LKB1 deficiency sensitizes cancer cells to oxidative stress

Increased oxidative stress is a common feature of cancer cells. Uncontrolled proliferation, in fact, requires a profound metabolic remodelling, accompanied by altered redox status. Moreover, reactive oxygen species (ROS) are involved in cell signalling, tumor growth and metastasis. Recent studies suggest that increased oxidative stress in cancer cells could be exploited for therapeutic purposes. Understanding biochemical mechanisms involved in ROS generation and maintenance of the cellular antioxidant potential raises the possibility of therapeutic targeting these pathways. In our study, we investigated the role of LKB1/AMPK pathway in response to oxidative stress. LKB1 is a serine threonine kinase whose germ-line mutations are associated with the Peutz-Jeghers syndrome and somatically mutated in certain tumor types, including non-small cell lung cancer (NSCLC) and cervical carcinoma. Through the activation of AMP-activated protein kinase (AMPK), LKB1 modulates both anabolic and catabolic metabolic processes. We observed that LKB1 reconstitution in LKB1-deficient cancer cells significantly reduced expression of NADPH oxidase 1 (NOX1), a ROS-producing enzyme. LKB1+ cells showed reduced endogenous oxidative stress and increased resistance to exogenous oxidative stress, induced by hydrogen peroxide, cisplatin or irradiation, compared to LKB1- cells. Moreover, we observed that AMPK inhibition sensitized LKB1+ cells to oxidative stress, whereas NOX1 inhibition reduced ROS generation and increased resistance to exogenous oxidative stress. In lung cancer samples, LKB1 mutations were strongly associated with loss of LKB1 protein but the LKB1 status was not associated with response to bevacizumab and platinum-based chemotherapy in advanced NSCLC patients. Overall, these results indicate that LKB1, via the activation of AMPK and the down-regulation of NOX1, confers resistance to oxidative stress and impairs response of cancer cells to some chemotherapeutics and irradiation in vitro.

Una caratteristica comunemente riscontrata nel cancro è un aumento dello stress ossidativo, rispetto al corrispondente tessuto sano. Infatti, la proliferazione incontrollata delle cellule tumorali richiede un importante rimodellamento metabolico, che si accompagna ad alterazioni dell’equilibrio redox. Le specie reattive dell'ossigeno (ROS) risultano, inoltre, coinvolte nelle vie di segnalazione cellulare, nella crescita tumorale e nella metastatizzazione del cancro. Recenti studi suggeriscono che l’aumento dello stress ossidativo possa essere sfruttato a scopi terapeutici, per eliminare selettivamente le cellule tumorali. La comprensione dei meccanismi molecolari che governano la produzione di ROS o il mantenimento del potenziale antiossidante delle cellule potrebbe, infatti, rendere possibile un’azione diretta su questi stessi meccanismi a scopo terapeutico. In questo lavoro di tesi abbiamo valutato il ruolo della via di segnalazione LKB1/AMPK nella risposta allo stress ossidativo. LKB1 è una serina/treonina chinasi, le cui mutazioni sono state associate alla sindrome ereditaria di Peutz-Jeghers; risulta, inoltre, mutata sporadicamente in alcuni tipi di cancro, tra cui il carcinoma polmonare non a piccole cellule (NSCLC) e il carcinoma della cervice uterina. Attraverso l’attivazione della chinasi AMPK, LKB1 modula sia processi anabolici, sia processi catabolici. I nostri dati hanno dimostrato come la re-introduzione di LKB1 in cellule tumorali LKB1-mutate riduce significativamente l’espressione della NADPH ossidasi 1 (NOX1), un enzima coinvolto nella produzione di ROS. Le cellule LKB1+ manifestano, inoltre, uno stress ossidativo endogeno ridotto, rispetto alle cellule LKB1-, che si accompagna ad un’aumentata resistenza allo stress ossidativo esogeno, indotto dal perossido di idrogeno, dal cisplatino o dall’irradiazione. Abbiamo osservato che l’inibizione di AMPK porta ad una sensibilizzazione delle cellule LKB1+ allo stress ossidativo, suggerendo che la loro ridotta sensibilità sia mediata da AMPK; inoltre, l’inibizione di NOX1 nelle cellule LKB1- si accompagna ad una ridotta produzione di ROS e ad una maggiore resistenza allo stress ossidativo. Infine, in campioni di carcinoma polmonare, le mutazioni di LKB1 sono risultate fortemente associate alla perdita della proteina LKB1; tuttavia, lo status di LKB1 non è risultato associato alla risposta al bevacizumab o alla chemioterapia con derivati del platino in pazienti affetti da NSCLC avanzato. Nel loro insieme, questi risultati indicano che LKB1, attraverso l’attivazione di AMPK e la ridotta espressione di NOX1, conferisce resistenza allo stress ossidativo nelle cellule tumorali, compromettendo la risposta ad agenti chemioterapici o all’irradiazione in vitro, i quali modulano l'equilibrio ossidativo della cellula.