Áhrif fléttuefnanna úsnínsýru og prótólichesterínsýru á orku- og fituefnaskipti í krabbameinsfrumum

Um helmingur krabbameinslyfja sem komið hafa á markað síðustu áratugi á rætur sínar að rekja til náttúrunnar. Fléttur, sem eru sambýli sveppa og þörunga eða blábaktería, hafa verið notaðar í alþýðulækningum við ýmiss konar kvillum frá örófi alda. Fyrri rannsóknir hafa sýnt að tvö hrein annars stigs efni, úsnínsýra (UA) og prótólichesterínsýra (PA) einangruð úr fléttunum hreindýramosa (Cladonia arbuscula) og fjallagrösum (Cetraria islandica) hafa margvísleg líffræðileg áhrif á frumur. UA er prótónuskutla og getur haft áhrif á himnuspennu í hvatberum og hindrað fjölgun og vöxt ýmissa krabbameinsfrumulína. PA er 5- og 12-lípoxygenasa hindri og hefur fjölgunarhemjandi áhrif á ýmsar gerðir krabbameinsfruma en lítil áhrif á eðlilegar frumur. Markmið þessa verkefnis var að kanna hvernig fjölgunarhemjandi áhrifum þessara efna er miðlað. Notaðar voru krabbameinsfrumulínur sem eru upprunnar úr brjósti, brisi og mergæxli ásamt eðlilegum bandvefsfrumum. Fjölbreyttum aðferðum var beitt við rannsóknir á áhrifum fléttuefnanna á ýmsa ferla og frumulíffæri í frumunum. Niðurstöðurnar gefa til kynna að UA skutli prótónum yfir himnur hvatbera og lýsósóma í brjóstakrabbameinsfrumum og trufli þannig sýrustigul sem leiðir til minnkunar í orkubúskap frumunnar. Fruman fær því ekki þá orku og efni sem hún þarf til að vaxa og fjölga sér. Einnig getur minnkun í orkubúskap haft áhrif á innanfrumu boðleiðir og hvatt til sjálfsáts. Meðhöndlun með UA leiðir til myndunar sjálfsátsbóla en ekki verður niðurbrot á innihaldsefnum frumunnar í lýsósómum líklega vegna truflunar á sýrustigli. Sjálfsátið nær því ekki að ganga alla leið. Líklegt er að fjölgunarhemjandi áhrif UA skýrist aðallega af prótónuskutlu eiginleikum þess. Rannsóknir á lípíð efnasambandinu PA gefa til kynna að vaxtarhemjandi áhrifum þess á bris- og mergæxlisfrumur sé ekki miðlað með hindrun á lípoxygenasa. Líklegt er að PA hafi áhrif snemma í stjórnun frumuhringsins og hindri mögulega beint DNA polýmerasa. PA hefur svipaða efnabyggingu og þekktur fitusýrusynþasa (FASN) hindri og niðurstöðurnar gefa til kynna að PA hindri FASN í brjóstakrabbameinsfrumum sem leiðir til minnkunar í umritun á HER2 viðtakanum og síðkominna áhrifa á vaxarboðleiðir í frumunni. Áhugavert er að sjá að verkunarmáti PA í krabbameinsfrumum virðist vera mun flóknari og fjölþættari en hjá UA og tengist að öllum líkindum efnafræðilegum eiginleikum fléttuefnisins að einhverju leyti. Niðurstöður samvirknitilrauna með fléttuefnin og þekkt krabbameinslyf gefa til kynna að samvirknin byggist bæði á sérkennum hvers krabbameins og mismunandi áhrifum þeirra á orku og efnaskipti í frumunni. Líklegt er að samvirknin geti einnig byggst á upptöku og dreifingu efnanna og áhrifum þeirra á boðleiðir í frumunni.Around half of all chemotherapeutic agents that have been marketed over the past decades are natural products or directly derived from them. Lichens, formed by symbiosis between fungi and green algae or cyanobacteria, have been used traditionally for centuries to treat various disorders. Previous data have shown that two pure secondary lichen metabolites, usnic acid (UA) and protolichesterinic acid (PA) isolated from Cladiona arbuscula and Cetraria islandica, respectively can exhibit several biological activities on cells. UA shuttles protons across membranes and affects the mitochondrial membrane potential. UA also has anti-proliferative and growth inhibitory effects on several cancer cell lines. PA inhibits 5- and 12-lipoxygenase and has antiproliferative effects on several cancer cells lines without effecting normal skin fibroblast. The main aim of this project was to try to understand the mechanisms that lie behind the anti-proliferative effects of the two lichen compounds. Breast-, pancreatic and multiple myeloma cancer cell lines along with normal fibroblasts were used for these studies. Various methods were used to estimate the effects of the two compounds on several pathways and cellular organelles. The results indicate that UA shuttles protons across mitochondrial and lysosomal membranes in breast cancer cells which disrupts the pH gradient. This can lead to decrease in cellular energy and therefore affect the ability of the cell to grow and proliferate. Also, a decrease in cellular energy can affect intracellular signalling pathways and initiate autophagy. Treatment with UA triggers formation of autophagosomes, however no degradation of the cytoplasmic contents occurs in the lysosomes, likely because of deregulated pH. Therefore the autophagic process is not completed. It is likely that the anti-proliferative effects of UA can be explained by its proton shuttling effects. Studies on the lipid compound PA indicate that its anti-proliferative effects are not associated with its lipoxygenase-inhibitory activity in pancreatic and myeloma cancer cells. It is likely that PA is affecting the cells at an early stage in the cell cycle possibly through direct inhibition of DNA polymerase. The chemical structure of PA is similar to a known fatty acid synthase (FASN) inhibitor and the results indicate that PA inhibits FASN in breast cancer cells leading to transcriptional repression of the HER2 receptor and secondary effects on major signalling pathways. Interestingly, the mode of action of PA seems to be more complex and diverse than for UA and is probably linked to its chemical properties. Results on synergism between the two lichen compounds and known cancer drugs suggest that the synergistic effects of these compounds are dependent on the characteristics of the cancer and how the compounds affect cellular metabolism. It is likely that the synergism is also based on the uptake and distribution of the compounds and their effects on cell signalling pathways.The Icelandic Research Fund, the University of Iceland Doctoral Fund and the University of Iceland Research Fund