Molecular mechanism of drug induced apoptosis and chemoresistance in estrogen receptor alpha +/- breast cancer cell lines: MCF-7 and MDA-MB-231

Abstract

Çok yakın bir zamanda Bcl-2'nin aktivitesinin azalması veya protein anlatımının azaltılması yeni bir terapotik yaklaşım olarak gösterilmiş ve böylece kanser hücreleri tarafından ilaçlara gösterilen cevapsızlık mekanizmasının aşılabileceği ortaya konulmuştur. Bu nedenle, bu yaklaşımın potansiyel etkileri meme kanseri hücrelerinde (MCF-7, p53 doğal tip ve ilaca duyarlı; MDA-MB-231 p53 mutant, ilaca duyarsız) araştırılmıştır. Sisplatin ve paklitaksel hücrelerde farklı şekillerde ölümü tetikleyen kemoterapötik ajanlar olup, MCF-7 ve MDA-MB-231 hücrelerinde sırası ile doza bağlı sitotoksik ve apoptotik etkiler göstermişlerdir. Buna ilaveten, her iki hücre hattında da geçici Bcl-2 siRNA uygulamasının ardından sisplatin ve paklitaksel uygulandığında, Bcl-2 siRNA uygulaması yapılmamış kontrol hücrelere göre, sisplatin ve paklitaksel daha fazla apoptotik etkiye neden olmuştur. MCF-7 ve MDA-MB-231 hücrelerine Bcl-2 inhibitörü, HA14-1 ön uygulamasını takiben değişik dozlarda ilaç uygulaması yapılmıştır. HA14-1 ön uygulamasının sisplatin ve paklitaksel tarafından tetiklenen apoptotik etkiyi arttırdığı tespit edilmiştir. Ancak bu etki MCF-7 meme kanseri hücrelerinde her iki ilaç için daha anlamlı bulunurken, HA14-1 ön uygulamasının ardından paklitaksel uygulaması yapılan MDA-MB-231 hücrelerinde daha az etki tespit edilmiştir.İlaçlar tarafından tetiklenen apoptoz mekanizmasındaki farklılıkları anlamak üzere hücrelerde mitokondri zar potansiyelindeki azalmada görülen değişimler, kaspaz aktivitesi, Bcl-2 ailesinin anlatımlarındaki değişiklikler, reaktif oksijen türlerinin ve lipid peroksidasyonu hücrelere sisplatin ve paklitaksel uygulaması sonrasında belirlenmiştir. Sisplatin Bcl-2 inhibitörü varlığında veya tek başına uygulandığı zaman kaspaz aktivitesine bağlı olarak apoptotik yolağı tetiklediği gösterilmiştir. Kemoterapötik ilaçların meme kanseri hücrelerinde pro-apoptotik proteinlerin anlatımlarını arttırırken (Bax, Puma, Bad), anti-apoptotik proteinlerin (Bcl-2 ve Bcl-xL) anlatımlarının ise kontrol hücrelere oranla azaldığı tespit edilmiştir. Bcl-2 anlatımı arttırılmış MCF-7 ve MDA-MB-231 hücrelerinde sisplatin apoptozu 48 saat içinde tetiklerken, paclitaksel ve HA14-1 bu etkiyi göstermemişlerdir. Bcl-2 anlatımı fazlalaştırılmış MDA-MB-231 hücrelerinin ise MCF-7 hücrelerine gore sisplatine daha dirençli oldukları saptanmıştır.Sonuç olarak, bulgularımız sisplatin ve paklitaksel tarafından tetiklenen apoptoz mekanizması ve apoptotik yolakta Bcl-2 in rolü üzerine iki önemli çıkarımı önermektedir: Birincisi, Bcl-2 inhibitörünün (HA14-1) olası etkisi ilaç ve hücre tipine özgüdür ve sadece Bcl-2 inhibisyonuna bağlı etki göstermeyebilir. En önemlisi, Bcl-2 inhibitörü ile kombine edilen ilaçlarca tetiklenen apoptoz mekanizmasında diğer Bcl-2 ailesi üyelerinde görülen değişimlerin belirleyici olabileceğidir. İkinci durum ise, sisplatin p53 tarafından düzenlenen bir pro-apoptotik yolağı aktive etmekte ve Bcl-2 tarafından oluşturulmuş direnci aşabilmektedir. Bu bilgiler Bcl-2 anti-apoptotik proteinlerinin aşırı anlatımı görülen kanser hücrelerinde yeni uygulama tiplerinin gelişmesinde yararlı olabilir.

It was recently shown that inhibition or downregulation of Bcl-2 represents a new therapeutic approach to by-pass chemoresistance mechanism in cancer cells. Therefore, we explored the potential of this approach in breast cancer cells; MCF-7 (drug-sensitive; p53 wild type) and MDA-MB-231 (drug-insensitive; p53 mutant). Cisplatin and paclitaxel induced apoptosis in a dose-dependent manner in both cell lines. Furthermore, silencing of Bcl-2 remarkably increased cisplatin and paclitaxel induced apoptosis. Dose dependent induction of apoptosis by cisplatin and paclitaxel was enhanced by the pre-treatment of these cells with HA14-1, a Bcl-2 inhibitor. Although the effect of cisplatin on cell death was significant in MCF-7 and MDA-MB-231, paclitaxel was less potent only in MDA-MB-231 cells.To further understand the distinct role of drugs in breast cancer cells which were pre-treated with HA14-1, changes in mitochondrial membrane potential, caspase activation, and Bcl-2 family protein levels, generation of reactive oxygen species and lipid peroxidation were studied. The apoptotic effect of cisplatin with or without HA14-1 pre-treatment was shown to be caspase-dependent in both cell lines. While pro-apoptotic Bcl-2 proteins (Bax, Puma, Bad) were found to be up-regulated, Bcl-2 and Bcl-xL were down-regulated when cells were pre-treated with HA14-1 followed by cisplatin or paclitaxel. MCF-7 and MDA-MB-231 cells overexpressing Bcl-2 displayed different responses upon drug-treatment. Although cisplatin could still induce apoptosis in Bcl-2 overexpressing MCF-7 cells by promoting pro-apoptotic Bcl-2 family members, Bcl-2 overexpression abrogated paclitaxel induced apoptosis in MCF-7 and MDA-MB-231 breast cancer cells, respectively.In conclusion, our findings suggest two important implications for understanding cisplatin and paclitaxel induced apoptosis mechanism and the potential role of Bcl-2 in this apoptotic pathway. First, the potentiating effect of Bcl-2 inhibitor (HA14-1) is drug and cell type specific and may not only depend on the inhibition of Bcl-2. Importantly, alteration of other pro-apoptotic or anti-apoptotic Bcl-2 family members may dictate the apoptotic response when HA14-1 is combined with chemotherapeutic drugs. Second, cisplatin activated a p53- regulated pro-apoptotic pathway to overcome Bcl-2 mediated resistance. These insights may be useful for the development of novel treatments for cancer cells overexpressing anti-apoptotic Bcl-2 proteins.