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Plumbagin reduction by thioredoxin reductase 1 possesses synergy effects with GLUT1 inhibitor on KEAP1-mutant NSCLC cells - 16/01/22

Doi : 10.1016/j.biopha.2021.112546 
Shibo Sun a, Yue Zhang a, Weiping Xu b, Rui Yang a, Yijia Yang a, Jianli Guo a, Qiang Ma c, Kun Ma a, Jie Zhang d, Jianqiang Xu a,
a School of Life and Pharmaceutical Sciences (LPS) & Panjin Institute of Industrial Technology (PIIT), Dalian University of Technology, Panjin 124221, China 
b School of Ocean Science and Technology (OST) & Key Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering of MOE, Dalian University of Technology, Panjin 124221, China 
c Chinese Academy of Inspection and Quarantine, Beijing 100176, China 
d Department of Cell and Molecular Pharmacology and Experimental Therapeutics, Medical University of South Carolina, Charleston, SC 29425, United States 

Corresponding author.

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Abstract

Thioredoxin reductase 1 (TrxR1 or TXNRD1) is a major enzyme in cellular redox regulation and is considered as a drug target for cancer therapy. Previous studies have reported that plumbagin caused reactive oxygen species (ROS)-dependent apoptosis via inhibiting TrxR1 activity or being reduced by TrxR1, leading to selectively cancer cell death. However, the mechanism of TrxR1-mediated redox cycling of plumbagin is obscure and the evidence for plumbagin targeting TrxR1 is still lacking. Herein, we demonstrated that TrxR1 catalyzed plumbagin reduction in both selenocysteine (Sec)-dependent and independent manners, and its activity relied on the intact N-terminal motif of TrxR1, but a high-efficiency reduction was supported by the C-terminal thiols. During the redox cycling of plumbagin, excessive ROS production was observed coupled with oxygen. Using LC-MS and TrxR1 mutants, we found that the Sec residue of TrxR1 was modified by plumbagin, which converted the enzyme from antioxidant to pro-oxidant. Furthermore, we evaluated the therapeutic potential of plumbagin in non-small cell lung cancer (NSCLC), and found that Kelch-like ECH-associated protein 1 (KEAP1)-mutant NSCLC cells, which possess constitutive nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (NRF2) activity, were insensitive to plumbagin; however, inhibition of glucose transporter 1 (GLUT1) by small-molecule BAY-876 or inhibiting glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PD) by 6-aminonicotinamide (6-AN) overcame the plumbagin-resistance of KEAP1-mutant NSCLC cells. Taken together, this study elucidated the pharmacological mechanism of plumbagin by targeting TrxR1 and revealed the synergy effect of plumbagin and BAY-876, which may be helpful for applying naphthoquinone compounds to chemotherapy, particularly for treating KEAP1-mutant NSCLC cells.

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Graphical Abstract




ga1

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Highlights

N-terminal redox motif is essential for TrxR1-mediated plumbagin redox cycling.
Se-deficiency mutation of TrxR1 supports the high-efficiency plumbagin reduction.
Plumbagin modifies the Sec498 site of TrxR1 and promotes the SecTRAPs generation.
Glucose limitation sensitizes NSCLC cells and overcomes their resistance to plumbagin.

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Abbreviations : TrxR or TXNRD, Trx or TXN, TRP14, SOD, SecTRAPs, SECIS, Sec or U, Cys or C, ROS, PPP, OXPHOS, NSCLC, NRF2, NADPH, KEAP1, GR, GLUT, DTNB, DNCB, 1, 6-AN, 9

Keywords : Thioredoxin reductase 1, Plumbagin, Naphthoquinone, KEAP1 mutation, Non-small cell lung cancer (NSCLC), Glucose limitation


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Vol 146

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