Skip to main content
Erschienen in: Annals of Surgical Oncology 8/2021

03.01.2021 | Translational Research

SIRT3-Mediated SOD2 and PGC-1α Contribute to Chemoresistance in Colorectal Cancer Cells

verfasst von: Masakatsu Paku, MD, Naotsugu Haraguchi, MD, PhD, Mitsunobu Takeda, MD, PhD, Shiki Fujino, MD, PhD, Takayuki Ogino, MD, PhD, Hidekazu Takahashi, MD, PhD, Norikatsu Miyoshi, MD, PhD, Mamoru Uemura, MD, PhD, Tunekazu Mizushima, MD, PhD, Hirofumi Yamamoto, MD, PhD, Yuichiro Doki, MD, PhD, Hidetoshi Eguchi, MD, PhD

Erschienen in: Annals of Surgical Oncology | Ausgabe 8/2021

Einloggen, um Zugang zu erhalten

Abstract

Background

Anticancer drugs generate excessive reactive oxygen species (ROS), which can cause cell death. Cancer cells can resist this oxidative stress, but the mechanism of resistance and associations with chemoresistance are unclear. Here, we focused on Sirtuin 3 (SIRT3), a deacetylating mitochondrial enzyme, in oxidative stress resistance in colorectal cancer (CRC).

Methods

To evaluate SIRT3-related changes in mitochondrial function, ROS (mtROS) induction, and apoptosis, we used the human CRC cell lines HT29 and HCT116 transfected with short-hairpin RNA targeting SIRT3 and small interfering RNAs targeting superoxide dismutase 2 mitochondrial (SOD2) and peroxisome proliferator–activated receptor γ coactivator-1 (PGC-1α). In 142 clinical specimens from patients with CRC, we also assessed the association of SIRT3 protein levels (high/low) and prognosis.

Results

SIRT3 expression correlated with mtROS generation and apoptosis induction in cells treated with anticancer agents. Suppressing SIRT3 increased mtROS levels and cell sensitivity to anticancer agents. SIRT3 knockdown decreased SOD2 expression and activity, and suppressing SOD2 also improved sensitivity to anticancer drugs. In addition, SIRT3 was recruited with PGC-1α under oxidative stress, and suppressing SIRT3 decreased PGC-1α expression and mitochondrial function. PGC-1α knockdown decreased mitochondrial activity and increased apoptosis in cells treated with anticancer drugs. In resected CRC specimens, high vs low SIRT3 protein levels were associated with significantly reduced cancer-specific survival.

Conclusions

SIRT3 expression affected CRC cell chemoresistance through SOD2 and PGC-1α regulation and was an independent prognostic factor in CRC. SIRT3 may be a novel target for CRC therapies and a predictive marker of sensitivity to chemotherapy.
Anhänge
Nur mit Berechtigung zugänglich
Literatur
1.
Zurück zum Zitat Colvin H, Mizushima T, Eguchi H, Takiguchi S, Doki Y, Mori M. Gastroenterological surgery in Japan: the past, the present and the future. Ann Gastroenterol Surg. 2017;1(1):5–10.CrossRef Colvin H, Mizushima T, Eguchi H, Takiguchi S, Doki Y, Mori M. Gastroenterological surgery in Japan: the past, the present and the future. Ann Gastroenterol Surg. 2017;1(1):5–10.CrossRef
2.
Zurück zum Zitat Takeda M, Koseki J, Takahashi H, et al. Disruption of endolysosomal RAB5/7 efficiently eliminates colorectal cancer stem cells. Cancer Res. 2019;79(7):1426–37.CrossRef Takeda M, Koseki J, Takahashi H, et al. Disruption of endolysosomal RAB5/7 efficiently eliminates colorectal cancer stem cells. Cancer Res. 2019;79(7):1426–37.CrossRef
3.
Zurück zum Zitat Hammond WA, Swaika A, Mody K. Pharmacologic resistance in colorectal cancer: a review. Ther Adv Med Oncol. 2016;8(1):57–84.CrossRef Hammond WA, Swaika A, Mody K. Pharmacologic resistance in colorectal cancer: a review. Ther Adv Med Oncol. 2016;8(1):57–84.CrossRef
4.
Zurück zum Zitat Schieber M, Chandel NS. ROS function in redox signaling and oxidative stress. Curr Biol. 2014;24(10):R453–62.CrossRef Schieber M, Chandel NS. ROS function in redox signaling and oxidative stress. Curr Biol. 2014;24(10):R453–62.CrossRef
5.
Zurück zum Zitat Tada-Oikawa S, Oikawa S, Kawanishi M, Yamada M, Kawanishi S. Generation of hydrogen peroxide precedes loss of mitochondrial membrane potential during DNA alkylation-induced apoptosis. FEBS Lett. 1999;442(1):65–9.CrossRef Tada-Oikawa S, Oikawa S, Kawanishi M, Yamada M, Kawanishi S. Generation of hydrogen peroxide precedes loss of mitochondrial membrane potential during DNA alkylation-induced apoptosis. FEBS Lett. 1999;442(1):65–9.CrossRef
6.
Zurück zum Zitat Murata M, Suzuki T, Midorikawa K, Oikawa S, Kawanishi S. Oxidative DNA damage induced by a hydroperoxide derivative of cyclophosphamide. Free Radic Biol Med. 2004;37(6):793–802.CrossRef Murata M, Suzuki T, Midorikawa K, Oikawa S, Kawanishi S. Oxidative DNA damage induced by a hydroperoxide derivative of cyclophosphamide. Free Radic Biol Med. 2004;37(6):793–802.CrossRef
7.
Zurück zum Zitat Kitahara T, Haraguchi N, Takahashi H, et al. Identification and characterization of CD107a as a marker of low reactive oxygen species in chemoresistant cells in colorectal cancer. Ann Surg Oncol. 2017;24(4):1110–9.CrossRef Kitahara T, Haraguchi N, Takahashi H, et al. Identification and characterization of CD107a as a marker of low reactive oxygen species in chemoresistant cells in colorectal cancer. Ann Surg Oncol. 2017;24(4):1110–9.CrossRef
8.
Zurück zum Zitat Liou G-Y, Storz P. Reactive oxygen species in cancer. Free Radic Res. 2010;44(5):479–96.CrossRef Liou G-Y, Storz P. Reactive oxygen species in cancer. Free Radic Res. 2010;44(5):479–96.CrossRef
9.
Zurück zum Zitat Someya S, Yu W, Hallows WC, et al. Sirt3 mediates reduction of oxidative damage and prevention of age-related hearing loss under caloric restriction. Cell. 2010;143(5):802–12.CrossRef Someya S, Yu W, Hallows WC, et al. Sirt3 mediates reduction of oxidative damage and prevention of age-related hearing loss under caloric restriction. Cell. 2010;143(5):802–12.CrossRef
10.
Zurück zum Zitat Qiu X, Brown K, Hirschey MD, Verdin E, Chen D. Calorie restriction reduces oxidative stress by SIRT3-mediated SOD2 activation. Cell Metab. 2010;12(6):662–7.CrossRef Qiu X, Brown K, Hirschey MD, Verdin E, Chen D. Calorie restriction reduces oxidative stress by SIRT3-mediated SOD2 activation. Cell Metab. 2010;12(6):662–7.CrossRef
11.
Zurück zum Zitat Torrens-Mas M, Hernández-López R, Oliver J, Roca P, Sastre-Serra J. Sirtuin 3 silencing improves oxaliplatin efficacy through acetylation of MnSOD in colon cancer. J Cell Physiol. 2018;233(8):6067–76.CrossRef Torrens-Mas M, Hernández-López R, Oliver J, Roca P, Sastre-Serra J. Sirtuin 3 silencing improves oxaliplatin efficacy through acetylation of MnSOD in colon cancer. J Cell Physiol. 2018;233(8):6067–76.CrossRef
12.
Zurück zum Zitat Shi T, Wang F, Stieren E, Tong Q. SIRT3, a mitochondrial sirtuin deacetylase, regulates mitochondrial function and thermogenesis in brown adipocytes. J Biol Chem. 2005;280(14):13560–7.CrossRef Shi T, Wang F, Stieren E, Tong Q. SIRT3, a mitochondrial sirtuin deacetylase, regulates mitochondrial function and thermogenesis in brown adipocytes. J Biol Chem. 2005;280(14):13560–7.CrossRef
13.
Zurück zum Zitat Vellinga TT, Borovski T, de Boer VC, et al. SIRT1/PGC1α-dependent increase in oxidative phosphorylation supports chemotherapy resistance of colon cancer. Clin Cancer Res Off J Am Assoc Cancer Res. 2015;21(12):2870–9.CrossRef Vellinga TT, Borovski T, de Boer VC, et al. SIRT1/PGC1α-dependent increase in oxidative phosphorylation supports chemotherapy resistance of colon cancer. Clin Cancer Res Off J Am Assoc Cancer Res. 2015;21(12):2870–9.CrossRef
14.
Zurück zum Zitat Kim B, Jung JW, Jung J, et al. PGC1α induced by reactive oxygen species contributes to chemoresistance of ovarian cancer cells. Oncotarget. 2017;8(36):60299–311.CrossRef Kim B, Jung JW, Jung J, et al. PGC1α induced by reactive oxygen species contributes to chemoresistance of ovarian cancer cells. Oncotarget. 2017;8(36):60299–311.CrossRef
15.
Zurück zum Zitat Guerra F, Arbini AA, Moro L. Mitochondria and cancer chemoresistance. Biochim Biophys Acta Bioenerg. 2017;1858(8):686–99.CrossRef Guerra F, Arbini AA, Moro L. Mitochondria and cancer chemoresistance. Biochim Biophys Acta Bioenerg. 2017;1858(8):686–99.CrossRef
16.
Zurück zum Zitat Brierley JG, Gospodarowicz MK, Wittekind, C, editors. The TNM classification of malignant tumours. 8. Oxford: Wiley; 2017. Brierley JG, Gospodarowicz MK, Wittekind, C, editors. The TNM classification of malignant tumours. 8. Oxford: Wiley; 2017.
17.
Zurück zum Zitat Zhang W, Hu X, Shen Q, Xing D. Mitochondria-specific drug release and reactive oxygen species burst induced by polyprodrug nanoreactors can enhance chemotherapy. Nat Commun. 2019;10(1):1704.CrossRef Zhang W, Hu X, Shen Q, Xing D. Mitochondria-specific drug release and reactive oxygen species burst induced by polyprodrug nanoreactors can enhance chemotherapy. Nat Commun. 2019;10(1):1704.CrossRef
18.
Zurück zum Zitat Xiong Y, Wang M, Zhao J, et al. SIRT3 is correlated with the malignancy of non-small cell lung cancer. Int J Oncol. 2017;50(3):903–10.CrossRef Xiong Y, Wang M, Zhao J, et al. SIRT3 is correlated with the malignancy of non-small cell lung cancer. Int J Oncol. 2017;50(3):903–10.CrossRef
19.
Zurück zum Zitat Cui Y, Qin L, Wu J, et al. SIRT3 enhances glycolysis and proliferation in SIRT3-expressing gastric cancer cells. PLoS One. 2015;10(6):e0129834.CrossRef Cui Y, Qin L, Wu J, et al. SIRT3 enhances glycolysis and proliferation in SIRT3-expressing gastric cancer cells. PLoS One. 2015;10(6):e0129834.CrossRef
20.
Zurück zum Zitat Huang S, Chen X, Zheng J, et al. Low SIRT3 expression contributes to tumor progression, development and poor prognosis in human pancreatic carcinoma. Pathol Res Pract. 2017;213(11):1419–23.CrossRef Huang S, Chen X, Zheng J, et al. Low SIRT3 expression contributes to tumor progression, development and poor prognosis in human pancreatic carcinoma. Pathol Res Pract. 2017;213(11):1419–23.CrossRef
21.
Zurück zum Zitat Dong XC, Jing LM, Wang WX, Gao YX. Down-regulation of SIRT3 promotes ovarian carcinoma metastasis. Biochem Biophys Res Commun. 2016;475(3):245–50.CrossRef Dong XC, Jing LM, Wang WX, Gao YX. Down-regulation of SIRT3 promotes ovarian carcinoma metastasis. Biochem Biophys Res Commun. 2016;475(3):245–50.CrossRef
22.
Zurück zum Zitat Liu C, Huang Z, Jiang H, Shi F. The sirtuin 3 expression profile is associated with pathological and clinical outcomes in colon cancer patients. Biomed Res Int. 2014;2014:871263.PubMedPubMedCentral Liu C, Huang Z, Jiang H, Shi F. The sirtuin 3 expression profile is associated with pathological and clinical outcomes in colon cancer patients. Biomed Res Int. 2014;2014:871263.PubMedPubMedCentral
23.
Zurück zum Zitat Rowe LA, Degtyareva N, Doetsch PW. DNA damage-induced reactive oxygen species (ROS) stress response in Saccharomyces cerevisiae. Free Radic Biol Med. 2008;45(8):1167–77.CrossRef Rowe LA, Degtyareva N, Doetsch PW. DNA damage-induced reactive oxygen species (ROS) stress response in Saccharomyces cerevisiae. Free Radic Biol Med. 2008;45(8):1167–77.CrossRef
24.
Zurück zum Zitat Mattiazzi M, Vijayvergiya C, Gajewski CD, et al. The mtDNA T8993G (NARP) mutation results in an impairment of oxidative phosphorylation that can be improved by antioxidants. Hum Mol Genet. 2004;13(8):869–79.CrossRef Mattiazzi M, Vijayvergiya C, Gajewski CD, et al. The mtDNA T8993G (NARP) mutation results in an impairment of oxidative phosphorylation that can be improved by antioxidants. Hum Mol Genet. 2004;13(8):869–79.CrossRef
25.
Zurück zum Zitat Coppedè F, Migliore L. DNA damage in neurodegenerative diseases. Mutat Res. 2015;776:84–97.CrossRef Coppedè F, Migliore L. DNA damage in neurodegenerative diseases. Mutat Res. 2015;776:84–97.CrossRef
26.
Zurück zum Zitat Nomura A, Dauer P, Gupta V, et al. Microenvironment mediated alterations to metabolic pathways confer increased chemo-resistance in CD133+ tumor initiating cells. Oncotarget. 2016;7(35):56324–37.CrossRef Nomura A, Dauer P, Gupta V, et al. Microenvironment mediated alterations to metabolic pathways confer increased chemo-resistance in CD133+ tumor initiating cells. Oncotarget. 2016;7(35):56324–37.CrossRef
27.
Zurück zum Zitat Mizutani S, Miyato Y, Shidara Y, et al. Mutations in the mitochondrial genome confer resistance of cancer cells to anticancer drugs. Cancer Sci. 2009;100(9):1680–7.CrossRef Mizutani S, Miyato Y, Shidara Y, et al. Mutations in the mitochondrial genome confer resistance of cancer cells to anticancer drugs. Cancer Sci. 2009;100(9):1680–7.CrossRef
28.
Zurück zum Zitat Pavlova NN, Thompson CB. The emerging hallmarks of cancer metabolism. Cell Metab. 2016;23(1):27–47.CrossRef Pavlova NN, Thompson CB. The emerging hallmarks of cancer metabolism. Cell Metab. 2016;23(1):27–47.CrossRef
29.
Zurück zum Zitat DeBerardinis RJ, Chandel NS. Fundamentals of cancer metabolism. Sci Adv. 2016;2(5):e1600200.CrossRef DeBerardinis RJ, Chandel NS. Fundamentals of cancer metabolism. Sci Adv. 2016;2(5):e1600200.CrossRef
30.
Zurück zum Zitat Cluntun AA, Lukey MJ, Cerione RA, Locasale JW. Glutamine metabolism in cancer: understanding the heterogeneity. Trends Cancer. 2017;3(3):169–80.CrossRef Cluntun AA, Lukey MJ, Cerione RA, Locasale JW. Glutamine metabolism in cancer: understanding the heterogeneity. Trends Cancer. 2017;3(3):169–80.CrossRef
31.
Zurück zum Zitat Lukey MJ, Katt WP, Cerione RA. Targeting amino acid metabolism for cancer therapy. Drug Discov Today. 2017;22(5):796–804.CrossRef Lukey MJ, Katt WP, Cerione RA. Targeting amino acid metabolism for cancer therapy. Drug Discov Today. 2017;22(5):796–804.CrossRef
32.
Zurück zum Zitat Tseng AH, Shieh SS, Wang DL. SIRT3 deacetylates FOXO3 to protect mitochondria against oxidative damage. Free Radic Biol Med. 2013;63:222–34.CrossRef Tseng AH, Shieh SS, Wang DL. SIRT3 deacetylates FOXO3 to protect mitochondria against oxidative damage. Free Radic Biol Med. 2013;63:222–34.CrossRef
33.
Zurück zum Zitat Tseng AH, Wu LH, Shieh SS, Wang DL. SIRT3 interactions with FOXO3 acetylation, phosphorylation and ubiquitinylation mediate endothelial cell responses to hypoxia. Biochem J. 2014;464(1):157–68.CrossRef Tseng AH, Wu LH, Shieh SS, Wang DL. SIRT3 interactions with FOXO3 acetylation, phosphorylation and ubiquitinylation mediate endothelial cell responses to hypoxia. Biochem J. 2014;464(1):157–68.CrossRef
34.
Zurück zum Zitat Ferber EC, Peck B, Delpuech O, Bell GP, East P, Schulze A. FOXO3a regulates reactive oxygen metabolism by inhibiting mitochondrial gene expression. Cell Death Differ. 2012;19(6):968–79.CrossRef Ferber EC, Peck B, Delpuech O, Bell GP, East P, Schulze A. FOXO3a regulates reactive oxygen metabolism by inhibiting mitochondrial gene expression. Cell Death Differ. 2012;19(6):968–79.CrossRef
35.
Zurück zum Zitat Marinkovic D, Zhang X, Yalcin S, et al. Foxo3 is required for the regulation of oxidative stress in erythropoiesis. J Clin Investig. 2007;117(8):2133–44.CrossRef Marinkovic D, Zhang X, Yalcin S, et al. Foxo3 is required for the regulation of oxidative stress in erythropoiesis. J Clin Investig. 2007;117(8):2133–44.CrossRef
36.
Zurück zum Zitat Olmos Y, Valle I, Borniquel S, et al. Mutual dependence of Foxo3a and PGC-1alpha in the induction of oxidative stress genes. J Biol Chem. 2009;284(21):14476–84.CrossRef Olmos Y, Valle I, Borniquel S, et al. Mutual dependence of Foxo3a and PGC-1alpha in the induction of oxidative stress genes. J Biol Chem. 2009;284(21):14476–84.CrossRef
37.
Zurück zum Zitat Borniquel S, García-Quintáns N, Valle I, et al. Inactivation of Foxo3a and subsequent downregulation of PGC-1 alpha mediate nitric oxide-induced endothelial cell migration. Mol Cell Biol. 2010;30(16):4035–44.CrossRef Borniquel S, García-Quintáns N, Valle I, et al. Inactivation of Foxo3a and subsequent downregulation of PGC-1 alpha mediate nitric oxide-induced endothelial cell migration. Mol Cell Biol. 2010;30(16):4035–44.CrossRef
Metadaten
Titel
SIRT3-Mediated SOD2 and PGC-1α Contribute to Chemoresistance in Colorectal Cancer Cells
verfasst von
Masakatsu Paku, MD
Naotsugu Haraguchi, MD, PhD
Mitsunobu Takeda, MD, PhD
Shiki Fujino, MD, PhD
Takayuki Ogino, MD, PhD
Hidekazu Takahashi, MD, PhD
Norikatsu Miyoshi, MD, PhD
Mamoru Uemura, MD, PhD
Tunekazu Mizushima, MD, PhD
Hirofumi Yamamoto, MD, PhD
Yuichiro Doki, MD, PhD
Hidetoshi Eguchi, MD, PhD
Publikationsdatum
03.01.2021
Verlag
Springer International Publishing
Erschienen in
Annals of Surgical Oncology / Ausgabe 8/2021
Print ISSN: 1068-9265
Elektronische ISSN: 1534-4681
DOI
https://doi.org/10.1245/s10434-020-09373-x

Weitere Artikel der Ausgabe 8/2021

Annals of Surgical Oncology 8/2021 Zur Ausgabe

Wie erfolgreich ist eine Re-Ablation nach Rezidiv?

23.04.2024 Ablationstherapie Nachrichten

Nach der Katheterablation von Vorhofflimmern kommt es bei etwa einem Drittel der Patienten zu Rezidiven, meist binnen eines Jahres. Wie sich spätere Rückfälle auf die Erfolgschancen einer erneuten Ablation auswirken, haben Schweizer Kardiologen erforscht.

Hinter dieser Appendizitis steckte ein Erreger

23.04.2024 Appendizitis Nachrichten

Schmerzen im Unterbauch, aber sonst nicht viel, was auf eine Appendizitis hindeutete: Ein junger Mann hatte Glück, dass trotzdem eine Laparoskopie mit Appendektomie durchgeführt und der Wurmfortsatz histologisch untersucht wurde.

Mehr Schaden als Nutzen durch präoperatives Aussetzen von GLP-1-Agonisten?

23.04.2024 Operationsvorbereitung Nachrichten

Derzeit wird empfohlen, eine Therapie mit GLP-1-Rezeptoragonisten präoperativ zu unterbrechen. Eine neue Studie nährt jedoch Zweifel an der Notwendigkeit der Maßnahme.

Ureterstriktur: Innovative OP-Technik bewährt sich

19.04.2024 EAU 2024 Kongressbericht

Die Ureterstriktur ist eine relativ seltene Komplikation, trotzdem bedarf sie einer differenzierten Versorgung. In komplexen Fällen wird dies durch die roboterassistierte OP-Technik gewährleistet. Erste Resultate ermutigen.

Update Chirurgie

Bestellen Sie unseren Fach-Newsletter und bleiben Sie gut informiert.

S3-Leitlinie „Diagnostik und Therapie des Karpaltunnelsyndroms“

Karpaltunnelsyndrom BDC Leitlinien Webinare
CME: 2 Punkte

Das Karpaltunnelsyndrom ist die häufigste Kompressionsneuropathie peripherer Nerven. Obwohl die Anamnese mit dem nächtlichen Einschlafen der Hand (Brachialgia parästhetica nocturna) sehr typisch ist, ist eine klinisch-neurologische Untersuchung und Elektroneurografie in manchen Fällen auch eine Neurosonografie erforderlich. Im Anfangsstadium sind konservative Maßnahmen (Handgelenksschiene, Ergotherapie) empfehlenswert. Bei nicht Ansprechen der konservativen Therapie oder Auftreten von neurologischen Ausfällen ist eine Dekompression des N. medianus am Karpaltunnel indiziert.

Prof. Dr. med. Gregor Antoniadis
Berufsverband der Deutschen Chirurgie e.V.

S2e-Leitlinie „Distale Radiusfraktur“

Radiusfraktur BDC Leitlinien Webinare
CME: 2 Punkte

Das Webinar beschäftigt sich mit Fragen und Antworten zu Diagnostik und Klassifikation sowie Möglichkeiten des Ausschlusses von Zusatzverletzungen. Die Referenten erläutern, welche Frakturen konservativ behandelt werden können und wie. Das Webinar beantwortet die Frage nach aktuellen operativen Therapiekonzepten: Welcher Zugang, welches Osteosynthesematerial? Auf was muss bei der Nachbehandlung der distalen Radiusfraktur geachtet werden?

PD Dr. med. Oliver Pieske
Dr. med. Benjamin Meyknecht
Berufsverband der Deutschen Chirurgie e.V.

S1-Leitlinie „Empfehlungen zur Therapie der akuten Appendizitis bei Erwachsenen“

Appendizitis BDC Leitlinien Webinare
CME: 2 Punkte

Inhalte des Webinars zur S1-Leitlinie „Empfehlungen zur Therapie der akuten Appendizitis bei Erwachsenen“ sind die Darstellung des Projektes und des Erstellungswegs zur S1-Leitlinie, die Erläuterung der klinischen Relevanz der Klassifikation EAES 2015, die wissenschaftliche Begründung der wichtigsten Empfehlungen und die Darstellung stadiengerechter Therapieoptionen.

Dr. med. Mihailo Andric
Berufsverband der Deutschen Chirurgie e.V.