ULK1 inhibition as targeted therapeutic strategy for FLT3-ITD-mutated acute myeloid leukemia

Abstract

FLT3(FMS like tyrosine kinase 3) 수용체의 ITD(Internal Tandem Duplication) 돌연변이는 급성골수성백혈병 내에 약 30%에서 관찰되며 동시에 불량한 예후와 관련이 있는 것으로 알려져 있다. FLT3-ITD돌연변이에 대한 표적치료제가 개발이 되어 있으나 짧은 관해 지속율과 약제 내성 발현이라는 한계점을 보이고 있다. 따라서 FLT3-ITD에 대한 새로운 표적 치료 전략이 요구되는 실정이다. 자가포식(Autophagy) 기전의 이상은 다양한 암성 질환과 연관되어 있으나, FLT3-ITD돌연변이 백혈병에서는 그 관련성이 불명확하다. 이에 자가포식 기전의 핵심적 조절 인자로 알려진 ULK1(Uncoordinated 51-like kinas 1)의 억제의 효과를 백혈병 세포에서 확인하고자 했다. ULK1 단백질은 FLT3 야생형 백혈병 세포주 보다 FLT3-ITD 돌연변이 백혈병 세포주에서 과발현 되었다. SBI0206965와 MRT68921 두 가지의 ULK1 억제제를 각각의 세포주에 처리하였을 때, FLT3-ITD 돌연변이 백혈병 세포주에서 과발현된 ULK1의 감소가 확인됨과 동시에 약물의 농도에 비례하여 세포자멸(Apoptosis)이 의미있게 증가된 모습이 관찰되었다 (p<0.0001). 이는 실제 FLT3-ITD양성의 급성골수성백혈병 세포에서도 동일한 결과였으며, 특징적으로 정상 조혈모세포 (CD34 positive hemtopoietic stem cell)에 대한 ULK1 억제제의 영향은 미미하였다. 흥미롭게도 ULK1 억제는 FLT3-ITD 돌연변이 백혈병 세포에서 역설적으로 자가포식 기전을 활성화시키는 결과를 초래했다. 또한 타 자가포식 기전 억제제인 3-methyladenine, hydroxychloroquine, bafilomycin-A1 와 함께 투여시 세포자멸을 촉진시키는 결과가 관찰되었다(p<0.0001). 따라서 ULK1 억제에 의한 자가포식 기전의 활성화는 백혈병 세포의 생존을 보호하는 기전으로 추정할 수 있다. 한편 비접힘 단백질반응(Unfolded protein response) 기전의 억제가 ULK1 억제하에서 발생되는 것이 관찰되었다. 그러나 이 반응은 ULK1 억제에 따른 세포자멸에 영향을 미치지는 않는 것으로 확인되었다. 마지막으로 FLT3 분자와 ULK1 억제의 상호 작용을 관찰하였을 때, FLT3 분자의 저하 및 FLT3 활성화 경로인 ERK, AKT 그리고 STAT5의 억제가 ULK1 억제에 의해 유발되는 것이 확인되었다. 이러한 결과를 바탕으로 하였을 때, ULK1 억제는 정상 조혈모세포의 손상 없이FLT3-ITD 돌연변이 급성골수성백혈병의 세포자멸을 촉진시킬 수 있는 새로운 표적 치료 전략이 될 수 있을 것이다. In acute myeloid leukemia (AML), internal tandem duplication mutations in the FLT3 tyrosine kinase receptor (FLT3-ITD) account for up to 30% of cases and are associated with a dismal outcome. Because FLT3 tyrosine kinase inhibitor have demonstrated limited clinical efficacy due to development of resistance and shortage of remission, it should be relevant to develop the novel FLT3-ITD targeted therapeutic strategies. Since the dysregulation of autophagy is associated with many cancer types but it is unclear for FLT3-ITD AML, we evaluated the effects of inhibitor of uncoordinated (Unc) 51-like kinase 1 (ULK1), a serine/threonine kinase which plays a central role in the autophagy pathway, on the leukemia cell death. FLT3-ITD AML cells showed a significantly high expression of ULK1 kinase compared with FLT3-Wild type (WT) AML cells. It was demonstrated here that two ULK1 inhibitors, SBI0206965 and MRT68921, potentially induced apoptosis in FLT3-ITD AML cells, with relatively minimal effects on FLT3-WT AML cells and normal hematopoietic stem cells (p<0.0001). Interestingly ULK1 inhibitors paradoxically induced autophagy, showing synergistical interaction with an addition of autophagy inhibitors, 3-methyladenine (3-MA), hydroxychloroquine (HCQ) or bafilomycin-A1 (Baf-A1). Hence the autophagy induced by ULK1 inhibitors might be the pro-survival mechanism for FLT3-ITD AML cells. Degradation of FLT3-ITD protein and inhibition of ERK, AKT, and STAT5 pathway were also documented with ULK1 inhibitors in FLT3-ITD AML cells. Meanwhile the suppression of unfolded protein response (UPR) pathway occurred under the treatment of ULK1 inhibitors, but this process was not related with ULK1 inhibitor induced apoptosis in FLT3-ITD AML cells. ULK1 has a central role in autophagy regulation, druggable nature and apparent selectivity with minimal effect on normal hematopoietic stem cells, ULK1 inhibitor can be a promising therapeutic option for FLT3-ITD AML.