Inhibition of Iron Regulatory Protein 2 Enhances Sensitivity to Irradiation by Regulating the DNA Damage Response (DDR) in Breast Cancer Cells

Abstract

Radiation therapy (RT) is a standard treatment of various tumor types, but many studies on RT are continued for enhancing radio-sensitivity and overcoming the radiation resistance. Iron is well known as an essential element for cell metabolism, including DNA damage response (DDR), the major mechanism of occurring therapeutic resistance. Iron regulatory protein 2 (IRP2) is a key factor for regulating iron homeostasis and anti-tumor effect of iron deficiency has been demonstrated. In this study, we found that the correlation between IRP2 expression and irradiation. We observed that IRP2 exhibited contrasting responses to radiation exposure in radiation sensitive (RS) group and relatively radiation insensitive (RR) group of breast cancer (BC) cells. The expression of IRP2, IRP1 and TFR were upregulated only in RR group, therefore, we hypothesized that the upregulation of IRP2 represents a 'resistance' response to radiation. Therefore, combined treatment of IRP2 inhibitor and RT proposed effective method for sensitizing radiation response. This study focuses on KS20226, a modified compound of KS20073 as a first-in-class IRP2 inhibitor, which exhibited anti-tumor effects in BC cells and potential as a ‘radio-sensitizer’. Through RNA-sequencing analysis of BC cells treated with KS20226, we confirmed that KS20226 induced mitochondrial dysfunction through the downregulation of DNA repair and the G2/M checkpoint pathway. In vitro experiments also revealed the suppression of RAD51 and BRCA1/2. Considering previous studies on BC cells and RT, which suggest that DDR and cell cycle arrest are key mechanisms leading to radiation resistance, we propose that KS20226 could enhance radiation sensitivity and overcome radiation resistance in BC. Therefore, we suggest that combining KS20226 treatment with RT could be a potential therapeutic strategy for overcoming radiation resistance in BC cells.

방사선 치료(RT)는 다양한 종류의 종양에 대한 표준 치료 방법이지만, 방사선 감수성의 향상과 방사선 저항성 극복을 위한 다양한 연구가 여전히 진행되고 있다. 철은 세포 대사, 특히 DNA 손상 응답 (DDR)을 포함한 주요 치료 내성 메커니즘의 필수 요소로 잘 알려져 있으며, iron homeostasis를 조절하는 핵심 요소인 iron regulatory protein 2 (IRP2)의 결핍에 대한 항암 효과가 입증되었다. 본 연구에서는 먼저 IRP2 발현과 방사선 간의 상관관계를 규명하였다. 방사선에 민감한(RS) 그룹과 상대적으로 방사선에 덜 민감한 (RR) 그룹의 유방암(BC) 세포에서 IRP2는 방사선 조사에 대해 대조적인 반응을 보였다. IRP2, IRP1 및 TFR의 발현은 RR 그룹에서만 상승하였기 때문에 IRP2의 상승은 방사선에 대한 '저항성' 반응을 유발한다고 가정했다. 따라서 IRP2 억제제와 RT의 병용 치료를 방사선 감수성을 증가시킬 수 있는 효과적인 방법으로 제시하였다. 우리는 이전의 연구에서 최초의 IRP2 억제제인 KS20073과 이의 항암 효과를 입증한 바가 있다. 나아가 이번 연구에서 KS20073의 modified compound인 KS20226이 BC 세포에서 항암 효과를 나타내고, 'radiation sensitizer'로의 잠재적 역할을 할 수 있다는 가능성을 보여주었다. KS20226로 처리된 BC 세포의 RNA-sequencing 분석을 통해 KS20226이 DNA repair 및 G2/M checkpoint 경로를 억제한다는 것을 확인했다. BC 세포와 RT에 관한 이전 연구들을 고려하면 DDR 및 세포주기 정지가 방사선 저항성 발생으로 이어지는 핵심 메커니즘으로 작용할 수 있으며, KS20226이 BC의 방사선 감수성을 증진시키고 방사선 저항성을 극복할 수 있는 치료제로서 사용될 수 있다. 따라서 KS20226와 RT의 병용 치료를 BC 세포에서 방사선 감수성을 증가시키고, 방사선 저항성을 극복하는 잠재적인 치료 전략으로서의 가능성으로 제시한다.