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Small molecules targeting the NADH-binding pocket of VDAC modulate mitochondrial metabolism in hepatocarcinoma cells - 27/05/22

Doi : 10.1016/j.biopha.2022.112928 
Kareem A. Heslop a, Pieter Burger a, Christiana Kappler b, Ashish K. Solanki d, Monika Gooz a, Yuri K. Peterson a, Catherine Mills a, Thomas Benton a, Stephen A. Duncan b, Patrick M. Woster a, Eduardo N. Maldonado a, c,
a Department of Drug Discovery & Biomedical Sciences, Medical University of South Carolina, Charleston, SC, USA 
b Regenerative Medicine and Cell Biology, Medical University of South Carolina, Charleston, SC, USA 
c Hollings Cancer Center, Medical University of South Carolina, Charleston, SC, USA 
d Nephrology Division, Medical University of South Carolina, Charleston, SC, USA 

Correspondence to: Department of Drug Discovery & Biomedical Sciences, Medical University of South Carolina, DD506 Drug Discovery Building, 70 President Street, MSC 139, Charleston, SC 29425, USA.Department of Drug Discovery & Biomedical Sciences, Medical University of South CarolinaDD506 Drug Discovery Building, 70 President Street, MSC 139CharlestonSC29425USA

Abstract

Voltage dependent anion channels (VDAC) control the flux of most anionic respiratory substrates, ATP, ADP, and small cations, crossing the outer mitochondrial membrane. VDAC closure contributes to the partial suppression of mitochondrial metabolism that favors the Warburg phenotype of cancer cells. Recently, it has been shown that NADH binds to a specific pocket in the inner surface of VDAC1, also conserved in VDAC2 and 3, closing the channel. We hypothesized that binding of small molecules to the NADH pocket, maintain VDAC in an open configuration by preventing closure induced by NADH and possible other endogenous regulators. We screened in silico, the South Carolina Compound Collection SC3 (~100,000 proprietary molecules), using shape-based queries of the NADH binding region of VDAC. After molecular docking of selected compounds, we physically screened candidates using mitochondrial membrane potential (ΔΨm), as an overall readout of mitochondrial metabolism. We identified SC18, as the most potent compound. SC18 bound to VDAC1, as assessed by a thermal shift assay. Short-term treatment with SC18 decreased ΔΨm in SNU-449 and HepG2 human hepatocarcinoma cells. Mitochondrial depolarization was similar in wild type, VDAC1/2, 1/3, and 2/3 double KO HepG2 cells indicating that the effect of SC18 was not VDAC isoform-dependent. In addition, SC18 decreased mitochondrial NADH and cellular ATP production; and increased basal respiration. Long-term exposure to SC18, decreased cell proliferation as determined by wound-healing and cell viability assays. In summary, SC18 is a novel VDAC-targeting small molecule that induces mitochondrial dysfunction and inhibits cell proliferation.

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Graphical Abstract

The small molecule SC18 regulates mitochondrial metabolism and promotes mitochondrial dysfunction by blocking the access of endogenous regulators to the NADH-binding site of VDAC. Sustained mitochondrial dysfunction decreases cell proliferation and promotes cell death.



ga1

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Highlights

VDAC is a major controller of mitochondrial metabolism.
VDAC closing contributes to suppress mitochondrial metabolism in Warburg phenotype.
The NADH-binding pocket in the inner wall of VDAC is conserved in all isoforms.
Small molecules targeting the NADH-binding pocket maintain the channel in an open configuration.
Sustained VDAC opening leads to mitochondrial dysfunction and cell death.

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Abbreviations : ΔΨm, Oxphos, SOR

Keywords : VDAC, Mitochondrial metabolism, Cancer, NADH-binding pocket, Mitochondrial dysfunction


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