Studies of molecular mechanism of chemoresistance and epithelial to mesenchymal transition in tumor microenvironment

Abstract

Studies of molecular mechanism of chemoresistance and epithelial to mesenchymal transition in tumor microenvironment Yeseong Hwang Department of Medical Science The Graduate School, Yonsei University (Directed by Professor Sungsoon Fang) Many types of cancers use serine-dependent one carbon metabolism to sustain tumorigenic environment. Serine is directly into tumor cells through serine uptake transporters or synthesized from glycolysis or gluconeogenesis-derived 3P, which are next involved in diverse physiological processes including ROS balance, purine, and DNA synthesis. Here, we observed the tumorigenic role of one carbon metabolism in two refractory anaplastic thyroid cancer (ATC) and colorectal cancer (CRC). ATC is one of the most aggressive tumors with an extremely poor prognosis. Based on papillary thyroid cancer (PTC) exhibits enhanced level of one carbon metabolism protein and is dedifferentiated into ATC, we compared one carbon metabolism between ATC and PTC. Single cell RNA sequencing analysis revealed that one carbon metabolism was strengthened through evolutionary process from PTC to ATC. Also, we thought glutaminolysis inhibition induces cell death based on the several biological features related to glutamine metabolism upregulation such as HER-2 overexpression and frequent β-catenin nuclear localization in ATC. Nonetheless, ATC cells regulate ROS homeostasis via ATF4-mediated one carbon metabolism and subsequent inhibit cell proliferation arrest against glutamine metabolism inhibition. We next observed that co-inhibition of glutamine and one carbon metabolism could synergistically enhance the anticancer effect of drugs used in patients with ATC. CRC is the third most common cancer type with the second poor prognosis. Patients with CRC are commonly accompanied by epithelial-mesenchymal transition (EMT) leading to liver and lung metastasis. Here, our single cell analysis reported that fibroblast clusters were divided into two groups according to one carbon metabolism activation and inflammatory cancer-associated fibroblasts (iCAFs) associated with EMT dominantly resided in one carbon metabolism high fibroblast. Serine synthesis high groups in CRC patients with liver metastasis exhibited high level of iCAF and EMT genes. Serine synthesis and iCAFs genes high group especially showed inferior outcome in CRC patients with stage 3 and 4, indicating that one carbon metabolism has positive correlation with iCAFs and contributes to metastasis through EMT. Moreover, one carbon high fibroblast showed CXCL12 outgoing signaling to CXCR4 in immune cells such as T cell and macrophage, which might elicit infiltration of Treg and TAMs. CXCL12 represented positive correlation with EMT genes including SNAI2 and VIM. Collectively, our data demonstrate one carbon metabolism has a potential role of modulation of cell fate in metabolic stress or EMT promotion via tumor microenvironment components, iCAFs. Thus, one carbon metabolism can be therapeutic target for improving survival by enhancing antitumor effects in refractory cancer. ABSTRACT(IN KOREAN) 암 미세환경에서 항암제의 저항성 획득 및 상피간엽이행 기전 연구 <지도교수 황성순> 연세대학교 대학원 의과학과 황예성 다양한 종류의 암은 종양 형성을 위한 환경을 유지하기 위해 세린 의존적인 일탄소대사를 사용한다. 암세포는 트랜스포터 혹은 해당과정이나 포도당신생합성 유래 3P를 통해서 세린을 직접적으로 섭취한다. 세린은 그 다음으로 ROS 균형, 퓨린 과 DNA 합성을 포함한 다양한 생리학적인 과정에 관여한다. 본 연구에서는 난치성 암인 두 종류의 갑상선 미분화암과 대장암에서 종양형성에 대한 일탄소대사의 역할을 관찰하였다. 갑상선 미분화암은 예후가 매우 좋지 않은 악성 종양 중 하나다. 갑상선 유두암이 일탄소대사 관련 단백질의 발현이 높고 갑상선 미분화암으로 진행된다는 점을 기초로 하여, 우리는 갑상선 미분화암과 갑상선 유두암 사이에 일탄소대사를 비교하였다. 단일 세포 분석을 통해 갑상선 유두암이 갑상선 미분화암으로 진행될 때 일탄소대사가 강화됨을 확인했다. 또한 우리는 갑상선 미분화암이 HER-2 단백질의 과발현과 베타 카테닌 단백질의 핵으로의 빈번한 이동과 같은, 글루타민 대사의 상향조절의 몇 가지 생물학적 특징과 관련되어 있다는 점에 기초하여 글루타민 분해 경로를 억제시킨다면 갑상선 미분화암세포의 사멸이 발생할 것이라고 생각하였다. 그럼에도 불구하고 글루타민 분해 경로를 억제 시 갑상선 미분화암세포는 ATF4 매개 일탄소대사를 증가시켜 ROS 항상성을 조절하고 세포의 증식 억제를 회피함을 확인했다. 다음으로 글루타민 분해 경로와 일탄소대사를 동시에 억제시켰을 경우, 협력 작용을 통해 갑상선 미분화암 환자에서 사용되고 있는 항암제의 효과를 높이는 것을 확인했다. 대장암은 발병 빈도가 세 번째로, 사망률이 두번째로 높은 암이다. 흔히 대장암 환자는 상피간엽이행이 동반되어 간 또는 폐로 전이를 겪게 된다. 본 연구에서는 단일세포분석을 통해 섬유모세포 클러스터들이 일탄소대사의 활성에 따라 크게 두 개로 나뉘고 일탄소대사가 높은 클러스터에 상피간엽이행과 관련이 높은 염증성 암 관련 섬유모세포가 지배적으로 존재하는 것을 보고하였다. 특히 간으로 전이가 발생한 대장암 환자 중 세린 합성이 높은 환자군이 염증성 암 관련 섬유모세포 및 상피간엽이행 유전자의 발현이 높음을 확인하였다. 세린 합성 및 염증성 암 관련 섬유모세포 유전자 발현이 동시에 높은 대장암 3, 4단계 환자의 예후가 더 안 좋은 것을 확인하였다. 이를 통해, 대장암 환자에서 일탄소대사는 염증성 암 관련 섬유모세포와 양의 상관 관계를 가지고 상피간엽이행을 통한 전이를 일으키는 데 관여함을 알 수 있었다. 일탄소대사가 높은 섬유모세포는 CXCL12를 T 세포 및 대식세포와 같은 면역세포의 CXCR4 수용체와 결합하여 조절 T 세포 및 종양 연관 대식세포의 침윤 유도 가능성을 관찰했다. 마지막으로 CXCL12는 SNAI2, VIM과 같은 여러 상피간엽이행 유전자와 양의 상관 관계를 보였다. 우리의 결과는 일탄소대사는 대사 스트레스 상황에서 세포의 운명을 조절하거나 종양미세환경 구성성분 중 하나인 염증성 섬유모세포를 통해 상피간엽이행을 촉진시키는 등 종양형성에 대한 잠재적 역할을 지님을 입증한다. 즉, 일탄소대사는 난치성 암에서 항암 효과를 높여 환자의 생존율을 높일 수 있는 치료적 타겟이 될 수 있다.