Effect of p53 or hMLH1 status on the mechanisms of cytotoxicity of 7-hydroxystaurosporine (UCN-01) or irinotecan (CPT-11) in colorectal cancer cell lines

Abstract

Cellular stresses, such as DNA damage, lead to activation of two main responses, programmed cell death (apoptosis) and cell cycle arrest. The p53 tumor-suppressor protein has been recognized as a major determinant of both responses, since it is able to activate the intrinsic apoptotic pathway and to induce G1- and G2/M-phases arrest. The mismatch repair system (MMR) has been also described to be involved in induction of apoptosis and in mechanisms leading to G1- and G2/M-phase arrest. Sporadic colon carcinomas exhibit in 60-70% mutations in the p53 gene and in 15-20% a MMR-deficiency [1]. In the present work, the influence of these lesions on the cellular effects caused by 7-hydroxystaurosporine (UCN-01) or irinotecan (CPT-11) was investigated. For this purpose a colorectal carcinoma cell line HCT116 (which has the genotype p53+/+,hMLH1-) and the two derivative cell lines HCT116+ch3 (p53+/+,hMLH1+) and HCT116 p53-/- (p53-/-,hMLH1-) were used. 7-Hydroxystaurosporine (UCN-01), a new antitumor agent already evaluated in phase I clinical trial, induced in colon cancer cell lines G1-phase accumulation and apoptosis. The comparison between the HCT116 (hMLH1-) and the HCT116+ch3 (hMLH1+) cell lines showed that hMLH1+ cells underwent a stronger G1-phase arrest than hMLH1- cells. In hMLH1+ cells, the binding of the p27KIP1 protein to cdk2, the consequent inhibition of the cdk2 kinase activity, and the resulting hypophosphorylation of the retinoblastoma (Rb) protein were associated with the observed G1-phase arrest. A slow and caspase-independent apoptosis occurred in these cells after 8-10 days from the start of treatment. By contrast, a percentage of hMLH1- cells did not arrest in G1-phase but continued the cell cycle. Passage through S- and G2/M-phases of the cell cycle rendered these cells sensitive to immediate apoptosis induced by UCN-01. Moreover, inhibition of the mitogen-activated protein (MAP kinase) pathway through inhibition of MEK1/2 proteins, enhanced the immediate apoptosis caused by UCN-01 in hMLH1- cells but not in hMLH1+ cells. The p53 protein, whose effect on UCN-01 treatment was evaluated by comparing the isogenic cell lines HCT116 (p53+/+) and HCT116 p53-/- (p53-/-), was associated with a greater sensitivity to UCN-01, concomitant with induction of apoptosis. These data indicate: 1. UCN-01 induces a tight G1-phase arrest in hMLH1+ cells and a less complete G1-phase arrest, concomitant with apoptosis, in hMLH1- cells; 2. The stronger G1-phase arrest in hMLH1+ cells is associated with binding of p27KIP1 to cdk2, inhibition of the cdk2 kinase activity, and hypophosphorylation of Rb protein; 3. UCN-01 targets to apoptosis hMLH1- cells progressing through the S- and G2/M-phases of the cell cycle; 4. Inhibition of MEK1/2 proteins enhances UCN-01-induced apoptosis in hMLH1- cells; 5. Presence of p53 protein enhances UCN-01-induced apoptosis. Irinotecan (CPT-11), a recently introduced component of a standard chemotherapy for colorectal cancer, induces in colon cancer cell lines in vitro cell cycle arrest and apoptosis. CPT-11-treatment induced G2/M-phase arrest in all three cell lines investigated (p53+/+,hMLH1+; p53+/+,hMLH1-; p53-/-,hMLH1-). In the p53+/+,hMLH1+ cell line, the G2/M-phase arrest was maintained for at least twelve days. There was little concomitant apoptosis, but this was enhanced when the hMLH1 protein was absent. This enhanced apoptosis was accompanied by a shorter duration of the G2/M-phase arrest than in the hMLH1+ cell line. Partial abrogation of G2/M-phase arrest by caffeine enhanced apoptosis in both hMLH1+ and hMLH1- cells. By contrast, in the p53-/- cell line, the G2/M-phase arrest was terminated within 4 days. Termination of the G2/M-phase arrest was accompanied by a high level of apoptosis detectable through poly(ADP-ribose)polymerase (PARP) cleavage, DNA fragmentation, and by the appearance of cells with a DNA content <2N. The triggering of G2/M-phase arrest was accompanied in the three cell lines by a transient phosphorylation of cdc2, while the maintenance of the arrest in the p53+/+ cell lines was concomitant with the overexpression of p53 and p21CIP1 proteins, and consequently with the inhibition of cdc2 kinase activity. These data indicate: 1. CPT-11 induces long-term arrest in p53+/+ cells and a short-term arrest followed by apoptosis in p53-/- cells; 2. Triggering of the arrest is p53-independent, and is associated with a brief increase of phosphorylation of cdc2, while the p53-dependent maintenance of G2/M-phase arrest is associated with the inhibition of cdc2 kinase activity by p21CIP1; 3. Lack of hMLH1 protein enhances CPT-11-induced apoptosis. In sum, the cytotoxic effect and the mechanism of action of either drug, UCN-01 or CPT-11, is dependent on p53- and MMR- status. The understanding of the effects of genetic lesions in colon carcinoma cells on the mechanism of action of the chemotherapeutic drugs may help develop rational therapies adjusted to the p53- and MMR- status of the tumor.

Die Schädigung der DNA löst hauptsächlich zwei Reaktionen der Zelle aus: den programmierten Zelltod (Apoptose) und den Zellzyklusarrest. Das p53-Protein beeinflusst beide Reaktionen als Aktivator des intrazellulären Apoptoseweges und Regulator des G1- und G2/M-Arrestes des Zellzyklus. Die Beteiligung des Mismatch-Reparatursystems (MMR) an der Auslösung der Apoptoseinduktion sowie an G1- und G2/M-Arrest wurde ebenfalls beschrieben. Sporadische Coloncarcinome weisen in 60-70% Mutationen des p53-Gens und in 15-20% Defekte des MMR-Systems auf [1]. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss dieser beiden Läsionen auf die zellulären Effekte des 7-Hydroxystaurosporins (UCN-01) und des Irinotecan (CPT-11) untersucht. Dafür wurde die etablierte colorectale Zelllinie HCT116 (mit dem Genotyp p53+/+,hMLH1-), und die von ihr abgeleiteten Zelllinien HCT116+ch3 (p53+/+,hMLH1+) und HCT116 p53-/- (p53-/-,hMLH1-) benutzt. 7-Hydroxystaurosporin (UCN-01), ein neues Antitumor Agens, das sich in der Phase I der klinischen Testung befindet, induzierte in den Coloncarcinomzelllinien einen G1-Phasenarrest und Apoptose. Der Vergleich zwischen den Zelllinien HCT116 (hMLH1-) und HCT116+ch3 (hMLH1+) zeigte, dass die hMLH1+ Zellen einen stärkeren G1-Phasenarrest machten als die hMLH1- Zellen. In Der G1-Zellphasenarrest war in den hMLH1+-Zellen mit der Bindung des p27KIP1 Proteins an cdk2 und der resultierenden Inhibition der cdk2-Kinaseaktivität sowie der Hypophosphorylierung des Retinoblastoma (Rb)-Proteins assoziiert. Eine Caspase-unabhängige Apoptose folgte in diesen Zellen erst nach 8-10 Tagen. Demgegenüber waren hMLH1--Zellen nicht komplett arretiert, etwa 5% setzten den Zellzyklus fort. Während der S- sowie der G2/M-Phase waren diese Zellen gegenüber UCN-01 sensitiv und lösten Apoptose aus. Die Inhibition des Mitogen-aktivierten Kinase (MAP-Kinase)-Signalweges durch die Inhibition der Proteine MEK1/2 verstärkte die UCN-01 induzierte Apoptose in hMLH1- Zellen aber nicht in hMLH1+ Zellen. Der Vergleich der isogenen Zelllinien HCT116 (p53+/+) und HCT116 (p53-/-) nach Behandlung mit UCN-01 zeigte, dass das intakte p53-Protein die Sensitivität der Zellen gegenüber UCN-01 und die Apoptoseinduktion erhöht. Diese Daten zeigen: 1. UCN-01 induziert einen starken G1-Zellphasenarrest in hMLH1+ Zellen und einen weniger kompletten Arrest sowie Apoptose in den hMLH1--Zellen; 2. Der starke G1-Arrest in den hMLH1+ Zellen ist mit der Bindung von p27KIP1 an cdk2, Inhibition der cdk2 Kinaseaktivität und der Hypophosphorylierung des Rb- Proteins verbunden; 3. UCN-01 induziert Apoptose in hMLH1- Zellen während der S- und G2/M-Phase des Zellzyklus; 4. Inhibition der MEK1/2-Proteine potenziert die UCN-01-induzierte Apoptose in hMLH1--Zellen; 5. Intaktes p53-Protein potenziert UCN-01-induzierte Apoptose. Irinotecan (CPT-11), das seit kurzer Zeit als Komponente der Standardchemotherapie beim Coloncarcinom angewandt wird, induziert in Coloncarcinomzellen in vitro Zellzyklusarrest und Apoptose. Die Behandlung mit CPT-11 induzierte einen G2/M-Phasenarrest in den drei Modellzelllinien (p53+/+,hMLH1+; p53+/+,hMLH1-; p53-/-,hMLH1-). Der G2/M-Phasenarrest wurde in der p53+/+,hMLH1+ Zelllinie für mindestens zwölf Tage aufrechterhalten. Die Apoptose war gering und wurde durch die Abwesenheit des hMLH1-Proteins verstärkt. Die verstärkte Apoptose von einem kürzeren G2/M-Phasenarrest als in der hMLH1+ Zelllinie begleitet. Partielle Aufhebung des G2/M-Phasenarrests mittels Koffein verstärkte die Apoptose sowohl in den hMLH1+ als auch in den hMLH1--Zellen. In der p53-/--Zelllinie dagegen wurde der G2/M-Phasenarrest innerhalb von vier Tagen beendet. Die Terminierung des G2/M-Phasenarrests war von starker Apoptose begleitet, detektierbar durch Spaltung der poly(ADP-Ribose)Polymerase (PARP), DNA-Fragmentierung und durch die Detektion von Zellen mit einem DNA Gehalt < 2N. Die Auslösung des G2/M Phasenarrests erfolgte in allen drei Zelllinien gleichzeitig mit der transienten Phosphorylierung des cdc2 Proteins. Die Aufrechterhaltung des Arrestes in den p53+/+-Zellinien war mit der Überexpression der p53 und p21CIP1?Proteine und der Inhibition der cdc2 Kinaseaktivität durch p21 verbunden. Diese Daten zeigen: 1. CPT-11 induziert einen lanfristigen Arrest in den p53+/+ Zellen und einen kurzen Arrest, gefolgt von Apoptose in p53-/- Zellen; 2. Die Auslösung des Arrests ist p53-unabhängig und ist mit einer transienten Phosphorylierung des cdc2 Proteins verbunden, während die p53-abhängige Aufrechterhaltung des Arrests mit der Inhibition von cdc2 durch p21CIP1 assoziiert ist; 3. Die Abwesenheit des hMLH1 Proteins potenziert die CPT-11-induzierte Apoptose. Zusammenfassend, sind die zytotoxischen Effekte und der Wirkungsmechanismus des jeweiligen Chemotherapeutikums, UCN-01 bzw. CPT-11, von dem Status des p53-Proteins und des MMR-Systems abhängig. Die Kenntnisse des Einflusses der genetischen Läsionen in Coloncarcinomen auf die Wirkungsmechanismen der Chemotherapeutika kann zur Entwicklung neuer, Läsion- angepasster Therapieschemata beitragen.