Mitochondrial dysfunction increases Hepatoma cell invasiveness via NFE2L1 expression

Abstract

Mitochondrial dysfunction is an important metabolic feature in human cancer. However, underlying mechanisms how mitochondrial dysfunction affects tumorigenesis remain unclear. The current study focused on the role of NFE2L1 transcription factor which was previously identified as a mitochondrial defect-responsive gene in hepatoma cell invasiveness. NFE2L1 expression is increased in SNU354 and SNU423 hepatoma cells which have mitochondrial defects and high invasion activity. Knockdown of NFE2L1 decreased hepatoma cell invasion activity in SNU354 and SNU423 cells, implying that NFE2L1 is a key regulator of invasion activity. Next, we investigated how NFE2L1 expression is regulated by mitochondrial dysfunction. SNU354 and SNU423 cells showed high cytosolic Ca2+ and reactive oxygen species (ROS) levels and both increased cytosolic Ca2+ and ROS levels were involved in NFE2L1 expression. Analysis of transcription factor binding sites within -2800 to +200 NFE2L1 promoter region using TRANSFAC program identified 11 potential transcription factors to regulate NFE2L1 transcription. Among them, sterol regulatory element-binding protein 1 (SREBP1) was found to regulate NFE2L1 expression in SNU354 cell. In conclusion, our results suggest that NFE2L1 is one of key transcription regulators to control hepatoma cell invasiveness and its transcription is regulated by mitochondria driven Ca2+ or ROS signaling. Also, SREBP1 may be an upstream transcription factor of the NFE2L1 transcription. These findings emphasize the involvement of NFE2L1 in hepatocellular carcinoma (HCC), providing its potential role as a therapeutic target of HCC, and expand our knowledge of mitochondrial defect-mediated mitochondrial retrograde signaling in tumorigenesis.

미토콘드리아 손상은 암세포에서 나타나는 중요한 특징으로 대사적 변화를 유도하며 종양형성에 기여할 수 있다. 따라서 미토콘드리아 손상을 동반한 암세포의 연구를 통해 암 생성을 억제하는 치료방안을 모색할 수 있다. 특히 222 암세포가 다른 조직으로 이동하는 능력인 침습작용과 전이능력을 막는 것은 암의 진행을 막는 효과적인 방법이다. 따라서 이를 조절하는 작용을 밝혀내는 것이 암을 연구하는데 매우 중요하다. 이전 보고에서 세가지 미토콘드리아 손상 모델(간암세포성 손상모델, 기능적 손상모델, 유전자적 손상모델)에서 공통적으로 발현이 증가된 10 개의 유전자를 cDNA microarray 를 통해 규명한 바 있으며 그 중 본 연구는 NFE2L1 의 발현조절 기전에 대해 밝혀내고자 하였다. NFE2L1 은 전사 조절자로 CNC bZIP family 중 하나이다. 간암 세포에서의 발현을 본 결과 미토콘드리아 손상이 동반된 SNU354, SNU423 세포에서 정상적인 미토콘드리아를 가진 SNU387 과 Ch-L 세포보다 NFE2L1 의 mRNA 와 단백질의 발현이 증가된 것을 확인하였다. 흥미롭게도 미토콘드리아의 손상이 동반되고 NFE2L1 의 발현이 증가되어 있는 SNU354, SNU423 세포에서 침습활성이 증가되어 있는 것을 확인하였다. 미토콘드리아 손상에 의해 증가된 NFE2L1 이 침습작용을 조절할 수 있는지 확인해 보기 위해 NFE2L1 의 발현과 침습활성이 높았던 SNI423 세포와 SNU354 세포에 NFE2L1 의 발현을 감소시켰을 때 침습활성이 감소하였다. 따라서 미토콘드리아의 손상에 의해 유도된 침습활성의 증가 기전에 NFE2L1 이 주요 인자로 작용할 가능성을 확인하였다. 다음으로 미토콘드리아 손상에 의해 증가되는 NFE2L1 의 구체적인 조절 기전을 밝히고자 하였고 미토콘드리아에서 유도되는 활성신호인 retrograde 신호 중 Ca2+ 과 ROS 의 신호에 의해 NFE2L1 의 mRNA 발현이 증가되는 것을 확인하였다. 이러한 retrograde 신호에 의해 활성화되어 NFE2L1 의 발현을 증가시킬 수 있는 NFE2L1 의 전사 조절자를 찾기 위해 NFE2L1 -2800 부터 +200 까지의 프로모터 부분에 결합하여 작용할 수 있는 전사조절자들을 TRANSFAC 프로그램을 사용하여 찾을 수 있었다. 그들 중 SREBP1 은 이전 보고들에서 NFE2L1 의 발현을 직접적으로 조절한다는 보고들이 있어 우선 SREBP1 에 의한 NFE2L1 의 발현변화를 확인하였다. 토끼에서 발현되며 사람의 SREBP1 과 동일한 기능을 하는 ADD1 을 과발현하였을 때 NFE2L1 의 단백질 발현이 증가된 것으로 보아 NFE2L1 의 발현이 SREBP1 에 의해 조절될 수 있는 가능성을 확인하였다. 결론적으로, 미토콘드리아 손상이 암세포에게 미치는 영향을 밝혀내고 이것을 조절하는 조절기전을 밝혀냄으로써 후에 미토콘드리아의 손상이 동반된 암세포만을 선택적으로 죽일 수 있는 치료제 개발을 위한 기반으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.