Authors:	Zhao, Qiaoli
Title:	Molecular mechanisms of shikonin and its derivatives in cancer therapy
Online publication date:	22-Sep-2015
Year of first publication:	2015
Language:	english
Abstract:	The identification of molecular processes involved in cancer development and prognosis opened avenues for targeted therapies, which made treatment more tumor-specific and less toxic than conventional therapies. One important example is the epidermal growth factor receptor (EGFR) and EGFR-specific inhibitors (i.e. erlotinib). However, challenges such as drug resistance still remain in targeted therapies. Therefore, novel candidate compounds and new strategies are needed for improvement of therapy efficacy. Shikonin and its derivatives are cytotoxic constituents in traditional Chinese herbal medicine Zicao (Lithospermum erythrorhizin). In this study, we investigated the molecular mechanisms underlying the anti-cancer effects of shikonin and its derivatives in glioblastoma cells and leukemia cells. Most of shikonin derivatives showed strong cytotoxicity towards erlotinib-resistant glioblastoma cells, especially U87MG.ΔEGFR cells which overexpressed a deletion-activated EGFR (ΔEGFR). Moreover, shikonin and some derivatives worked synergistically with erlotinib in killing EGFR-overexpressing cells. Combination treatment with shikonin and erlotinib overcame the drug resistance of these cells to erlotinib. Western blotting analysis revealed that shikonin inhibited ΔEGFR phosphorylation and led to corresponding decreases in phosphorylation of EGFR downstream molecules. By means of Loewe additivity and Bliss independence drug interaction models, we found erlotinb and shikonin or its derivatives corporately suppressed ΔEGFR phosphorylation. We believed this to be a main mechanism responsible for their synergism in U87MG.ΔEGFR cells. In leukemia cells, which did not express EGFR, shikonin and its derivatives exhibited even greater cytotoxicity, suggesting the existence of other mechanisms. Microarray-based gene expression analysis uncovered the transcription factor c-MYC as the commonly deregulated molecule by shikonin and its derivatives. As validated by Western blotting analysis, DNA-binding assays and molecular docking, shikonin and its derivatives bound and inhibited c-MYC. Furthermore, the deregulation of ERK, JNK MAPK and AKT activity was closely associated with the reduction of c-MYC, indicating the involvement of these signaling molecules in shikonin-triggered c-MYC inactivation. In conclusion, the inhibition of EGFR signaling, synergism with erlotinib and targeting of c-MYC illustrate the multi-targeted feature of natural naphthoquinones such as shikonin and derivatives. This may open attractive possibilities for their use in a molecular targeted cancer therapy. Die Identifizierung molekularer Prozesse der Krebsentstehung und -prognose eröffnet zahlrahlreiche Möglichkeiten für zielgerichtete Therapien, welche Tumor-spezifischer und weniger toxisch sind als konventionelle Methoden. Ein wichtiges Beispiel ist der epidermale Wachstumsfaktor-Rezeptor (EGFR) und EGFR-spezifische Hemmstoffe (z.B. Erlotinib). Jedoch bleibt das Problem der Medikamentenresistenz auch bei zielgerichteten Therapien bestehen. Deshalb weden neue Kandidatensubstanzen und neue Strategien zur Verbesserung der Therapieeffizienz benötigt. Shikonin und seine Derivate sind zytotoxische Inhaltsstoffe der traditional chinesischen Heilpflanze Zicao (Lithospermum erythrorhizon). In dieser Dissertation untersuchten wir die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen der antitumoralen Wirkung von Shikonin und seinen Derivaten in Glioblastom- und Leukämiezellen. Die meisten Shikoninderivate zeigten eine starke Zytotoxizität gegenüber Erlotinib-resistenten Glioblastomzellen-besonders gegenüber U87.MGΔEGFR Zellen, welche einen deletions-aktivierten EGFR (ΔEGFR) exprimierten. Darüber hinaus wirkten Shikonin und einige Derivate zusammen mit Erlotinib synergistisch bei der Abtötung von U87.MGΔEGFR Zellen. Die Kombinationsbehandlung mit Shikonin und Erlotinib überwand die Resistenz dieser Zellen zu Erlotinib. Western-Blot Analysen zeigten, dass Shikonin die ΔEGFR-Phosphorylierung hemmte und dass die Phosphorylierung EGFR-nachgeschalteter Moleküle ebenfalls sank. Mittels Loewe Additivitäts- und Bliss unabhängige Medikamenten-Interaktions-Modellen fanden wir, dass Erlotinib und Shikonin (bzw. seine Derivate) gemeinsam die ΔEGFR-Phosphorylierung hemmten. Wir glauben, dass das der Hauptmechanismus ist, welcher für den Synergismus in U87.MGΔEGFR Zellen verantwortlich ist. In Leukämiezellen, welche kein EGFR exprimieren, wiesen Shikonin und seine Derivate sogar noch höhere Zytotoxizitäten auf, was auf die Existenz anderer Mechanimen hindeutet. Microarray-basierte Genexpressionsanalysen deckten den Transkriptionsfaktor c-MYC als gemeisam dereguliertes Molekül durch Shikonin und seine Detivate auf. Wie durch Western-Blot Analysen, DNA-Bindungs-Assays und molekulares Docking bestätigt wurde, banden und hemmten Shikonin und Derivate c-MYC. Weiterhin war eine Deregulation der ERK, JNK, MAPK und AKT Aktivität eng assoziiert mit einer c-MYC Reduktion. Dies weist auf eine Einbindung dieser Signalmoleküle in die Shikonin-gesteuerte c-MYC Inaktivierung hin. Zusammenfassend veranschaulicht die Hemmung von EGFR-Signalwegen, der Synergismus mit Erlotinib sowie die zielgerichtete Bindung an c-MYC die multi-Target Eigenschaften natürlich vorkommender Naphthochinone wie Shikonin und seine Derivate. Dies eröffnet attraktive Möglichkeiten für deren Gebrauch in der molekularen, zielgerichteten Krebstherapie.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1258
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-41661
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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