Role of SIRT1 in inflammation-associated carcinogenesis

Abstract

Several epidemiological studies have shown that obesity is one of the prime factors in the etiology of some malignancies, including colon, breast, and prostate cancers. The molecular mechanism, however, is not fully clarified yet. The correlation appears to be due to certain properties shared between obesity and cancer, particularly chronic inflammation. Multiple lines of clinical and experimental data support that chronic inflammation is closely associated with several types of malignancies. During inflammatory processes, both reactive oxygen or nitrogen species (ROS/RNS) are massively generated, which cause irreversible DNA damage. Furthermore, pro-inflammatory cytokines and chemokines released from the inflamed cells can hyperactivate various cellular signal transduction pathways, such as nuclear factor κB (NF-κB) and hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α), leading to promotion and progression of cancer as well as profound inflammation. Thus, obesity-induced chronic inflammation might accelerate all stages of carcinogenesis. SIRT1, a NAD+-dependent histone/protein deacetylase, has diverse physiological actions, such as anti-aging, anti-apotosis, and anti-inflammation, through deacetylation of its protein substrates, including p53, Ku70, FOXOs, and p65. SIRT1 might function differentially in normal versus cancer cells in the context of inflammation as well as carcinogenesis. It has been reported that SIRT1 is crucial for preservation of the genetic fidelity and tumor suppression. Moreover, SIRT1 can attenuate the inflammatory responses via deacetylation and inhibition of the p65 NF-κB subunit. Paradoxically, SIRT1 is highly expressed in certain types of tumors, which may be associated with poor prognosis. In line with these investigations, cumulative evidence supports its oncogenic functions, such as tumor proliferation, migration and chemoresistance. Notably, it has been demonstrated that a SIRT1 inhibitor significantly reduces tumor necrosis factor α-induced inflammation, suggesting the pro-inflammatory effect of SIRT1. In the present study, we thus investigated the role of SIRT1 in carcinogenesis under the conditions of chronic inflammation, such as obesity. Cyclooxygenase-2 (COX-2) is a key protein in inflammation-associated carcinogenesis. COX-2 is abnormally upregulated in inflammation, obesity and various types of cancers, resulting in biosynthesis of diverse prostaglandin. 15-Deoxy-Δ12,14-prostaglandin J2 (15d-PGJ2) is one of the major terminal products of the COX-2-dependent arachidonic acid cascade. We have previously demonstrated that the levels of COX-2 and 15d-PGJ2 were markedly elevated in human breast cancer tissues. In the present study, we observed that the expression of SIRT1 was increased in human breast tumor as well. Furthermore, the expression levels of COX-2 and SIRT1 were coordinately upregulated in human colon cancer speciemens. Based on these observations, we speculated that 15d-PGJ2 may induce SIRT1 expression under conditions of chronic inflammation. We found that 15d-PGJ2 upregulated SIRT1 expression in human colon (HCT-116) cells and breast (MCF-7) cancer cells. We found that sirtinol, a pharmacological inhibitor of SIRT1, abrogated 15d-PGJ2-induced HCT-116 cell migration. Besides SIRT1, 15d-PGJ2 caused upregulation of various stress-response proteins, such as glutamate cysteine ligase and multidrug resistance-associated protein 1, conferring chemoresistance to doxorubicin in MCF-7 cells. These findings suggest that 15d-PGJ2 plays a crucial role in inflammation-associated carcinogenesis possibly via upregulation of SIRT1. The deregulation of adipokines secreted from the white adipose tissue may account for the cancer development in obesity. Leptin, a representative adipokine, is considered as a potential linker between obesity and cancer. We thus investigated the role of SIRT1 in leptin-induced colon carcinogenesis. In the present study, leptin signaling-defective ob/ob and db/db mice showed lower expression of SIRT1 in colon tissues compared with leptin signaling-intact C57BL/6J mice. Moreover, leptin induced upregulation of SIRT1 in human colon cancer (HCT-116) cells. Leptin promoted migration and invasion of HCT-116 cells and tumor growth in the xenograft assay, which was abrogated by treating with a SIRT1 inhibitor sirtinol, suggesting that SIRT1 plays a role in leptin-induced colon carcinogenesis. Notably, leptin-induced SIRT1 expression was regulated by the redox-sensitive transcription factor NF-E2-related factor 2 (Nrf2). Leptin stimulated nuclear accumulation of Nrf2 as well as its interaction with antioxidant response elements located in the SIRT1 promoter. We also found that siRNA knockdown of Nrf2 abrogated leptin-induced SIRT1 expression. Moreover, the expression of SIRT1 was significantly reduced in colon tissues of nrf2-null mice, lending further support to Nrf2-dependent SIRT1 expression. Based on the observations from using N-acetylcysteine and AG490, the ROS-JAK2-STAT3 axis may be involved in leptin-induced Nrf2 activation. The levels of leptin, Nrf2 and SIRT1 were coordinately increased in human colon tumor specimens. Taken together, these data suggest that the obese protein leptin might stimulate colon tumor promotion as well as progression via the Nrf2-dependent SIRT1 overexpression. In the present study, we found that SIRT1 upregulation may create tumor microenvironment more favorable to tumor survival, leading to acceleration of inflammation-associated carcinogenesis in human colon (HCT-116) and breast (MCF-7) cancer cells. Given the report about the differential roles of SIRT1 in normal and cancer cells, we investigated the role of SIRT1 in human colon epithelial (CCD841CoN) cells, in the context of insulin-induced colon carcinogenesis in obesity. Hyperinsulinemia can stimulate acetylation and subsequent activation of sterol-regulatory element-binding protein 1 (SREBP-1), a transcription factor responsible for expression of genes involved in lipogenesis. Moreover, SREBP-1 up-regulates COX-2 expression, possibly expediting inflammation-associated carcinogenesis. In the present study, we found that docosahecxaenoic acid (DHA), a representative omega-3 fatty acid, induced SIRT1 expression at both mRNA and protein levels in CCD841CoN cells. DHA-induced SIRT1 expression was evident in the nucleus of CCD841CoN cells. SIRT1 has been reported to inhibit SREBP-1 activation through deacetylation. DHA abrogated insulin-induced upregulation of SREBP-1 and COX-2 as well as cell migration. However, the inhibitory effect of DHA on insulin signaling was blocked by a pharmacological inhibitor of SIRT1. Notably, the expression of SREBP-1 and COX-2 was increased in human colon tumor tissues compared with surrounding tissues. Furthermore, genetically obese (ob/ob) mice also showed higher colonic expression levels of both SREBP-1 and COX-2 than did normal lean mice. These data suggest that the representative omega-3 fatty acid DHA may protect against insulin-induced lipogenesis and carcinogenesis by hampering insulin-induced expression of SREBP-1 and COX-2 via up-regulation of SIRT1. Taken together, these observations suggest that SIRT1 might control obesity-induced carcinogenesis by modulating the effects of various endogenous substances that expedite inflammation-induced carcinogenesis, such as 15-PGJ2, leptin, and insulin. Notably, the subcellular localization of SIRT1 seems to determine its role in inflammation-associated carcinogenesis. While SIRT1 was primarily localized in the nucleus of human colon epithelial cells, acting as a tumor suppressor, human colon cancer cells showed cytoplasmic localization of SIRT1 which stimulated tumor promotion and progression. Thus, SIRT1 may be considered as a feasible therapeutic target for carcinogenesis under the conditions of chronic inflammation, such as obesity.

최근 비만이 대장암, 유방암 등 다양한 암의 주요 원인으로 대두되고 있다. 하지만 그 분자적 기전에 대해서는 아직까지 자세히 연구된 바가 없다. 비만과 암의 관련성은 만성 염증 상태 및 저산소증 (hypoxia)과 같은 유사한 미세환경에 기인한다. 비만 역시 만성적인 염증 상태로, 비만 환자의 전신적이고 만성적인 염증 반응이 비만과 암의 중요한 연결 고리로 인식된다. 또한 지방 조직에서 분비되는 일종의 싸이토카인인 아디포카인 (adypokine)의 비정상적인 조절 역시 비만에 의한 암화에 중요하다. 그중에서도 대표적인 아디포카인인 leptin이 비만과 암의 중요한 연결고리로 작용할 것이라고 생각된다. SIRT1은 히스톤 (histone) 및 단백질 탈아세틸효소 (deacetylase)로, 다양한 단백질을 탈아세틸화 함으로써 세포 주기 및 노화, 대사 조절 등의 세포 내 신호 전달에 관여한다. 뿐만 아니라 염증 및 발암 과정에서 SIRT1은 이중적인 역할을 수행한다고 알려져 있다. 정상 세포에서 SIRT1은 염증을 억제하고 암화를 지연시킨다. 그러나 다양한 암세포 및 암조직에서 SIRT1이 높은 수준으로 발현되어 있으며, 이것이 암세포의 성장 및 침윤, 항암제 내성 획득을 촉진하여 발암 과정을 가속화하는데 관여한다. 따라서, 비만과 같은 염증 상황에서 SIRT1이 발암 과정에 있어서 어떠한 역할을 하는지 알아보고자 하였다. 유전적으로 leptin 및 그 수용체가 결핍된 ob/ob 및 db/db 마우스의 대장 조직을 분석한 결과, 정상 마우스에 비해 SIRT1의 발현이 감소되어 있음을 확인하였다. 인체 대장암 (HCT-116) 세포에 leptin을 처리했을 때 SIRT1 mRNA 및 protein의 발현 및 탈아세틸화 효소 활성 모두 증가하였다. 이러한 leptin에 의한 SIRT1의 발현은 HCT-116 세포의 이동성 및 침윤성을 증가시킴을 wound healing 및 invasion assay를 통해 확인하였다. 뿐만 아니라 in vivo tumor xenograft assay를 수행하였을 때, leptin 처리에 의해 xenograft된 종양의 크기가 증가하였으나 SIRT1 억제제인 sirtinol 처리에 의해 이것이 억제됨을 알 수 있었다. 즉, leptin이 SIRT1 과발현을 통하여 인체 대장암의 promotion 및 progression을 촉진함을 시사한다. 전사인자인 NF-E2-related factor 2 (Nrf2)는 세포내 산화적 스트레스를 포함하는 다양한 스트레스에 의해 활성화된다고 알려져 있다. SIRT1 유전자의 프로모터 지역 (promoter region)을 분석해 본 결과, Nrf2가 결합할 수 있는 antioxidant response element (ARE)가 존재함을 확인하였다. Leptin 처리에 의하여 Nrf2가 HCT-116 세포의 핵 내에 축적되었고, 이렇게 핵 내에 축적된 Nrf2는 SIRT1 ARE와 결합하는 것을 확인하였다. 또한 siRNA를 이용하여 Nrf2 유전자를 knockdown 시킨 경우 leptin에 의한 SIRT1의 발현이 억제되었다. 마찬가지로 nrf2가 유전적으로 결핍된 마우스의 대장 조직을 분석해 본 결과 정상 마우스에서 보다 SIRT1의 발현이 감소되어 있었다. 이상의 결과들을 바탕으로 leptin에 의한 SIRT1의 발현에 Nrf2 전사인자가 관여함을 확인하였다. 실제 대장암 환자의 조직을 분석해 본 결과, 주변 조직에서보다 대장암 조직에서 leptin, Nrf2 및 SIRT1이 과발현되어 있음을 통해 임상적으로 leptin이 Nrf2를 통해 SIRT1의 발현을 조절할 가능성을 시사한다. 또한 인체 대장암 조직에서 SIRT1의 발현과 함께 cyclooxygenase-2 (COX-2)의 발현이 증가되어 있었다. COX-2는 아라키돈산 (arachidonic acid)로부터 프로스타글란딘 (prostaglandin)의 생합성을 촉진한다. 대표적인 COX-2 최종 산물인 15-deoxy-Δ12,14-prostaglandin J2 (15d-PGJ2)는 cyclopentenone 계열 프로스타글란딘이다. 비만에 의한 염증 상태에서 COX-2의 지속적 발현이 암화에 기여하는데, 15d-PGJ2가 그 중간 매개체로 작용할 것이라고 생각하였다. 인체 대장암 (HCT-116) 세포에 15d-PGJ2를 처리하면 SIRT1의 발현이 증가하였다. Wound healing assay를 수행한 결과, 15d-PGJ2 처리시 HCT-116 세포의 이동성이 증가하지만 SIRT1의 활성 억제제인 sirtinol을 처리하였을 경우 억제됨을 확인하였다. 즉, 대장암에서 COX-2의 과발현으로 증가된 15d-PGJ2가 SIRT1의 발현을 촉진하는데 기여함으로써 발암 과정을 촉진할 것으로 사료된다. 뿐만 아니라, 인체 유방암 조직에서도 SIRT1의 발현이 증가되어 있었고, 인체 유방암 (MCF-7) 세포주에 15d-PGJ2를 처리했을 경우 SIRT1 발현이 유도되었다. 인체 유방암 세포에서 15d-PGJ2 처리에 의해 대표적 항산화 효소인 glutamate cysteine ligase (GCL)과 항암제 내성을 유도하는 multidrug resistance-associated protein 1 (MRP1)의 발현 역시 증가하였다. 이를 통해 인체 유방암 세포에서 15d-PGJ2는 항암제인 doxorubicin에 의한 세포 사멸에 대한 저항성을 나타내는 것을 확인하였다. 즉, 인체 유방암 세포에서 15d-PGJ2는 다양한 스트레스에 대해 방어할 수 있는 SIRT1, GCL, MRP1 등의 단백질 발현을 유도하고, 이를 통해 암세포의 생존에 유리한 미세환경을 구축하는 것으로 사료된다. 이상의 결과를 바탕으로 암세포에서 SIRT1의 발현은 암세포의 생존에 유리한 조양 미세 환경을 조성하여 발암 과정을 가속화할 수 있음을 확인하였다. 그러나 암세포에서와는 달리 정상 세포에서는 SIRT1이 발암 억제 효과를 나타낸다고 알려져 있다. 따라서 SIRT1이 인체 대장 상피 세포에서 인슐린에 의한 발암 촉진 과정에서 어떠한 역할을 하는지 알아보고자 하였다. 많은 실험적 및 임상적 연구를 통해 비만 환자는 인슐린 저항성으로 인해 고인슐린혈증 상태를 나타내는데, 이것이 대장암을 촉진하는 주요 인자로 작용한다는 것이 밝혀졌다. 고인슐린혈증 상태에서 sterol regulator element-binding protein 1 (SREBP-1)은 아세틸화를 통해 활성화되어 지방질 생합성 (lipogenesis)에 관여하는 유전자 및 COX-2의 발현에 관여하는 것으로 알려져 있다. 인체 대장암 조직에서 SREBP-1의 발현이 증가되어 있었고, 유전적으로 leptin이 결핍된 ob/ob 마우스의 경우 고인슐린혈증을 수반하는 비만 형질을 나타내는데, 이 마우스의 대장 조직에서 SREBP-1 및 COX-2의 발현이 정상 마우스에서 보다 증가되어 있었다. 인체 대장 상피 (CCD841CoN) 세포에 인슐린을 처리하면 SREBP-1의 아세틸화 및 발현이 증가하였고 COX-2의 발현 역시 증가하였다. Docosahexanoic acid (DHA)는 대표적인 omega-3 지방산으로, 인체 대장 상피 세포에 처리했을 때 SIRT1의 발현이 증가함을 확인하였다. DHA 전처리시 인슐린에 의한 SREBP-1의 아세틸화 및 SREBP-1과 COX-2의 단백질 발현 역시 억제되었다. DHA에 의한 저해 효과는 SIRT1 억제제인 sirtinol 처리에 의해 수복되는 것을 통해, DHA의 인슐린에 의한 SREBP-1 및 COX-2 발현 억제 효과는 SIRT1이 매개하는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라, wound healing assay를 수행한 결과, 인슐린 처리에 의해 인체 대장 상피 세포의 이동성이 증가되나, DHA 전처리 시 이것이 억제되었고, 다시 sirtinol에 의해 수복되는 양상을 나타내었다. 위의 결과들을 바탕으로, 인체 대장 상피 세포에서 DHA에 의해 유도된 SIRT1은 인슐린에 의한 SREBP-1 및 COX-2의 발현을 억제함으로써 발암 억제 효과를 나타낼 것으로 사료된다. 결론적으로, 비만 상태에서 leptin, 15d-PGJ2 및 insulin과 같은 내인성 물질들이 염증 매개체로 작용하여 염증에 의한 암화를 촉진시킬 수 있는데, SIRT1은 이 내인성 물질들의 작용을 조절함으로써 발암 기전을 제어할 수 있다. SIRT1은 정상 세포에서는 발암 과정을 억제하지만 암세포에서는 오히려 암화를 촉진시키는 이중적인 역할을 하는 것으로 생각된다. 따라서, SIRT1의 활성을 조절함으로써 비만과 같은 염증에 의한 발암 과정을 제어할 가능성을 제시하는 바이다.