Study of the genotoxicity mechanisms of all-trans retinoic acid and its analogue EA-4

Abstract

Vitamin A and its metabolites retinal and retinoic acid are important molecules for the regulation of normal cellular growth, differentiation and other important functions. Retinoids are known to exert mutagenic as well as antimutagenic activity, although conflicting reports are known. All-trans retinoic acid (ATRA) is used in the treatment of many diseases such as acne, psoriasis and ichthyosis. It is also used in differentiated therapy of acute promyelocytic leukemia; however, it is frequently observed that relapses occur when ATRA is prescribed as maintenance therapy. Τherefore, understanding the mechanism of action of ATRA in cells would be helpful in the development of high potent and low toxic chemotherapeutic agents. EA-4 is a newly synthesized steroidal analogue of ATRA and is considered as a promising agent for the inhibition of human leukemic cell growth. The study of genotoxicity is an important parameter for the design and development of new chemotherapeutic agents. Genotoxic effects of anticancer drugs in non-tumour cells are of special significance due to their possibility of inducing secondary tumours in cancer patients. Therefore, it is important to determine the genotoxic potential of a drug that will be used in chemotherapy, particularly in native human cells. Taking into consideration the above referred, it would be of interest to evaluate the genotoxic potential of EA-4 in comparison to ATRA, as to their ability to provoke micronucleus (MN) generation, due to both chromosome breakage and chromosome delay. Micronuclei originate from chromosome fragments or whole chromosomes, which lag behind at anaphase during nuclear division. According to our knowledge, there is no information on the ability of all-trans retinoic acid (ATRA) to induce micronucleus formation. To investigate the ability of ATRA and its steroidal analogue EA-4 to enhance micronucleation on human lymphocytes cultured in vitro, the Cytokinesis Block MicroNucleus (CBMN) assay was conducted. By this assay, the cytotoxic effect of the two retinoids was also estimated. To clarify the mechanism by which micronuclei are generated due to ATRA and EA-4 treatment, CBMN was combined with Fluorescence In Situ Hybridization (FISH) using an α-satellite pancentromeric probe to detect centromere inclusion and thus intact chromosome(s) in micronuclei or acentric chromosome fragments. ATRA and EA-4 were shown to be cytotoxic by decreasing CBPI (Cytokinesis Block Proliferation Index) to statistically significant levels in relation to untreated cells. A statistically significant increase in micronucleus frequency was also observed for both investigated compounds. ATRA generated micronuclei mainly via chromosome breakage while a mild effect on chromosome delay was also apparent. On the other hand, EA-4 generated micronuclei exclusively via chromosome breakage. To verify ATRA and EA-4 genotoxicity, micronucleation was investigated in a second biological system coming from a different organism, C2C12 mouse cells. Micronucleus analysis was achieved by α-tubulin/CREST immunostaining for the visualization of microtubules and the detection of kinetochore inside micronuclei and hence the inclusion of whole chromosome(s) or acentric chromosome fragments. Additionally the effect of ATRA and EA-4 on cell proliferation was investigated by the estimation of Mitotic Index (M.I.). We found that ATRA and EA-4 exertedcytotoxic activity in C2C12 mouse cells by reducing the cell proliferation rate at significant levels, as evaluated by the decrease of M.I. A statistically significant elevation in the frequency of interphase cells with micronuclei was shown. CREST analysis confirmed the clastogenic activity of the studied retinoids that was indicated in human lymphocytes. Micronucleation due to ATRA was mediated mainly by chromosome breakage and in a lesser extent by chromosome delay. EA-4 was shown to induce chromosome breakage as well as chromosome delay, as opposed to human lymphocytes at which only clastogenic effect was shown. These observations suggest that, ATRA and EA-4 are able to provoke chromosome fragmentation, but additionally and in a lesser extent to disturb chromosome segregation at anaphase due to chromosome lagging. Cell cycle analysis showed that ATRA and EA-4 accumulated cells at ana-telophase. The analysis of ana-telophases revealed micronucleation, nucleoplasmic bridges and multinucleation, phenomena that may explain the dual genetic activity of ATRA and EA-4. Multinucleated and multimicronucleated interphase cells were also apparent, the second ones generated due to both chromosome delay and breakage. To further investigate the mechanism of genotoxic activity of ATRA and EA-4 we proceeded our research on two axes based on their aneugenicity and clastogenicity. Thus we studied the effect of ATRA and EA-4: i) on the integrity of mitotic spindle, as a target of aneugens by using double immunofluorescence staining of β- and γ-tubulin in C2C12 mouse cell line, which is a convenient system to apply this experimental procedure, and ii) to investigate the ability of the studied retinoids to induce double-strand breaks on DNA by using neutral Single Cell Gel Electrophoresis (SCGE assay-Comet assay) in two different cell lines, C2C12 mouse cells and HL-60 human leukemic cells. Analysis of mitotic spindle has shown that the studied retinoids affect chromosome orientation during metaphase by inducing bipolar metaphases with noncongressed genetic material due to abnormal microtubule network. In addition defects on centrosome duplication and/or separation were observed due to the presence of monopolar metaphases. Ana-telophases as well as interphases with supernumerary centrosomes were also apparent. Additionally, interphase cells with abnormal microtubule network were observed. The above findings may explain aneugenic as well as clastogenic activity of the studied retinoids. Comet assay revealed that ATRA and its steroidal analogue EA-4 provoke DNA migration due to double strand DNA fragmentation in both C2C12 mouse cells and HL-60 human leukemic cells. EA-4 was shown to be the stronger inducer of DNA fragmentation. These results confirm the findings from FISH and CREST analysis indicating that the studied retinoids show high clastogenic activity. Taking into account the above, we may say that our findings clarify the cytotoxic and genotoxic activity of retinoic acid and the mechanism of its action by indicating its ability to induce chromosome breakage via double-strand DNA breaks and secondary its ability to provoke chromosome delay due to defects in microtubule network and mitotic spindle integrity.

Η βιταμίνη Α και οι μεταβολίτες της, ρετινόλη και ρετινοϊκό οξύ είναι ισχυροί παράγοντες για τη ρύθμιση σημαντικών λειτουργιών, όπως της κυτταρικής ανάπτυξης, διαφοροποίησης και άλλων. Τα ρετινοειδή είναι γνωστά για την μεταλλαξιγόνο αλλά και αντιμεταλλαξιγόνο δράση τους, αν και έχουν αναφερθεί αντικρουόμενα ευρήματα. Το all-trans ρετινοϊκό οξύ (ATRA) χρησιμοποιείται στη θεραπεία πολλών ασθενειών, όπως η ακμή, ψωρίαση, ιχθύωση, αλλά και στη θεραπεία κακοηθειών όπως η μυελογενής λευχαιμία. Συχνά σε περιπτώσεις όπου το ATRA αποτελεί τη βασική θεραπεία παρατηρούνται υποτροπιάσεις Έτσι, η κατανόηση του μηχανισμού δράσης του ATRA στα κύτταρα θα αποτελέσει χρήσιμο εργαλείο για την ανάπτυξη νέων, ισχυρών και μη-τοξικών θεραπευτικών παραγόντων προερχόμενων από αυτό. Το EA-4 είναι ένα πρόσφατα συντεθέν στεροειδικό ανάλογο του ATRA, που θεωρείται υποσχόμενος παράγοντας για την αναστολή της ανάπτυξης ανθρώπινων λευχαιμικών κυττάρων. Η μελέτη της γονιδιοτοξικότητας αποτελεί σημαντική παράμετρο για το σχεδιασμό και την ανάπτυξη νέων θεραπευτικών παραγόντων. Οι γονιδιοτοξικές επιπτώσεις αντικαρκινικών φαρμάκων σε μη-καρκινικά κύτταρα είναι ιδιαίτερης σημασίας, και αποτελούν πιθανή αιτία εμφάνισης δευτερογενών όγκων σε ασθενείς. Έτσι, είναι σημαντικό να μελετηθεί η γονιδιοτοξική δράση ενός φαρμάκου που θα χρησιμοποιηθεί στη χημειοθεραπεία. Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω, θεωρήθηκε ενδιαφέρον να εκτιμηθεί η γονιδιοτοξικότητα του EA-4 σε σύγκριση με το ATRA ως προς την ικανότητά τους να προκαλούν την εμφάνιση μικροπυρήνων (MN) είτε μέσω της χρωμοσωματικής θραύσης είτε μέσω της χρωμοσωματικής καθυστέρησης. Οι μικροπυρήνες προέρχονται από χρωμοσωματικά θραύσματα ή ολόκληρα χρωμοσώματα, τα οποία καθυστερούν κατά την ανάφαση της μείωσης ή της μίτωσης. Σύμφωνα με όσα μέχρι σήμερα γνωρίζουμε, δεν φαίνεται να υπάρχουν στοιχεία που αφορούν την ικανότητα του all-trans ρετινοϊκού οξέος (ATRA) να επάγει το σχηματισμό μικροπυρήνων. Για τη διερεύνηση της ικανότητας του ATRA και του στεροειδικού αναλόγου του EA-4 να επάγει την εμφάνιση μικροπυρήνων, πραγματοποιήθηκε η μέθοδος αναστολής της κυτταροκίνησης (CBMN assay) σε ανθρώπινα λεμφοκύτταρα in vitro. Με την ίδια μέθοδο εκτιμήθηκε και η κυτταροτοξικότητα των δύο ρετινοειδών. Για την διευκρίνιση του μηχανισμού δημιουργίας των μικροπυρήνων από τη δράση των ATRA και EA-4, η μέθοδος CBMN συνδυάστηκε με την in situ υβριδοποίηση με φθοροχρώματα (FISH) και χρήση α-δορυφορικού (α-satellite) πανκεντρομερικού ανιχνευτή για την επισήμανση του κεντρομέρους και την ανίχνευσή του σε μικροπυρήνες. Η παρουσία σήματος υβριδοποίησης στους μικροπυρήνες υποδηλώνει την ύπαρξη άθικτου χρωμοσώματος στο εσωτερικό τους. Το αντίθετο υποδεικνύει την παρουσία άκεντρου χρωμοσωματικού θραύσματος. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι και οι δύο χημικές ενώσεις προκαλούν στατιστικά σημαντική αύξηση της συχνότητας των μικροπυρήνων Το ATRA οδηγεί στην δημιουργία μικροπυρήνων κυρίως μέσω χρωμοσωματικής θραύσης, και σε ηπιότερο βαθμό μέσω χρωμοσωματικής καθυστέρησης. Αντίθετα, το EA-4 επάγει το σχηματισμό μικροπυρήνων αποκλειστικά μέσω χρωμοσωματικής θραύσης. Επίσης το ATRA και το EA-4 παρουσιάζουν ισχυρή κυτταροτοξικότητα, όπως φάνηκε από τη στατιστικά σημαντική μείωση του κυτταρικού δείκτη πολλαπλασιασμού (CBPI), σε σύγκριση με τις καλλιέργειες του μάρτυρα. Προκειμένου να επιβεβαιωθεί η γονιδιοτοξικότητα του ATRA και του EA-4, διερευνήθηκε η ικανότητά τους να προκαλούν αυξημένες συχνότητες μικροπυρήνων σε ένα δεύτερο βιολογικό σύστημα, την κυτταρική σειρά ποντικού C2C12. Η ανάλυση των MN πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο διπλού ανοσοφθορισμού α-τουμπουλίνης/CREST, για την ανίχνευση σήματος κινητοχώρου στο εσωτερικό του μικροπυρήνα κι έτσι την παρουσία ολόκληρου χρωμοσώματος. Επίσης, η κυτταροτοξικότητα τους διερευνήθηκε με την εκτίμηση του μιτωτικού δείκτη. Με τη ίδια μέθοδο αναλύθηκε η πρόοδος του κυτταρικού κύκλου. Παρατηρήθηκε ότι το ATRA και το EA-4 παρουσιάζουν κυτταροτοξική δράση στα κύτταρα C2C12 μειώνοντας το ρυθμό κυτταρικού πολλαπλασιασμού σε στατιστικά σημαντικά επίπεδα. Επιπλέον αποκαλύφθηκε στατιστικά σημαντική αύξηση της συχνότητας κυττάρων με μικροπυρήνες. Η επισήμανση του κινητοχώρου επιβεβαίωσε τη θραυσματογόνο δράση των υπό μελέτη ρετινοειδών που παρατηρήθηκε στα ανθρώπινα λεμφοκύτταρα. Η δημιουργία μικροπυρήνων μέσω του ATRA ήταν αποτέλεσμα κυρίως χρωμοσωματικής θραύσης και σε μικρότερη έκταση χρωμοσωματικής καθυστέρησης, σε συμφωνία με τα ευρήματα από τα πειράματα στις καλλιέργειες ανθρώπινων λεμφοκυττάρων. Αντίθετα, παρατηρήθηκε ότι το EA-4, πλην της ισχυρής θραυσματογόνου δράσης, προκαλεί και χρωμοσωματική καθυστέρηση. Οι παρατηρήσεις αυτές υποδεικνύουν ότι το ATRA και το EA-4 είναι ισχυροί θραυσματογόνοι παράγοντες, αλλά σε μικρότερο βαθμό είναι ικανοί να διαταράξουν και τον χρωμοσωματικό αποχωρισμό κατά την πυρηνική διαίρεση. Η μελέτη του κυτταρικού κύκλου έδειξε ότι τόσο το ATRA και όσο και το EA-4 προκαλούν καθυστέρηση συσσωρεύοντας τα κύτταρα στα στάδια ανάφασης και τελόφασης της πυρηνικής διαίρεσης. Κύτταρα που συσσωρεύονται στα παραπάνω στάδια χαρακτηρίζονται από την εμφάνιση πυρηνοπλασματικών γεφυρών, την παρουσία περισσότερων του ενός πυρήνων, αλλά και την παρουσία μικροπυρήνων, φαινόμενα τα οποία είναι σύμφωνα με τη διττή γενετική δράση των ATRA και EA-4. Επίσης, παρατηρήθηκαν πολυπύρηνα μεσοφασικά κύτταρα και μεσοφασικά κύτταρα με πολλαπλούς μικροπυρήνες, με τον δεύτερο τύπο κυττάρων να προέρχεται τόσο από χρωμοσωματική θραύση όσο και από χρωμοσωματική καθυστέρηση. Έτσι, φαίνεται ότι τα δύο υπό μελέτη ρετινοειδή μπορούν να χαρακτηρισθούν μόρια με θραυσματογόνες αλλά και ανευπλοειδογόνες ιδιότητες. Για τη λεπτομερέστερη ανάλυση του μηχανισμού δράσης του ATRA και του EA-4 σχεδιάσθηκαν πειράματα σε δύο βασικούς άξονες που αφορούσαν την περαιτέρω μελέτη τόσο της ανευπλοειδογόνου όσο και της θραυσματογόνου δράσης τους. Έτσι, μελετήθηκε η επίδραση του ATRA και του EA-4 αντίστοιχα ως προς: α) την ακεραιότητα της μιτωτικής συσκευής, η οποία αποτελεί κυτταρικό στόχο ανευπλοειδογόνων ενώσεων. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε στην κυτταρική σειρά C2C12, μέσω της μεθόδου διπλού ανοσοφθορισμού για τη β- και γ-τουμπουλίνη, δομικά στοιχεία των μικροσωληνίσκων και του κεντροσώματος, και β) την δημιουργία δίκλωνων ρηγμάτων στο DNA μέσω της μεθόδου ηλεκτροφόρησης μοναδιαίων κυττάρων (SCGE assay-Comet assay) σε δύο διαφορετικές κυτταρικές σειρές, στα κύτταρα ποντικού C2C12 και στα λευχαιμικά κύτταρα ανθρώπου HL-60. Τα αποτελέσματα μας έδειξαν ότι τα υπό εξέταση ρετινοειδή επηρεάζουν τον χρωμοσωματικό προσανατολισμό κατά τη μετάφαση με την εμφάνιση διπολικών μεταφάσεων με τα χρωμοσώματα μη-διατεταγμένα στο ισημερινό πεδίο, λόγω ανωμαλιών του δικτύου των μικροσωληνίσκων. Επίσης, φάνηκε ότι προκαλούν ανωμαλία στον πολλαπλασιασμό και πιθανοί στον αποχωρισμό των κεντροσωμάτων, παρατήρηση που δικαιολογείται από την παρουσία μονοπολικών μεταφάσεων, καθώς και ανά τελοφάσεων αλλά και μεσοφασικών κυττάρων με υπεράριθμο κεντροσωματικό αριθμό. Επιβεβαιώθηκε επίσης η επίδρασή τους στην πορεία του κυτταρικού κύκλου με συσσώρευση των κυττάρων στα στάδια ανάφασης-τελόφασης. Επιπρόσθετα, φάνηκε ότι το ΕΑ-4, στη μεγαλύτερη συγκέντρωση, διακόπτει τον κυτταρικό κύκλο στο στάδιο της μετάφασης. Παράλληλα, παρατηρήθηκε διαταραχή στη δομή του δικτύου των μικροσωληνίσκων. Όλα τα παραπάνω ευρήματα ερμηνεύουν τόσο την ανευπλοειδογόνο όσο και τη θραυσματογόνο δράση των δύο ρετινοειδών. Με τη μέθοδο ηλεκτροφόρησης μοναδιαίων κυττάρων δείχθηκε ότι το ATRA και το στεροειδικό του ανάλογο EA-4 προκάλεσαν τη δημιουργία «κομητών», δηλαδή πυρήνων με ανώμαλη μορφολογία μέσω του σχηματισμού δίκλωνων θραυσμάτων DNA. Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε τόσο στα κύτταρα ποντικού C2C12 όσο και στα λευχαιμικά κύτταρα ανθρώπου HL-60, με το EA-4 να παρουσιάζει ισχυρότερη επαγωγή θραύσης του DNA. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώνουν τα ευρήματα των μεθόδων FISH και CREST, υποδεικνύοντας ότι τα υπό εξέταση ρετινοειδή παρουσιάζουν ισχυρή θραυσματογόνο δράση. Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω, μπορούμε να ισχυριστούμε ότι τα ευρήματά μας διευκρινίζουν την κυτταροτοξική και γονιδιοτοξική δράση του ρετινοϊκού οξέος. Υποδεικνύουν ιδιότητες ισχυρώς θραυσματογόνων παραγόντων μέσω δημιουργίας δίκλωνων ρηγμάτων στο DNA των κυττάρων. Δευτερογενώς μπορούν να χαρακτηρισθούν ως ήπιες ανευπλοειδογόνες ενώσεις που προκαλούν ανώμαλο χρωμοσωματικό αποχωρισμό μέσω ανωμαλιών τόσο του δικτύου των μικροσωληνίσκων όσο και της ακεραιότητα της μιτωτικής συσκευής.