Identification and Study of Modulators of Anticancer Therapy Based on Proteotoxic Stress

Mgr. Tereza BUCHTOVÁ

Doctoral thesis

Abstract:

Proteotoxic stress (PS) is induced by damaged, unfolded, or aggregated proteins, which accumulate when the cell's chaperone or degradative capacity is overwhelmed. Defects in protein homeostasis are a typical phenomenon accompanying cancer cells, offering an effective therapeutic strategy as cancer cells are inevitably more vulnerable to PS due to accelerated protein requirements and increased aberrant protein production. Indeed, there are clinically used anticancer drugs targeting proteostasis. Interestingly, the anticancer effects of Disulfiram (DSF) - a drug initially developed to treat alcoholism which is now a hot candidate for oncology repurposing, are also attributed to interference with proteostasis. DSF's anticancer properties are attributed to its metabolite, bis-diethyldithiocarbamate-copper complex (CuET). Mechanistically, CuET induces aggregation of NPL4, an essential cofactor of the so-called VCP/p97-UFD1-NPL4 transferase complex. The complex is indispensable for processing proteins fixed in protein complexes and cellular structures. Thus, disulfiram, via its metabolite CuET represents a potentially effective and readily available anticancer drug. However, despite mechanistic rationale, multiple case reports, and promising preclinical results, disulfiram has shown less impressive results in clinical trials. One possible causation is explained in this work involving unaware drug-drug interaction. Namely, cancer patients often take various supplements to improve their therapy outcome or to attenuate the side effects. Unfortunately, they are introducing potential unwanted drug-drug interactions, which might decrease treatment efficacy. Such an effect is known for antioxidant dietary supplements hindering chemo-radiotherapy. Besides antioxidants, cannabis products have become very popular among cancer patients in recent years. Strikingly, in the search for modulators of CuET effectivity against cancer cells using a high-throughput screening approach, cannabidiol (CBD), one of the major cannabinoids present in a cannabis plant, scored as a potent CuET protectant. Detailed mechanistic insights presented in this work show that CBD induces the expression of metallothioneins, endogenous metal chelators, effectively protecting cells from CuET-mediated cytotoxic effects. This work might partially explain some of the inconclusive results of DSF's clinical trials and simultaneously exposes CBD and cannabis-based products as potentially dangerous modulators of ongoing anticancer therapy.

Abstract:

Proteotoxický stres (PS) je v buňkách způsoben poškozenými, chybně složenými nebo agregovanými proteiny. Ty se akumulují v okamžiku, kdy dojde k přetížení buněčných chaperonů a protein-degradačních mechanismů. PS patří mezi běžné jevy doprovázející rakovinu z důvodu zvýšené proteinové syntézy a akumulace aberantních proteinů. Cílení PS se tak nabízí jako efektivní strategie pro protinádorovou terapii. V současnosti existuje několik schválených léčiv interferujících s údržbou proteinové homeostázy a řada dalších je v klinickém testování. Jedním z nich je disulfiram (DSF) znám pod komerčním názvem Antabus. DSF je léčivo původně podávané k léčbě alkoholismu a nyní se stalo kandidátní látkou k léčbě rakoviny. Ukázalo se, že za jeho protinádorovými vlastnostmi stojí jeho metabolit CuET (molekula složená z jednoho iontu mědi a dvou molekul dietylditiokarbamátu). Mechanismus jeho účinku spočívá v agregaci a imobilizaci proteinu NPL4, nezbytného kofaktoru tvořící translokázový komplex s VCP/p97-UFD1. Celý komplex je nedílnou součástí údržby proteinů, které jsou například inkorporované do proteinových komplexů nebo pevných buněčných struktur. DSF tímto představuje potenciálně velmi efektivní protinádorovou terapii přímo cílící na proteinovou homeostázu. I přes to, že mechanismus působení je velmi účinný, což je podpořeno preklinickými studiemi i několika kazuistikami, výsledky v klinických protinádorových studiích nejsou úplně přesvědčivé. Jeden z možných důvodů je adresován v této práci. Onkologičtí pacienti se totiž snaží často podpořit protinádorovou léčbu, případně snížit její negativní účinky, užíváním různých terapeutických doplňků. Ty však mohou vést k nežádoucím lékovým interakcím, jak bylo dokázáno například pro antioxidanty ve spojení s chemo-radioterapií. Kromě různých antioxidantů jsou mezi onkologickými pacienty velmi populární i produkty z marihuany (Cannabis sativa L.). V této práci věnující se modulátorům biologické aktivity CuET, se za použití vysokokapacitního screenu podařilo identifikovat kanabidiol (CBD), jeden z převažujících členů kanabinoidních látek v marihuaně, jako látku interferující s biologickým účinkem CuET. Dále se podařil detailně objasnit mechanismus stojící za touto interferencí. Ukázalo se, že CBD vyvolává expresi metalothioneinů, endogenních chelátorů, které efektivně potlačují cytotoxický efekt CuET. Tato aktivita je pravděpodobně způsobena chelatací mědi z molekuly CuET. Výsledky práce tak mohou, alespoň částečně, vysvětlit nedostatečnost DSF v klinických studiích kde nebyla mapována exprese metalothioneinů ani souběžné užívání CBD. Zároveň varuje před CBD či marihuanovými produkty jakožto potenciálně nebezpečnými modulátory probíhající onkologické léčby.

Keywords

kanabidiol, metalothioneiny, CuET, NPL4, proteinové agregáty, proteotoxický stress, léková resistence

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 2. 2023

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. Martin Mistrík, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Medicine and Dentistry

Doctoral programme / field:
Medical Genetics / Medical Genetics