MACC1 regulates death receptor mediated apoptosis in solid cancers through STAT1/3 – Mcl-1 signaling

Abstract

Introduction: Apoptosis is a vital mechanism which is deregulated during cancer progression. Metastasis associated in colon cancer 1 (MACC1) was identified as a novel player in cancer progression. However, the role of MACC1 in death receptor mediated apoptosis regulation remains to be elucidated. Thus, we studied the impact of MACC1 expression on death receptor mediated apoptosis and its regulatory mechanisms in solid cancers. Methodology: Apoptosis induction in solid cancer cell lines was achieved using a Fas agonist antibody (CH11) or recombinant TRAIL treatment upon MACC1 knockdown. Cell viability analysis was performed by MTT assay; apoptosis was quantified by FACS and was confirmed by PARP and caspase activity analysis. Changes in signaling mechanism and key apoptotic protein expression was analyzed by Western blot. STAT signaling inhibition was achieved by Jak1/2 specific inhibitor (ruxolitinib) treatment. Mcl-1 overexpression and Bax/Bak knockout cell lines were used to study their importance in MACC1 signaling. Correlation analysis of MACC1 and Mcl-1 expression was performed in two publicly available (GEO database) cohorts of patient derived tumor specimens. Results: We showed that MACC1 knockdown enhances Fas mediated apoptosis in cancer cells. For the first time, our study provides evidence for STAT signaling as a target of MACC1. MACC1 knockdown drastically reduced STAT1 (Y701) and STAT3 (Y705) activating phosphorylation, thereby regulating the expression of its apoptosis targets Mcl-1 and Fas. Ruxolitinib treatment mimicked MACC1 knockdown mediated molecular signatures and apoptosis sensitization to Fas activation. Despite the increased Fas expression, the reduced Mcl-1 expression was instrumental in apoptosis sensitization. This reduced Mcl-1 mediated apoptosis sensitization was both Bax and Bak dependent. Additionally, MACC1 knockdown also increased TRAIL induced apoptosis. MACC1 overexpression enhanced STAT1/3 phosphorylation and increased Mcl-1 expression, which was abrogated by ruxolitinib. The central role of Mcl-1 was strengthened by the resistance of Mcl-1 overexpressing cells to apoptosis induction upon MACC1 knockdown. Importantly, the clinical relevance of Mcl-1 regulation by MACC1 was evidenced by their positive expression correlation in patient derived tumor specimens. Conclusions: Our study reveals a novel death receptor mediated apoptosis regulatory mechanism by MACC1 through modulated STAT1/3-Mcl-1-Bax/Bak axis. Therefore combining MACC1 inhibition with death receptor activation might be a novel therapeutic strategy to prevent solid cancer progression.

Apoptose ist ein grundlegender zellulärer Mechanismus, der in der Krebsentstehung oft dereguliert ist. MACC1 (Metastasis associated in colon cancer 1) wurde vor kurzem als eines der Schlüsselfaktoren der Tumorprogression und –metastasierung identifiziert. Das Ziel dieser Arbeit ist, den Einfluss von MACC1 auf die Regulation der extrinsischen, durch Todesrezeptoren vermittelten Apoptose in soliden Tumoren und die dabei involvierten Signalwege zu bestimmen. Wir konnten zeigen, dass die Verringerung der MACC1-Expression in Krebszelllinien die Fas-vermittelte Apoptose verstärkt. Diese Studie belegt zum ersten Mal, dass der Jak/STAT- Signalweg durch den Expressionsgrad von MACC1 reguliert werden kann. Die Verringerung der MACC1-Expression reduzierte gleichzeitig aktivierende Phosphorylierungen in STAT1 (Y701) und STAT3 (Y705). Die Änderungen im Phosphorylierungsstatus der STAT-Proteine bedingte auch die nachfolgende Expressionsregulation der Apoptose-assoziierten Zielgene Mcl 1 und Fas. Die Inhibition des Jak/STAT-Signalweges durch Ruxolitinib zeigte vergleichbare Muster in der Änderung der betrachteten Gene und der Sensitivierung gegenüber Fas-vermittelter Apoptose. Die Sensitivierung der Krebszelllinien gegenüber Apoptoseinduktion durch verringerte Mcl-1-Expression hing dabei von den beiden pro-apoptotischen Faktoren Bax und Bak ab. Die Verringerung der MACC1-Expression erhöhte auch die Sensitivität gegenüber TRAIL-induzierter Apoptose. Eine Überexpression von MACC1 erhöhte den Phosphorylierungsgrad von STAT1/3 und damit die Expression von Mcl 1. Dieser Effekt wurde durch Ruxolitinib inhibiert. Die hier beschriebene Expressionsregulation von MACC1 und Mcl 1 erhält dabei klinische Relevanz durch eine positive Expressionskorrelation in Tumorproben von Krebspatienten. In dieser Studie wurde ein bislang unbeschriebener Regulationsmechanimus der STAT1/3 - Mcl 1 - Bax/Bak - Signalkaskade identifiziert, bei dem eine Verringerung der MACC1-Expression Krebszelllinien gegenüber der Induktion extrinsischer Apoptose sensibilisiert. Eine Reduktion der MACC1-Expression in Krebspatienten, kombiniert mit der Induktion extrinsischer Apoptose, könnte eine neuartige Therapie zur Reduktion der Tumorprogression und –metastasierung darstellen.