Mechanism Underlying a Proteasome Inhibitor, Lactacystin-Induced Apoptosis on SCC25 Human Tongue Squamous Cell Carcinoma Cells

Lactacystin, a microbial natural product synthesized by Streptomyces, has been commonly used as a selective proteasome inhibitor in many studies. Proteasome inhibitors is known to be preventing the proliferation of cancer cells in vivo as well as in vitro. Furthermore, proteasome inhibitors, as single or combined with other anticancer agents, are suggested as a new class of potential anticancer agents. This study was undertaken to examine in vitro effects of cytotoxicity and growth inhibition, and the molecular mechanism underlying induction of apoptosis in SCC25 human tongue sqaumous cell carcinoma cell line treated with lactacystin. The viability of SCC25 cells, human normal keratinocytes (HaCaT cells) and human gingiva fibroblasts (HGF-1 cells), and the growth inhibition of SCC25 cells were assessed by MTT assay and clonogenic assay respectively. The hoechst staining, hemacolor staining and TUNEL staining were conducted to observe SCC25 cells undergoing apoptosis. SCC25 cells were treated with lactacystin, and Western blotting, immunocytochemistry, confocal microscopy, FAScan flow cytometry, MMP activity, and proteasome activity were performed. Lactacystin treatment of SCC25 cells resulted in a time- and does-dependent decrease of cell viability and a does-dependent inhibition of cell growth, and induced apoptotic cell death. Interestingly, lactacytin remarkably revealed cytotoxicity in SCC25 cells but not normal cells. And tested SCC25 cells showed several lines of apoptotic manifestation such as nuclear condensation, DNA fragmentation, the reduction of MMP and proteasome activity, the decrease of DNA contents, the release of cytochrome c into cytosol, the translocation of AIF and DFF40 (CAD) onto nuclei, the up-regulation of Bax, and the activation of caspase-7, caspase-3, PARP, lamin A/C and DFF45 (ICAD). Flow cytometric analysis revealed that lactacystin resulted in G1 arrest in cell cycle progression which was associated with up-regulation in the protein expression of CDK inhibitors, $p21^{WAF1/CIP1}$ and $p27^{KIP1}$. We presented data indicating that lactacystin induces G1 cell cycle arrest and apoptois via proteasome, mitochondria and caspase pathway in SCC25 cells. Therefore our data provide the possibility that lactacystin could be as a novel therapeutic strategy for human tongue squamous cell carcinoma.

사람혀편평상피세포암종세포에서 proteasome 억제제인 lactacystin에 의해 유도된 세포자멸사의 기전에 대한 연구

Sreptomyces라는 세균에서 추출한 lactacystin은 선택적인 proteasome 억제제로서 많은 연구에서 사용되어져 왔다. Proteasome 억제제는 최근의 많은 연구를 통해서 암세포증식의 억제에 대한 효과가 증명되었으며, 특히 다른 항암제와 병용처리 시, 상호작용에 의한 상승효과가 있다고 알려져 있다. 현재 proteasome 억제제는 새로운 강력한 항암제로서 분류되어 있다. 본 연구는 사람혀편평세포암종세포(SCC25 cells)에서 lactacystin의 세포독성과 성장억제 효과, 그리고 세포자멸사의 유도에 대한 분자생물학적 기전을 밝히기 위해 실험을 시행하였다. SCC25 세포, 사람정상각화세포 (HaCaT cells) 그리고 사람치은섬유모세포(HGF-1 cells)의 생존율 측정은 MTT법을 시행하였고, SCC25 세포의 성장억제를 확인하기 위해서는 clonogenic assay를 사용하였다. lactcystin이 SCC25 세포에서 세포자멸사가 유도되는지를 확인하기 위해서 hoechst 염색법, hemacolor 염색법 그리고 TUNEL법을 시행하였다. 그리고 SCC25 세포에 lactacystin을 적용한 후, Western blot 분석, 세포면역화학염색, 공초점레이저주사현미경 검경, FACScan flow cytometry, 사립체막 전위변화, proteasome 활성도 측정 등을 시행하였다. Lactacystin으로 처리된 SCC25 세포는 시간 및 용량 의존적인 세포생존율의 감소, 용량의존적인 세포성장억제 그리고 세포자멸사에 의한 세포죽음을 보였다. 흥미롭게도 lactacytin은 정상세포인 HaCat 세포와 HGF-1 세포에서는 세포독성을 전혀 보이지 않았다. 그리고 lactacystin이 적용된 SCC25세포에서 핵 응축, DNA의 조각남, 사립체막전위와 proteasome 활성도의 감소, DNA 양의 감소, cytochrome c의 사립체에서의 세포질로의 유리, AIF와 DFF40 (CAD)의 핵으로의 이동, Bax의 증가, caspase-7, caspase-3, PARP, lamin A/C 그리고 DFF45 (ICAD)의 활성화 혹은 파괴와 같은 아주 다양한 세포자멸사 증거를 보였다. Flow cytometry 분석에서는 CDK 억제제인 $p21^{WAF1/CIP1}$와 $p27^{KIP1}$의 발현 증가와 관계있는 것으로 추정되어 지는 G1 세포주기 정지를 보였다. 이러한 결과는 lactacytin이 SCC25 세포에서 G1 세포주기정지와 proteasome, 사립체 및 caspase 경로의 연속반응을 통한 세포자멸사를 유도함을 명확하게 증명하고 있다. 이와 같은 세포주기 정지와 세포자멸사 유도능은 lactacytin이 사람혀편평상피세포암종의 새로운 치료전략으로서의 가능성을 제공한다고 생각한다.