The role of PARP1 in cancer has been extensively studied in the context of DNA repair, leading to clinical trials of PARP1 inhibitors in cancers defective in homologous recombination. However, the DNA repair-independent roles of PARP1 in carcinogenesis and metastasis, particularly in lung cancer metastasis, remain largely uncharacterized. Here, I report that PARP1 promotes lung adenocarcinoma relapse to the brain and bones by regulating several steps of the metastatic process in a DNA repair-independent manner. I find that PARP1 expression is associated with overall and distant metastasis-free survival in lung adenocarcinoma patients. Consistent with this, genetic knockdown and pharmacological inhibition of PARP1 significantly attenuated the metastatic potential of lung adenocarcinoma cells. Further investigation revealed that PARP1 potentiates lung adenocarcinoma metastasis by promoting invasion, anoikis resistance, extravasation, and self-renewal of lung adenocarcinoma cells and also by modifying the brain micro-environment. Finally, I identified S100A4 and CLDN7 as novel transcriptional targets and clinically relevant effectors of PARP1. Taken together, my study not only revealed previously unknown functions of PARP1 in lung adenocarcinoma metastasis but also delineated the molecular mechanisms underlying the pro-metastatic function of PARP1. Furthermore, these findings provide a foundation for the potential use of PARP1 inhibitors as a new treatment option for lung adenocarcinoma patients with elevated PARP1 expression.
폐 선암 전이 과정에서의 PARP1의 전이 강화 기능 연구
Poly (ADP-ribose) polymerase1 (PARP1)은 세포핵 내에 존재하는 단백질 중 하나로, ADP-ribose그룹을 PARP1 자체나 여러 표적 단백질에 옮기는 역할을 하는 효소이다. PARP1의 기능 중 가장 잘 알려진 것은 DNA 손상 복구기능으로, DNA 손상 시 PARP1은 그 DNA 손상을 가장 먼저 인식하고 DNA복구 시스템을 가동시키는 역할을 한다. PARP1의 이러한 기능과 관련하여 많은 연구들이 진행되어 왔으며, 특히 DNA 손상 상황에서 암 세포의 증식을 억제하는 효과를 나타내는 PARP1의 저해제가 암 치료제로 각광을 받아왔다. 그러나, DNA 복구 역할과 독립적인 PARP1의 역할에 대한 연구는 미흡한 실정이며, 특히 PARP1이 폐암의 전이과정에서 어떠한 기능을 수행하는지는 밝혀진 바가 없다.
본 연구에서는 폐암 환자의 임상 데이터 분석을 통해 PARP1의 발현 정도가 폐 선암 (Lung adenocarcinoma)환자의 전체 생존과 전이에 연관되어 있다는 것을 규명하였다. 폐암 환자 중 가장 큰 비중을 차지하고 있는 비소세포 폐암 (Non-small cell lung cancer)환자의 임상 데이터를 분석한 결과, PARP1의 mRNA발현은 비소세포 폐암의 유형 중 편평 상피 세포 암 (squamous cell carcinoma)과는 큰 연관성이 없는 반면, 폐 선암 환자 그룹에서는 PARP1의 발현이 높은 환자 그룹의 전체 생존율이 감소하는 경향을 나타냄을 확인하였다. 또한, PARP1의 발현이 높은 환자 그룹은 높은 전이 발생률을 나타내었으며, 이는 뇌나 뼈로의 전이 발생률과의 연관성을 보이고 폐로의 전이 발생률과는 상관이 없었다. 그리고 폐 선암 환자 샘플 중 원발성 종양 (primary tumor)과 전이 종양 (metastatic tumor)에서의 PARP1의 발현 정도를 비교하였을 시, 전이가 발생한 종양에서 PARP1의 발현이 증가하였다는 것을 확인하였다.
임상 데이터 분석을 기반으로 하여 PARP1이 폐 선암의 전이를 조절할 수 있는지 알아보기 위하여 폐 선암 세포에서 PARP1의 발현을 억제한 후 이종이식 실험을 한 결과, PARP1의 발현이 억제된 폐 선암 세포는 대조군에 비해 뼈와 뇌로의 전이 능력이 감소됨을 확인하였다. 또한 폐 선암 세포를 이종이식 한 후 PARP1 저해제를 처리해본 결과, 뼈로의 전이 역시 감소함을 확인하였다. 뼈와 뇌는 폐 선암의 가장 주된 이차 전이 기관이며, 이 기관들로의 전이는 폐 선암 환자의 가장 큰 사망원인이다. 이러한 결과를 통하여 PARP1이 폐 선암 전이 에서 그 과정을 강화하는 기능을 할 수 있으며, 따라서 PARP1 저해제가 폐 선암 전이를 억제하는 역할을 할 수 있음을 규명하였다.
PARP1이 폐 선암 전이를 강화함에 있어서 어떤 세포적 기전을 통하여 조절하는지 밝히기 위해 PARP1의 발현이 저해된 폐 선암 세포를 이용하여 다양한 세포 실험을 진행한 결과, PARP1의 발현이 저해된 폐 선암 세포는 (1) 세포 외 기질 침윤과 혈관 세포 통과 능력, (2) anoikis 저항성, (3) 자가 재생 능력 등이 감소됨을 확인하였다. 일차 암 발생 지점에서 이차 전이기관으로 종양세포가 전이되는 과정 중, 세포 외 기질과 혈관 세포를 통과하여 혈류에 합류하는 과정, 혈류와 같이 바닥에 부착되지 않는 상황에서의 세포 사멸인 anoikis에 대한 저항성, 그리고 아주 적은 군집으로부터 큰 군집을 형성할 수 있는 자가 재생 능력 등이 매우 중요한 과정이라 할 수 있는데, PARP1이 이 세 가지 과정을 통하여 폐 선암 세포의 전이 능력을 강화 시킴을 규명하였다.
PARP1이 폐 선암 전이를 조절하는데 관여하는 분자적 기전을 규명하기 위해 PARP1의 발현이 저해된 폐 선암 세포의 유전자 발현 분석을 한 결과, PARP1이 S100A4와 CLDN7의 유전자 발현을 조절함을 확인하였다. PARP1 저해제를 처리하여 S100A4와 CLDN7의 발현을 확인해본 결과 PARP1의 효소 기능이 두 유전자 발현 조절에 중요하다는 사실을 밝혔으며, PARP1이 이 유전자들의 프로모터 부분에 결합한다는 사실을 통하여 PARP1이 전사적 조절 (transcriptional regulation)을 통해 S100A4와 CLDN7의 발현을 조절함을 밝혔다. 이 두 유전자가 PARP1의 전이 기능을 매개하는 실행자가 될 수 있는지 검증하기 위해 PARP1의 발현이 저해된 폐 선암 세포에 두 유전자의 발현을 다시 유도한 결과, PARP1 발현 억제를 통하여 억제되었던 혈관 통과 능력, anoikis 저항성, 자가 재생 능력 등이 다시 회복됨을 확인하였다. 또한, S100A4는 anoikis 저항성을, CLDN7은 혈관 통과 능력을 각각 매개함을 규명하였고, 임상 데이터 분석을 통하여 S100A4와 CLDN7의 발현 역시 PARP1의 발현과 동일하게 폐 선암 환자의 전체 생존과 전이에 연관되어 있다는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 PARP1이 폐 선암 전이를 조절하는 새로운 기능을 규명하였다. 특히 PARP1이 폐 선암 세포에 anokis 저항성, 혈관 통과 능력, 자기 재생 능력 등을 부여함을 통해 폐 선암 전이를 촉진함을 밝혔고, 이를 DNA 복구 기능과는 구별된 S100A4와 CLDN7의 전사적 발현 조절을 통해 기능함을 새롭게 확인하였다. 이와 같은 결과는 PARP1 저해제가 PARP1 발현이 높아진 폐 선암 환자들의 전이 치료에 활용될 수 있다는 새로운 가능성을 제시하고 있다.
