Lung adenocarcinoma (LuAC) is the most common type of lung cancer, the leading cause of cancer-related mortality worldwide. Although there are several targeted therapies to treat LuAC patients, no effective treatments against KRAS, the most prevalent type of mutation in LuAC, are currently available. In addition, despite various inhibitors against epigenetic regulators are being evaluated in cancers, our understanding of whether and how specific mutations affect a cancer’s sensitivity to histone demethylase (KDM) inhibitors is limited. Here, we evaluated the effects of a panel of KDM) inhibitors on lung adenocarcinomas (LuAC) with various mutations. Interestingly, treatment of GSK-J4, the KDM5/6 inhibitor, segregates LuAC cell lines into sensitive and resistant groups and GSK-J4 sensitive cell lines commonly harbor KRAS mutation. Genome-wide RNA sequencing and H3K27me3-ChIP sequencing suggest GSK-J4 treatment in KRAS-mutated LuAC downregulates cell cycle progression genes with increased H3K27me3. In addition, GSK-J4 upregulated expression of genes involved in glutamine/glutamate transport and metabolism. In line with this, we observed GSK-J4 reduced cellular levels of glutamate, a key source of the TCA cycle intermediate $\alpha$-KG and of the anti-oxidant glutathione. Supplementation with an $\alpha$-KG analog or glutathione protected KRAS mutant LuAC cells from GSK-J4-mediated reductions in viability, suggesting GSK-J4 exerts its anti-cancer effects by inducing metabolic and oxidative stress. Importantly, KRAS knockdown in mutant LuAC lines prevented GSK-J4-induced decrease in glutamate levels and reduced their susceptibility to GSK-J4, while overexpression of oncogenic KRAS in wild-type LuAC lines sensitized them to GSK-J4. Collectively, this study uncovers a novel association between a genetic mutation and KDM inhibitor sensitivity and identifies the underlying mechanisms. Furthermore, this suggests GSK-J4 as a potential treatment option for cancer patients with KRAS mutations.
폐암은 암으로 인한 사망의 주요 원인이며, 폐 선암은 그 중 가장 큰 비중을 차지한다. 폐 선암 환자 치료를 위한 표적 치료제가 이용되고 있지만, 폐 선암에서 가장 흔히 나타나는 돌연변이인 KRAS를 표적으로 하는 효과적인 치료 방법은 현재까지 확인되지 않았다. 이와 더불어, 암의 발생과 진행에 관여하는 유전적, 후성유전학적 변이 및 그 억제제에 대한 연구는 많이 진행되어 왔지만, 유전적 변이와 히스톤 탈메틸화 효소 (KDM) 억제제 사이의 관계에 대한 이해는 아직 부족하다. 본 연구에서는 다양한 KDM 억제제를 여러 폐 선암 세포주에 처리해 효능을 봄으로써 KRAS 변이 세포주가 KDM5/6 억제제인 GSK-J4에 민감하게 반응하는 것을 확인했다. 유전체 수준의 RNA sequencing과 H3K27me3 ChIP sequencing을 통해서 KRAS 변이 폐 선암 세포주에 GSK-J4를 처리할 경우 세포 주기 진행에 관여하는 유전자의 발현이 줄어듦을 발견했다. 또한, KRAS 변이 세포주에 GSK-J4 처리 시 세포 내의 글루탐산이 줄어드는 것을 확인했으며, 이는 세포 내의 항산화 물질인 글루타치온과 TCA 회로 중간 산물인 $\alpha$-KG의 감소로 이어지는 것을 발견했다. 글루타치온 혹은 $\alpha$-KG의 보충으로 GSK-J4 민감도가 줄어드는 것 역시 확인함으로써 GSK-J4가 세포 내의 대사적, 산화적 스트레스를 통해 폐 선암 세포의 생존을 감소시키는 것을 확인했다. 마지막으로 KRAS 변이 세포주에서 KRAS를 knockdown할 경우 GSK-J4에 의한 글루탐산 감소 현상이 줄어들고 GSK-J4 감수성이 감소하는 것을 확인했으며, KRAS 야생형 세포주에서 발암성 KRAS를 과발현시킬 경우 반대 작용이 일어나는 것을 발견했다. 결론적으로 본 연구에서 유전적 변이와 KDM 억제제 민감도 사이의 관계와 그 기전에 대해 새롭게 규명했으며 이를 통해 KRAS 변이를 가진 암 환자에 대한 잠재적 치료 방법을 제시했다.
