α-Difluoromethylornithine Inhibits HIF-1α Expression in Human Cancer Cells

Abstract

Targeted inhibition of ornithine decarboxylase (ODC), a key enzyme of polyamine biosynthesis, by ɑ-difluoromethylornithine (DFMO) has shown anti-neoplastic activity in various cancer cells. However, the mechanism for the anticancer activity of DFMO is not fully understood. Several studies recently showed that DFMO suppressed tumor angiogenesis. Hypoxia inducible factor (HIF)-1α expression is elevated in many human cancers and HIF-1α expression is correlated with angiogenesis and tumorigenicity. In this study, DFMO inhibited HIF-1α protein expression under both normoxic and hypoxic conditions in MDA-MB231 human breast cancer cells and U87MG human glioma cancer cells without affecting HIF-1ɑ mRNA levels. DFMO decreased HIF-1ɑ protein expression through the suppression of de novo synthesis of HIF-1ɑ protein. ODC siRNA treatment inhibited HIF-1ɑ protein expression. Moreover, HIF-1ɑ protein inhibition induced by ODC siRNA was blocked by exogenous polyamines. These results suggest that DFMO exert its HIF-1ɑ inhibition through induction of polyamine depletion by inhibition of ODC activity. Taken together, these results suggest that DFMO inhibits HIF-1α protein expression through the suppression of the protein translation, which provides a new insight into a potential mechanism of the anti-cancer activities of DFMO.

Polyamine (putrescine, spermidine, spermine)은 암세포에서 세포의 생존 및 증식, 암화 과정에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. Polyamine 합성과정에 관여하는 중요한 효소인 ornithine decarboxylase (ODC)를 억제하는 ɑ-difluoromethyl ornithine (DFMO)은 여러 암세포에서 항암 효과를 가지고 있는 것으로 보고되었다. 최근 DFMO가 암 조직의 신생 혈관 생성을 억제 시킨다는 보고가 있으나 정확한 기전은 알려져 있지 않다. Hypoxia inducible factor (HIF)-1은 HIF-1α와 HIF-1β로 이루어진 이질이량체 단백질로 암 발생과 신생 혈관 형성에 연관이 있는 것으로 알려져 있으며, HIF-1α는 신경아세포종, 유방암을 포함한 다양한 조직에서 과발현 되어있으며, 저산소 상태, 성장인자, 암 유전자의 활성 등에 의해 유도된다고 알려져 있다. HIF-1α는 유전자 발현을 조절하는 전사인자로서 VEGF를 포함하는 많은 유전자의 발현을 조절한다고 알려져 있다. 이 연구에서는 DFMO가 HIF-1α 단백질의 발현에 미치는 영향을 MDA-MB-231 유방암 세포주와 U87MG 신경아세포종 세포주를 사용하여 조사하였다. DFMO는 MDA-MB-231과 U87MG 세포주에서 HIF-1α 단백질의 발현을 감소 시켰으나, HIF-1α 유전자의 mRNA 발현 변화는 유도되지 않았다. DFMO에 의한 HIF-1α의 발현감소는 prolyl hydroxylation 억제제인 DMOG와 26S proteasome 억제제인 MG132의 처리에서도 지속되었으며, metabolic labeling 실험에서도 DFMO에 의한 HIF-1α 합성 감소가 관찰되어 DFMO에 의한 HIF-1α 발현 억제는 유전자 전사가 아니라 단백질 합성 수준에서 이루어지는 것을 확인하였다. ODC siRNA를 이용하여 ODC 유전자의 발현을 억제 하였을 때 HIF-1α의 단백질 발현이 억제 되었으며, 이 억제는 polyamine을 첨가 하였을 때 다시 회복 되었다. 이러한 결과로 DFMO의 HIF-1α 발현억제는 ODC 단백질의 기능을 억제하여 이루어짐을 확인 하였다. 이러한 결과를 종합하면, DFMO는 단백질 합성 과정의 억제를 통하여 암세포에서 HIF-1α 발현을 감소시키고, 이는 DFMO에 의한 ODC 효소 활성 억제에 의해 유도되는 polyamine 합성 감소와 관련이 있는 것으로 생각된다.