대장암 세포에서 5-FU(Fluorouracil)의 세포독성과 관련된 단백체 분석
이서영·송진수
*
·노시훈·김근태·홍순선**
·김희준*
·권성원·박정일#서울대학교 약학대학, *서울대학교 화학부, **인하대학교 의과대학
(Received March 16, 2009; Revised March 30, 2009; Accepted April 10, 2009)
Proteomic Approach to the Cytotoxicity of 5-FU(Fluorouracil) in Colon Cancer Cells
Seo Young Lee, Jin-Su Song*, Si Hun Roh, Geun Tae Kim, Soon-Sun Hong**, Hie-Joon Kim*, Sung Won Kwon and Jeong Hill Park
#College of Pharmacy and Research Institute of Pharmaceutical Sciences, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea
*Department of Chemistry, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea
**College of Medicine (BK21), Inha University, Incheon 400-712, Korea
Abstract
— We evaluated cytotoxic effect based on the MTT assay and identified altered proteins in 5-FU(fluorouracil) treated HT29 cells using two-dimensional gel electrophoresis and MALDI-TOF/TOF-MS. As proteins inducing apoptosis, siah binding protein 1 and p47 protein isoform a were up-regulated and tumor protein translationally-controlled 1 was down- regulated by 5-FU treatment. And mannose 6 phosphate receptor binding protein 1 controls DNA mismatch repair system was increased. We suggest 5-FU promotes a cytotoxicity under the action of these proteins in colon cancer cells.
Keywords □
5-FU, colon cancer, proteomics, MALDI-TOF/TOF
Fluoropyrimidine 5-fluorouracil(5-FU)
은대사길항제이며대장 암을비롯한항암치료에광범위하게사용된다.
우라실,
티민과유사한구조를가진
5-FU
는인산화과정을통해RNA
와DNA
의합성을억제하여세포사멸을유도한다
.
1)임상에서
5-FU
의반응률을결정하는인자들로는dihydro- pyrimidine dehyrogenase, thymidylate synthase, thymidine phosphorylase, p53, microsatelite instability
가알려져있다. 5- FU
의80%
이상이 간에서dihydropyrimidine dehyrogenase (DPD)
에의해dihydroflurouracil
로이화(catabolism)
된다. DPD
가저하된환자의경우
5-FU
투여시심각한독성을초래하며,
in vitro에서
DPD
의과발현은5-FU
의내성을유도하였다.
2)5-FU
는thymidine phosphorylase(TP)
에 의해fluorodeoxy- uridine monophosphate(FdUMP)
로 대사되며 이것은thymi- dylate synthase(TS)
를억제하여DNA
손상을유도한다. 5-FU
의투여시
TS
는자신의mRNA
에결합하여번역(translation)
을억 제하는음성피드백을감소시켜암세포에서급격하게TS
의발현을유도할수있다
.
3)TS
의과발현은항암치료시5-FU
의대 한감수성을예측하는인자이다. 5-FU
의감수성에TP
가미치는영향은전임상과임상에서대조적이었다
.
전임상에서TP
의과발현은
FdUMP
증가로인하여5-FU
의감수성을고양시켰으나대 장암에서TP
의과발현은5-FU
에대한반응률을감소시켰다.
이러한결과는대장암에서
TP
가내분비신생혈관-
세포성장인자로 작용하기때문이다.
4)종양억제유전자인
p53
은DNA
손상시세포주기검거(cell cycle arrest)
를유도하는유전자들(
예; CDKN1A
와GADD45
α)
의전사를활성화시킴으로써
DNA
를보존한다.
그러나손상된DNA
와세포의 상태에 따라p53
에의해proapoptotic gene
인FAS(CD95/AP01), BAX
는증가하고anti-apoptotic gene
인Bcl2
는감소하여
apoptosis
를유도한다.
또한여러임상연구에서TP53
돌연변이에대한대리표지인
p53
의과발현이5-FU
에대한내성과관련있었다
. DNA
와FdUTP
의결합, FdUMP
에의한TS
의억제등
DNA
를손상시키는기전에의해5-FU
는p53
을활 성화시킬 수있다.
5)DNA
불일치복구(mismatch-repair; MMR)
는
DNA
복제동안발생한에러를수정하는과정이며, micro- satellite instability(MSI)
는MMR
의실패로일어난다.
대장암의10~15%
에서MMR
기능의저하는5-FU
에대한낮은반응률의#본논문에관한문의는저자에게로
(
전화) 02-880-7857 (
팩스) 02-874-8928
(E-mail) [email protected]
원인이된다
.
6)이러한단백질들의증감은항암제의세포독성을유도하거나세포독성으로부터보호하는작용을한다
.
프로테오믹스는특정조건에서유전체
(genome)
에의해발현 되는단백체(proteome)
를연구하는학문이며,
세포내의총체적단백질분석은항암기전을이해하는데중요한정보들을제공한 다
.
프로테오믹스를사용한기존연구에서는대장암세포에서heat shock protein 27, peroxiredoxin 6, heat shock protein 70
등을5-FU
에반응하는단백질로규명하였으며,
7)metabotropic glutamate receptor4(mGluR4)
의과발현과mitochondrial F
1F
0- ATP synthase
의감소는5-FU
의내성과관련있다고보고하였다
.
8,9)이에본연구에서는이차원전기영동과MALDI TOF/TOF
MS
를사용하여대장암세포에서5-FU
의세포독성에의해특이적으로발현되는단백질들을분석하였다
.
실험방법
시약
사람의대장암세포인
HT29
는한국세포주은행에서구입하였으며
, fetal bovine serum,
항생제, DMEM/F12
배지는Gibco(Grand Island, NY)
에서구입하였다.
전기영동에사용한시 약(acrylamide solution(40%), urea, thiourea, 3-[(3-cholamid- opropyl)dimethylammonio]-1-propane sulfonate(CHAPS), di- thiothreitol(DTT), tris base, sodium dodecyl sulfate(SDS), ammonium persulfate(AP), N,N,N',N'-tetramethylene diamine (TEMED), glycine, glycerol, agarose, iodoacetamide(IAA), immobillized pH gradient(IPG) strips(pH 4~7, linear), IPG cover mineral oil, protein marker, protein assay kit, colloidal coomassie blue staining kit, silver staining kit)
은Invitrogen (Carlsbad, CA)
에서구입하였으며, 3-(4,5-dimethyl thiazol-2-yl)- 2,5-diphenyl tetrazolium bromide(MTT), dimethyl sulfoxide (DMSO), protease inhibitor cacktail, bovine serum albumin (BSA), tris-(hydroxymethyl)-aminomethane
α-cyano-4 hydroxy cinnamic acid(CHCA), 5-fluorouracil(5-FU), trypsin(modified)
은
Sigma(ST. Louis, MO)
에서구입하였다.
기기
세포 배양기는
Forma direct heat CO
2incubator(Thermo Electron, Somerset, NJ)
를 사용하였으며, MTT
정량은Microplate reader SpectraMax 340 PC(Molecular Device, Sunnyvale, CA)
를사용하였다.
이차원전기영동은PROTEAN IEF Cell
과PROTEAN II xi cell(Bio-Rad, Hercules, CA)
을이용하였으며
,
단백질 동정에는Auto flex II MALDI-TOF/
TOF MS(Bruker Daltonics, Bremen, Germany)
을 사용하 였다.
MTT활성
HT29
세포는37
oC, 5% CO
2 배양기에서10% fetal bovine serum, 100
µg/m
lstreptomycin
항생제를포함하는DMEM/F12
배지에서배양하였다
. HT29
의5-FU
에대한IC
50(half-maximal inhibitory concentration)
는살아있는세포에의한MTT
의환원 을측정하는MTT
정량법에의해결정하였다. HT29(1×10
5/cm
2)
를
24
시간동안96 well
에서배양하였다. 5-FU
를0, 5, 10, 20, 40, 80, 100, 200
µM
농도에서24
시간투여후40
µlMTT
용 액(5 mg/m
l)
을37
oC
에서4
시간보관하였다. DMSO 100
µl를처 리하여MTT formazan
을녹였다. 4
시간후, 550 nm
에서흡광도는
microplate reader
로측정하였다.
단백질추출및정량
HT29
세포는T-75
플라스크에서60~70%
까지 배양한뒤0.1% DMSO
배지에70
µM 5-FU
를첨가하여24
시간배양하였 다. 24
시간 투여 후 세포는500
µlcell lysis buffer(7 M urea, 2 M thiourea, 4% w/v CHAPS, 65 mM DTT, protease inhibitor cocktail)
로추출하여16,000 rcf, 30 min, 15
oC
에서원심분리후상층액은
bradford method(protein assay kit; Bio-Rad)
를사용하여정량하였으며
,
이차원전기영동을위해-80
oC
에서저장하였다.
이차원전기영동과이미지분석
단백질
80
µg
을300
µl의rehydration
용액(8 M urea, 2% w/v CHAPS, 20 mM DTT, 0.5% IPG buffer)
에 희석한 뒤, rehy- dration
용액은17 cm, pH 4~7 linear gradient IPG strip
과함께
12
시간동안보관하였다. Biorad IPGphor
에서단계별(step 1 250 V, 15
분; step 2 10 kV, 3
시간; step 3 10000 V, 60 kVh)
로전압을 증가시켜등전점에 따라 단백질을 분리하였다
. IEF (Isoelectric focusing)
과정후strip
은equilibration buffer 1(50 mM tris pH 8.8, 6 M urea, 30% glycerol, 1% SDS, 0.002%
bromophenol blue, 5 mg/m
lDTT), equilibration buffer 2(50 mM tris pH 8.8, 6 M urea, 30% glycerol, 1% SDS, 0.002%
bromophenol blue, 25 mg/m
liodoacetamide)
에순차적으로담근후
, strip
은12% polyacrylamide gel
에단백질마커와함께삽입 하고5 mg/m
lagrose
에의해남은 부분을고정하였다. Gel
을20
oC
에서26 mA/gel
전류로8
시간 동안 전기영동 후silver staining kit
으로염색하였으며, PDQuest version 7.2(Bio-Rad)
로이미지분석하였다
.
증감된단백질의발현을확인하기위해 스팟의농도(intensity)
를측정하여전체농도의백분율로표준화한뒤농도의차이를보이는스팟중
t
검정테스트에서p<0.05
인
spot
들을단백질동정을하였다.
트립신을사용한in-gel digestion
Silver staining
에서사용하였던300
µg
의단백질은위와동일한방법으로전기영동후
colloidal coomassie blue staining kit
으로염색하였으며
, in-gel digestion
을위해동일한spot
을절개하였다.
절개된
spot
은10 mM ammonium bicarbonate
에서10
분동안탈 색하였으며증류수와아세토나트릴에gel
이투명해질때까지보관하였다
. SpeedVac
으로 건조 후gel
은10 mM ammonium bicarbonate
에4
µl/m
l트립신20
µl를37
oC
에서12
시간이상보관 하였다.
상층액을SpeedVac
에서건조후0.1% TFA
에녹였다.
MALDI-TOF TOF/MS를이용한단백질동정
매스분석을위해
0.1% TFA
가첨가된60%
아세토나트릴에2 mg CHCA
을포함하는매트릭스를동일량의in-gel digests
에 혼합한뒤AnchorChip
TMtarget plate
에로딩하였다. Auto flex II MALDI-TOF TOF/MS
는Peptide Mass Standards kit
을 사용하여보정하고
,
양이온모드에서평균150 shot
의매스스펙 트럼을측정하였다.
데이터는Flexanalysis software
에서분석하 였으며,
단백질은NCBI
데이터 베이스를사용하여MASCOT peptide mass fingerprint search program
에서동정하였다.
매스 오차(tolerance)
는50 ppm
을허용하였으며,
메티오닌의산화를고려하여단백질을검색하였다
.
통계처리
MTT
데이터는means±SD
로 나타내며Duncan's multiple- range test
에따른일원분산분석(one-way analysis of variance,
ANOVA)
을사용하였다.
프로테오믹스데이터들은재현성을위해세번의독립적인실험에
student's t-test
를적용하였다.
모든경우에
,
pvalue
가0.05
미만인데이터를유의한것으로판정하였다.
실험결과
대장암세포
HT29
에서5-FU
를24
시간투여후세포독성을MTT
정량법으로측정한결과0~200
µM
에서농도의존적으로증가하였으며
, 5-FU
의IC
50는70
µM
이었다(Fig
.1).
독립적으로세번
5-FU 70
µM
을24
시간동안투여한세포와투여하지않은 세포로부터단백질을추출하였다.
추출액은정량후동일량을로딩하여이차원전기영동으로전개하였으며
,
등전점과분자량에따라단백질을분리하였다
. Gel
은silver staining
으로염색하였 으며, PDQuest
를사용하여spot density
를측정하였다.
세번의독립적으로실험한
density
에대해student's t-test
를적용하여 pvalue
가0.05
미만으로유의성이있는spot
만을취하여트립신 처리후MALDI-TOF TOF/MS
를사용하여동정하였다. Spot density
는대조군과5-FU
를투여한경우의spot 67
개를PDQuest
에서
match
하여전체spot density
의합에대한각각의density
를백분율로계산하였으며
, fold change
는다른spot
과의상대적Fig. 1 −
Cell growth inhibition of HT29 cells by 5-FU for 24 h. Anti- proliferative effects were assessed using MTT assays at 5- FU concentration of 0~200
µM. The data shown are means (percentage of controls)±SEM of three independent experiments. *Significantly different from untreated controls ( p <0.05).
Table I −
Identification of differentially expressed proteins in 70
µM 5-FU treated cells
Spot no. Protein identified Fold change
a)Accession No.
b)Mr/pI
c)Score
S10 P47 protein isoform a +5.6 gi|20149635 41/4.99 200
S20 Mannose 6 phosphate receptor binding protein 1 +2.5 gi|20127486 47/5.30 066
S30 Reticulocalbin 1 precursor -2.0 gi|4506455 93/4.86 084
S40 Tropomodulin 3 (Ubiquitous) +2.2 gi|7657649 40/5.08 092
S50 Proteasome (prosome, macropain) subunit, alpha type 5 -3.1 gi|54696300 26/4.74 065
S60 Tumor protein, translationally-controlled 1 -3.3 gi|4507669 20/4.84 119
S70 Human M-calpain form 1 -2.7 gi|17943181 21/4.90 044
S80 Siah binding protein 1 +5.3 gi|1809248 58/5.25 061
S90 Thiol-specific antioxidant protein (TSA) +3.5 gi|1617118 22/6.84 048
S100 Mitochondrial short-chain enoyl-coenzyme A hydratase 1 precursor -2.6 gi|12707570 61/8.34 061 Proteins identified using MALDI-TOF/TOF-MS through PMF
a)
Positive value means up-regulation against control and negative value means down-regulation in fold change. All the ratio are statistically significant with p <0.05 of student’s t-test.
b)
Entry number from NCBI database
c)
Mr; Theoretical molecular mass of the identified protein in KDa, pI; Theoretical isoelectric point of the identified protein
Fig. 2 −
Comparative 2-DE gel analyses of control (A) and 70
µM 5-FU treated HT29 cells (B) for 24 h. The protein extracts (80
µg/300
µl ) were displayed across a 17 cm IPG strip (pH 4~7) in the first dimension and a 12% SDS-PAGE gel in the second dimension, stained with silver stain. The gel pair was the representative gel from three independent experiments. Differentially expressed protein spots were indicated by circles.
density
를의미한다. Spot 6
는대조군에서주변spot
의density
가
5-FU
를투여한경우보다상대적으로감소하여서fold change
가
-3.3
이었다. NCBI
데이터베이스에서검색한후보단백질중점수가가장높은단백질을선택하였으며
,
이들의분자량과등 전점은2D gel
에서spot
의위치와일치하였다(Table I, Fig
.2, 3).
발현이증가된단백질로는
p47 protein isoform a, mannose 6 phosphate receptor binding protein 1, tropomodulin 3(Ubiqui- tous), siah binding protein 1, thiol-specific antioxidant protein (TSA)
가있었으며,
감소된단백질로는reticulocalbin 1 precursor, proteasome(prosome, macropain) subunit alpha type 5, tumor protein translationally-controlled 1, human M-calpain form 1, mitochondrial short-chain enoyl-coenzyme A hydratase 1 precursor
를동정하였다.
고 찰
5-FU
의보고된 기전과 관련된단백질들로는 증가된siah binding protein
과 감소된tumor protein translationally-con- trolled 1
이있으며,
이들은p53
의활성화와Mcl-1, Bcl-XL
의억 제에 의해apoptosis
를 촉진한다.
그러나 증가된mannose 6 phosphate receptor binding protein 1
은DNA
불일치 복구(mismatch repair)
기능을저하시키며,
이로인해5-FU
에대한 세포독성은감소하였을것으로사료된다. Siah proteins
은종양억제인자인
p53
의하부경로의효과기(effector)
로서p53
의과발 현은siah1
을 유도하며, siah1
의 과발현은 세포주기검거와apoptosis
를유도하여p53
의활성화와동일한효과를가진다.
10)Translationally controlled tumor protein(TCTP)
은세포외신호 와세포상태를조절하는,
성장조절인자이며증가혹은감소시 세포성장을억제한다.
또한TCTP
는Mcl-1, Bcl-XL
과함께상호작용하여
apoptosis
를억제한다.
11)Mannose-6-phosphate receptor (M6PR)
은multi-functional transmembrane glycoprotein
으로 주기능은골지체나세포표면에서lysosomes
으로glycoprotein
과결합하여이를운송하는것이다
.
종양억제유전자의가능성이있 으며, M6PR
은microsatellite instability(MSI)
를유도하는DNA
불일치복구시스템을저하시킨다
.
12)세포내의활성산소를공급하는
NADPH
산화효소(oxidase)
의adapter
인p47
은정상세포 보다대장암세포에서감소하였다. p47
의과발현은p53
과불일치 복구능
(competency)
과는 독립적으로 대장암 세포에서apoptosis
를유도한다.
13)세포내
Ca
2+농도,
단백질의퇴화,
지방산의대사를조절하는것으로알려진단백질들이
5-FU
투여에의해감소하였다. Reticulocalbin(RCN)
은소포체에존재하며Ca
2+과결합하는단 백질이며, RCN
의과발현은종양생성및침투,
약물내성과관련 있다
.
14)M-Calpains
은Ca
2+을 활성화시키는cysteine
proteases
로생체내Ca
2+의주요조절인자이며,
다양한신호전 달효소와함께단백질을분해한다. M-Calpains
는대장암에서증가하였으며초기대장암진단마커의가능성이있다
.
15)ATP
의존적으로
ubiquitin
을첨가하여불필요한단백질과대사효소를제거하는프로테아좀은세포의항상성
,
성장및발달을조절한다
.
16)5-FU
에 의해 유도된proteasome(prosome, macropain) subunit, alpha type 5
의감소는저하된단백질의퇴화률에의해 암세포의성장을억제하였을수있다. Mitochondrial short chain enoyl-CoA hydratase(ECHS1)
은체내의저혈당시미토콘드리아에서일어나는지방산β
-
산화의두번째단계에작용하는촉 매효소이다.
사람의대장암에서ECHS1
은지방산대사과정에관여하며
,
암생성을촉진한다.
17)5-FU
에의한ECHS1 precursor
의감소는지방산대사의저해를일으키며
,
이는세포증식억제 효과와관련있다.
이밖에도
Tropomodulins
은액틴의구조에서말단의cap
필라멘트로
40 kDa
이하의단백질군이다. Tropomodulin3(Tmod3)
은세포의이동에서음성조절인자
(negative regulator)
이며,
18)5-
FU
의 투여 시 증가하였다. Thiol-specific antioxidant protein (TSA)
은활성산소종(reactive oxygen species)
에대한방어작용 을하는과산화효소(peroxidase)
의한종류이며, DTT
와함께H
2O
2와alkyl hydroperoxides
를제거한다.
19)5-FU
는H
2O
2의생 성을저해함으로써세포독성에대한보호작용을할수있다.
결 론
대장암세포
HT29
에대한5-FU
의24
시간투여 시IC
50를MTT
정량법에의해70
µM
로측정하였으며, 0~200
µM
범위에서농도의존적으로세포독성을보였다
. 5-FU
의IC
50농도에서24
시간투여 후siah binding protein 1
의증가, tumor protein translationally-controlled 1
의감소, p47 protein isoform a
의증가를확인하였으며
,
이것은apoptosis
의유도와관련된단백질들 이다. DNA
불일치복구시스템을조절하는mannose 6 pho-
Fig
.
3 −Enlarged view of (A) the up-regulations and (B) the down-regulations of altered protein spots in 2D gel.
sphate receptor binding protein 1
과세포독성에대해보호작용을하는
thiol-specific antioxidant protein
는증가하였다.
또한세포 내
Ca
2+의 농도를 조절하는reticulocalbin 1 precursor
와human M-calpain form 1,
단백질의 퇴화를 조절하는pro- teasome(prosome, macropain) subunit alpha type 5,
지방산 대사 효소인mitochondrial short-chain enoyl-coenzyme A hydratase 1 precursor
은감소하였다.
이상의연구결과에의하면, 5-FU
는HT29
에세포독성을유도하며apoptosis
등여러기전과 관련된단백질들이암세포증식을억제하였을것으로사료된다.
감사의 말씀
본연구는
2007
년도보건장학회의지원으로수행하였으며,
이에감사를드립니다