Modulation of polyamine metabolism as a chemopreventive strategy of phytochemicals in a cell culture model of colorectal cancers

Abstract

Resveratrol a natural occuring polyphenol present in red wine, peanuts and grapes, has been reported to exhibit a wide range of biological and pharmacological properties. In addition to cardioprotective and antiinflammatory effects, potent chemopreventive activities of resveratrol and its analogs in various carcinogenesis models are described and there has been a great deal of experimental effort directed toward defining these effects. We and others could previously demonstrate that resveratrol inhibits cell growth in several malignant cell lines via modulation of polyamine metabolism. In detail, resveratrol was shown to simultaneously inhibit biosynthetic ornithine decarboxylase (ODC) and activate catabolic spermine/spermidine acetyltransferase (SSAT). One aim of this work was to specify the underlying molecular mechanisms of resveratrol actions in colorectal cancer cells and especially to identify possible roles of transcription factor peroxisome-proliferator activated receptor gamma (PPARgamma) and the sphingolipid metabolite ceramide. Previous studies could demonstrate that ursolic acid (UA), a pentacyclic triterpene found in berries and plants, has antiproliferative as well as proapoptotic activities on cancer cells. The objective of this second project was to elucidate the underlying molecular mechanisms of these chemopreventive effects. On the basis of our findings, p38 MAPK as well as transcription factor PPARgamma can be considered as molecular targets of resveratrol in the regulation of cell proliferation and SSAT activity respectively in a cell culture model of colon cancer. Moreover, the results provide evidence for the involvement of ceramide de novo biosynthesis in resveratrol mediated inhibition of ODC activity. The observed reduction of cell growth of colon cancer cell lines after treatment with ursolic acid presumably results from a large increase in the number of apoptotic cells. The induction of the catabolic enzyme SSAT via PPARgamma-dependent mechanisms therby seems to present the major molecular target in the induction of programmed cell death. Due to these results the phytochemicals resveratrol as well as ursolic acid could show great chemopreventive and therapeutic potential in the treatment of colorectal cancers. Resveratrol (3, 4 , 5-Trihydroxy-trans-stilben) ist ein natürlich vorkommendes Polyphenol, welches vorwiegend in Trauben, Erdnüssen und Rotwein zu finden ist. Neben kardioprotektiven und antiinflammatorischen Wirkungen werden Resveratrol auch verschiedene chemopräventive Eigenschaften zugesprochen. In früheren Untersuchungen konnten wir bereits zeigen, dass Resveratrol die Hemmung des Zellwachstums in kolorektalen Karzinomzellen, zumindest teilweise, über die Modulation des Polyaminstoffwechsels vermittelt, zum einen über die Hemmung der bisynthetischen Ornithin Decarboxylase (ODC) und zum anderen über die Aktivierung der katabolen Spermidin/Spermin-Acetyltransferase (SSAT). Ein Ziel unserer weiterführenden Untersuchungen war es nun, die molekularen Mechanismen dieser Resveratrol-vermittelten Effekte genauer zu charakterisieren. Von besonderem Interesse waren dabei die mögliche Beteiligung des nukleären Transkriptionsfaktors Peroxisom-Proliferator aktivierter Rezeptor gamma (PPARgamma), sowie der Ceramide, eine zu den Lipiden zählende Untergruppe der Sphingolipide. Ursolsäure (UA) ist ein pentacyclisches Triterpen, das überwiegend in Beeren, Früchten, Kräutern und der natürlichen Wachsschicht von Äpfeln und Birnen zu finden ist. Neben antiinflammatorischen und hepatoprotektiven Wirkungen weisen epidemiologische Untersuchungen auch auf chemopräventive Effekte der UA hin. Ein weiteres Ziel war es daher, auch die molekularen Mechanismen dieser Effekte näher zu charakterisierenUnsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass sowohl die Aktivierung der p38 MAPK, als auch des Transkriptionsfaktors PPARgamma essentielle Ereignisse für die Resveratrol-vermittelte Induktion der katabolen SSAT darstellen. Des Weiteren scheint die Aktivierung der de novo Ceramidbiosynthese entscheidend an der Resveratrol-induzierten ODC-Hemmung beteiligt zu sein. Weitere Daten lassen darauf schließen, dass die wachstumshemmenden Effekte der Ursolsäure überwiegend durch Zunahme apoptotischer Zellen vermittelt werden. Die Apoptose wird dabei sowohl über extrinsische, als auch intrinsische Signaltransduktionswege induziert, wobei die PPARgamma-abhängige Aktivierung der SSAT eine zentrale Rolle einzunehmen scheint. Diese in vitro Daten weisen auf potente chemopräventive und -therapeutische Eigenschaften der natürlichen Pflanzeninhaltsstoffe Resveratrol und Ursolsäure hin und könnten daher vielversprechende Kandidaten in der Entwicklung neuer Therapiekonzepte in der Behandlung des kolorektalen Karzinoms darstellen.