaktır.

Glioblastoma Multiforme (GBM) is the most common and aggressive primary brain tumor. Despite recent developments in surgery, chemo- and radiotherapy, the prognosis of GBM patients is extremely poor, highlighting an urgent need for novel treatment strategies. TNF-Related Apoptosis Inducing Ligand (TRAIL) is a potent anti-cancer agent that can induce apoptosis selectively in cancer cells by activating death receptor signaling. GBM cells frequently develop resistance to TRAIL, which renders clinical application of TRAIL therapeutics inefficient. Accumulating evidence suggest that death receptor pathway components can be regulated at a transcriptional level, especially through epigenetic silencing of pro-apoptotic mediators. Therefore, understanding the epigenetic mechanisms of apoptotic response is critical for better design of pro-apoptotic therapies for cancer. To this end, we undertook a chemical strategy to interrogate the roles of chromatin modifiers in GBM cell apoptosis. We identified Chaetocin, a fungal metabolite and an inhibitor of histone methyl transferase SUV39H1, as a novel TRAIL sensitizer. Combining low subtoxic doses of Chaetocin and TRAIL resulted in very potent and rapid apoptosis of GBM cells. Chaetocin also effectively sensitized GBM cells to further pro-apoptotic agents, such as FasL and BH3 mimetics. Chaetocin mediated apoptosis sensitization was achieved through Reactive Oxygen Species (ROS) generation and consequent DNA damage induction that involved TP53 activity. Chaetocin induced transcriptomic changes showed activation of antioxidant defense mechanisms and DNA damage response pathways. Heme Oxygenase 1 (HMOX1) was among the top upregulated genes, whose induction was ROS-dependent. Finally, Chaetocin and TRAIL combinatorial treatment revealed efficacy in vivo. Taken together, our results provide a novel role for Chaetocin as an apoptosis priming agent. Discovery of epigenetic factors modulating tumor drug response and survival via high throughput, robust and affordable screens such as our chemical screen will ultimately lead to rapid development of effective therapies.