NRF2 promotes ferroptosis sensitivity in temozolomide-resistant glioblastoma cells through MRP1/ABCC1 regulation

1.논문 제목: NRF2 promotes ferroptosis sensitivity in temozolomide-resistant glioblastoma cells through MRP1/ABCC1 regulation

2.저자명: Isabela de Souza, Luiza K. S. Moreira, Camila B. Gomes, Marina T. Andrade, Bruna C. Carvalho, Mariana M. Silva, Bruno F. M. M. Pereira, Mariana T. Latancia, Daniela Menck, Marcelo Lancellotti, Luiz R. G. Gomes, C. R. R. Rocha

3.Publish: July 1, 2022

4.DOI: 10.1038/s41419-022-05044-9

5.Abstract: Glioblastoma frequently develops resistance to temozolomide (TMZ), limiting treatment efficacy. NRF2 is generally considered an antioxidant transcription factor that protects cancer cells from oxidative stress and ferroptosis. However, this study demonstrates a paradoxical role of NRF2 in TMZ-resistant glioblastoma. Using TMZ-sensitive U251MG and TMZ-resistant T98G cells, the authors found that T98G cells expressed higher levels of NRF2 and its downstream target ABCC1/MRP1, making them unexpectedly more susceptible to ferroptosis induced by Erastin or RSL3. Mechanistically, NRF2 upregulated MRP1, which promoted glutathione (GSH) efflux. When cystine uptake was blocked by Erastin, intracellular GSH became severely depleted, GPX4 activity decreased, lipid peroxidation accumulated, and ferroptotic cell death occurred. In contrast, U251MG cells maintained GSH through compensatory pathways and were resistant to ferroptosis, instead undergoing apoptosis after Erastin treatment. Clinical database analyses further showed that ABCC1 expression was elevated in high-grade gliomas and correlated with poor patient survival. These findings suggest that inducing ferroptosis may represent an effective strategy to eliminate TMZ-resistant glioblastoma, particularly in tumors with high NRF2/ABCC1 expression.

6.한글 초록 요약본: 교모세포종(GBM)은 표준 항암제인 Temozolomide(TMZ)에 대한 내성이 자주 발생하여 치료 효과가 크게 제한된다. 일반적으로 NRF2는 항산화 전사인자로 작용하여 세포를 산화스트레스로부터 보호하고 ferroptosis를 억제하는 것으로 알려져 있다. 그러나 본 연구에서는 TMZ 내성 세포에서 NRF2가 오히려 ferroptosis 감수성을 증가시킬 수 있다는 새로운 기전을 제시하였다. 연구진은 TMZ 감수성 U251MG와 TMZ 내성 T98G 세포를 비교한 결과, T98G에서 NRF2와 ABCC1(MRP1) 발현이 높았으며 Erastin과 RSL3 처리 시 ferroptosis가 쉽게 유도됨을 확인하였다. 이는 MRP1이 세포 내 glutathione(GSH)을 지속적으로 배출하여 Erastin 처리 시 GSH가 빠르게 고갈되고 GPX4 기능이 감소하면서 lipid ROS가 축적되기 때문이었다. 반면 U251MG는 GSH를 유지하는 보상기전을 통해 ferroptosis를 회피하고 apoptosis가 유도되었다. 또한 환자 데이터베이스 분석에서는 ABCC1 발현이 높은 교모세포종일수록 악성도가 높고 전체 생존기간이 짧았다. 따라서 NRF2-ABCC1 축은 TMZ 내성 GBM의 새로운 치료 표적이며, ferroptosis 유도 전략이 내성 극복에 활용될 가능성을 제시하였다.

 7-1. Introduction:

교모세포종은 가장 악성도가 높은 뇌종양으로, 현재 표준치료는 수술 후 방사선 치료와 TMZ 투여이다. 그러나 대부분의 환자는 TMZ 내성이 발생하여 재발하며 예후가 매우 불량하다. NRF2는 항산화 유전자 발현을 증가시켜 ROS를 제거하고 약물 내성을 유도하는 핵심 전사인자로 알려져 있다. 한편 ferroptosis는 철 의존성 세포사로 GSH와 GPX4가 감소하면 활성화된다. 기존에는 NRF2가 ferroptosis를 억제한다고 알려져 있었지만, 저자들은 NRF2의 표적 유전자인 ABCC1(MRP1)이 GSH를 세포 밖으로 배출한다는 점에 주목하였다. 이에 TMZ 내성 GBM에서 NRF2-ABCC1 축이 ferroptosis 감수성에 어떤 영향을 미치는지 규명하고자 하였다.

 7-2. Methods

연구진은 TMZ 감수성 U251MG와 TMZ 내성 T98G 세포주를 이용하였다. Erastin과 RSL3로 ferroptosis를 유도하고 Ferrostatin-1으로 이를 억제하였다. 세포 생존율(XTT assay), ROS와 lipid ROS(DCFDA, BODIPY-C11), GSH 농도, Western blot, RT-qPCR, caspase-3 분석 등을 수행하였다. 또한 NRF2와 ABCC1을 knockdown 또는 과발현하여 기능을 분석하였으며, CGGA, TCGA, REMBRANDT 데이터베이스를 이용해 ABCC1 발현과 환자 예후의 연관성을 평가하였다. Kaplan-Meier 생존분석과 Cox 회귀분석을 통해 ABCC1의 예후적 가치를 검증하였다.

 7-3. Results

TMZ 내성 T98G 세포는 U251MG보다 NRF2와 ABCC1(MRP1) 발현이 높았으며, Erastin과 RSL3 처리 시 ferroptosis에 훨씬 민감하게 반응하였다. Erastin 처리 후 T98G에서는 GSH가 급격히 감소하고 lipid ROS가 증가하였으며, Ferrostatin-1 처리 시 이러한 변화가 회복되어 ferroptosis가 확인되었다. 반대로 NRF2 또는 ABCC1을 억제하면 GSH 감소가 완화되고 ferroptosis 감수성이 감소하였다. 이는 NRF2가 ABCC1 발현을 증가시켜 GSH 유출을 촉진함으로써 ferroptosis를 유도한다는 것을 의미한다.

반면 TMZ 감수성 U251MG 세포에서는 Erastin 처리 후에도 GSH가 크게 감소하지 않았으며 ferroptosis 대신 apoptosis가 유도되었다. 활성화된 caspase-3 증가와 cleaved caspase-3 발현이 이를 뒷받침하였다. 저자들은 U251MG가 transsulfuration pathway 등 보상기전을 이용하여 cysteine과 GSH를 유지하기 때문이라고 해석하였다. 또한 환자 데이터 분석에서는 ABCC1 발현이 고등급 교종과 mesenchymal subtype에서 높았고, ABCC1 발현이 높은 환자는 전체 생존기간이 유의하게 짧았다. Cox 분석에서도 ABCC1은 독립적인 불량 예후 인자로 확인되었다. 따라서 NRF2-ABCC1 축은 TMZ 내성의 원인이면서 동시에 ferroptosis 유도에 취약한 약점(Achilles' heel)이 될 수 있으며, ferroptosis 유도가 TMZ 내성 교모세포종 치료 전략으로 활용될 가능성을 제시하였다.

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