Fructose promotes breast cancer metastasis by inducing the KHK-A phosphorylation of YWHAH

Abstract

Harmful effects of high fructose intake on health have been widely reported in epidemiological and laboratory studies. Although it has been reported that fructose promotes cancer development and progression, little is known about the underlying molecular mechanisms. Here, I found that fructose triggers breast cancer metastasis through the ketohexokinase-A signaling pathway. Molecular experiments showed that ketohexokinase-A, rather than ketohexokinase-C, is necessary and sufficient for fructose-induced cell invasion. An orthotopic xenograft experiment revealed that ketohexokinase-A-overexpressing breast cancer is highly metastatic in fructose-fed mice. Mechanistically, ketohexokinase-A moves from the cytoplasm to the nucleus during fructose stimulation, which is mediated by the nuclear importers LRRC59 and KPNB1. In the nucleus, ketohexokinase-A phosphorylates YWHAH at Ser25 and, in turn, YWHAH recruits SLUG to the CDH1 promoter, which weakens cell adhesion and triggers cell migration. This study provides a new insight into the effect of nutrition on breast cancer metastasis. High intake of fructose should be restricted in cancer patients to reduce the risk of metastasis. From a therapeutic perspective, the ketohexokinase-A signaling pathway could be a potential target to prevent cancer metastasis.

현대 사회에서 식습관의 서구화로 인하여 과당의 섭취가 늘어났으며 그에 따라 비만, 당뇨, 지방간을 악화시킨다고 보고되어 있다. 이 외에도 과당의 섭취는 유방, 소장, 및 대장암을 포함한 다양한 암의 발병과 전이에 관련이 있다는 것이 역학적으로 보고되었다. 암 대사는 다량의 포도당을 소비하도록 Reprogramming이 일어나며, 포도당이 고갈되어 있는 암세포는 과당을 대체에너지원으로 이용한다. 췌장암과 대장암에서 과당 대사 경로의 활성화로 인해 암의 증식과 전이가 촉진된다는 것이 보고되어 있지만, 이 현상을 뒷받침하는 기전은 보고된 바가 없다. Ketohexokinase는 fructose를 fructose-1-phosphate로 전환하는 효소이다. KHK는 alternative splicing을 통해 조직 특이적으로 KHK-A와 KHK-C를 발현한다. 과당의 F-1-P 로의 분해는 간, 신장에서 KHK-C에 의해 일어나며, 반면 KHK-A는 과당에 대한 효소 활성도가 매우 낮아 과당의 대사에 기여하지 않는 것으로 여겨졌다. 그럼에도 불구하고 KHK-A는 대부분의 조직에서 발현하기 때문에 에너지 대사 이외의 생물학적 기능을 가지고 있다는 의견이 제기되었다. 유방암 세포는 정상 유방세포 대비, 과당 수용체인 GLUT5의 발현양이 높고, 과당 처리 시, 세포의 형태가 mesenchymal 하게 변한다는 것이 알려져 있다. 하지만 그 분자 메커니즘에 대해서는 알려진 바가 없다. 먼저 유방암 세포주를 포함한 암세포주에 과당 처리 후 이동능의 증가를 확인하였고, 간, 신장 유래 암세포를 제외하고는 모두 KHK-A가 우세하게 발현하는 것을 확인하였다. 따라서 유방암 세포주에서 Fructose에 의한 암 전이과정에 KHK-A가 관여되어 있을 것이라는 가설을 세웠다. 마우스 xenograft model을 이용하여 과당 공급 시 KHK-A를 발현하는 유방암 세포주가 폐로 전이됨을 확인하였고, 유방암 세포주에서 과당 존재 시, KHK-A가 공통적으로 결합하고 있는 단백질을 선정하였다. LRRC59는 과당이 존재할 때, KPNB1과 결합하여 KHK-A를 세포질에서 세포핵으로 이동시키며, 핵으로 들어간 KHK-A는 YWHAH (14-3-3 eta)의 25번 Serine잔기를 인산화 시키는 것을 확인하였다. 인산화된 YWHAH는 Slug와 결합하고 CDH1의 전사를 억제함으로써 유방암 세포주의 상피간엽이행을 유도하여, 결과적으로는 암 전이에 기여하는 것을 확인하였다. YWHAH의 인산화는 유방암 xenograft 모델에서 폐를 포함하여 뇌, 비장, 간 등 다양한 주요 장기로의 전이를 촉진하였다. 유방암 환자 조직에서 nuclear KHK-A와 YWHAH-pSer25의 발현이 서로 양의 상관관계를 보이며, 유방암 예후와 연관되어 있음을 보여줌으로써 상기 기전을 확인하였다. 그런데 왜 KHK-A는 과당은 인산화 시키지 못하는 것일까? 본 연구에서는 2016년도에 KHK-A의 기질로 보고된 PRPS1과의 비교연구를 통하여, KHK-A는 아미노산 DDMA로 이루어진 모티프를 인식하여 기질 단백질과 결합, 인산화 시킴을 확인하였다. 따라서 위의 물음에 대하여 KHK-A는 과당 인산화효소가 아닌 Serine/Threonine 인산화 효소이기 때문이다. 라는 해답을 제시하였다. 이러한 연구 결과는 KHK-A가 과당에 의한 암 전이 과정에서 KHK-A가 결정적인 스위치 조절자라는 새로운 기전을 규명하였으며, 나아가 KHK-A-YWHAH-CDH1 기전이 과당에 의한 암의 전이를 억제하는 새로운 치료 표적이 될 가능성을 제시하였다. 또한 우리가 간과하기 쉬운 식습관의 중요성을 다시금 일깨우는 메시지를 제공하고 있다. 그 메시지는 암환자가 영양보충을 하고자 과당을 많이 섭취하는 것은 좋지 못한 결정이라는 것이다.