background image

 
 

Cytotoxic  stress  caused  by  azalamellarin  D  (AzaD)  interferes  with  cellular  protein  translation  by 

targeting the nutrient-sensing kinase mTOR 

 

Tirawit  Meerod

1

,  Rapeepat  Sangsuwan

2

,  Kanawut  Klumthong

3

,  Bunkuea  Chantrathonkul

4

,  Nadgrita 

Phutubtim

1

,  Piyarat  Govitrapong

1

,  Somsak  Ruchirawat

3,4,5

,  Poonsakdi  Ploypradith

3,4,5

,  and  Pattarawut 

Sopha

1,5,*

 

 

1

Program  in  Applied  Biological  Sciences:  Environmental  Health,  Chulabhorn  Graduate  Institute,  906 

Kamphaeng Phet 6 Road, Lak Si, Bangkok 10210, Thailand 

2

Laboratory of Natural Products, Chulabhorn Research Institute, 54 Kamphaeng Phet 6 Road, Lak Si, Bangkok 

10210, Thailand

 

3

Program  in  Chemical  Sciences,  Chulabhorn  Graduate  Institute,  906  Kamphaeng  Phet  6  Road,  Lak  Si, 

Bangkok 10210, Thailand 

4

Laboratory  of  Medicinal  Chemistry,  Chulabhorn  Research  Institute,  54  Kamphaeng  Phet  6  Road,  Lak  Si, 

Bangkok 10210, Thailand 

5

Center  of  Excellence  on  Environmental  Health  and  Toxicology,  Office  of  the  Permanent  Secretary  (OPS), 

Ministry of Higher Education, Science, Research and Innovation (MHESI), Bangkok 10400, Thailand 

 

 

Running title: 

Azalamellarin D interferes with metabolic kinases. 

 

 

 

 

© The Author(s) 2024. Published by Oxford University Press on behalf of the Japanese Biochemical Society. 

All rights reserved. For Permissions, please email: journals.permissions@oup.com 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

* Corresponding author: 

Dr. Pattarawut Sopha 

Address: Program in Applied Biological Sciences: Environmental Health, Chulabhorn Graduate Institute, 906 

Kamphaeng Phet 6 Road, Lak Si, Bangkok 10210 Thailand. 

Email addresses: pattarawut@cgi.ac.th 

 

 

Abbreviations: 

4EBP1:  eukaryotic  initiation  factor  4E  binding  protein  1,  ATF4:  activating transcription  factor  4,  AzaChi: 

azalamellarin 

,  AzaD:  azalamellarin  D,  Bort:  bortezomib,  BSA:  bovine  serum  albumin,  cCasp:  cleaved 

caspase, CHOP: CCAAT enhancer binding protein homologous protein, CETSA: cellular thermal shift assay, 

COX4: cytochrome c oxidase subunit 4, cPARP: cleaved poly (ADP) ribose polymerase 1, DMSO: dimethyl 

sulfoxide,  eIF2ɑ:  eukaryotic  initiation  factor  2  alpha,  ER:  endoplasmic  reticulum,  ETC:  electron  transport 

chain,  FBS:  fetal  bovine  serum,  GCN2:  general  control  nonderepressible  2,  HRI:  heme-regulated  inhibitor, 

HRP:  horseradish  peroxidase,  IC

50

:  half  maximal  inhibitory  concentration,  ISR:  integrated  stress  response, 

KO: knockout, LamChi: lamellarin 

, LamD: lamellarin D, LC3: microtubule-associated protein 1 light chain 

3,  mTOR:  mechanistic  target  of  rapamycin,  NMR:  nuclear  magnetic  resonance,  PBS:  phosphate  buffered 

saline,  PERK:  PKR-like  ER  kinase,  PKR:  protein  kinase  R,  PMB:  para-methoxybenzyl,  PMSF: 

phenylmethanesulfonylfluoride,  S6K1:  ribosomal  protein S6  kinase  1,  SD:  standard  deviation,  SDS:  sodium 

dodecyl sulfate, SDS‒PAGE: sodium dodecyl sulfate‒polyacrylamide gel electrophoresis, ULK1: unc-51 like 

autophagy activating kinase 1, VDAC: voltage-dependent anion channel, WT: wildtype  

 

 

 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Abstract 

Analogs  of  pyrrole  alkaloid  lamellarins  exhibit  anticancer  activity  by  modulating  multiple  cellular 

events.  Lethal  doses  of  several  lamellarins  were  found  to  enhance  autophagy  flux  in  HeLa  cells,  suggesting 

that lamellarins may modulate protein homeostasis through the interference of proteins or kinases controlling 

energy  and  nutrient  metabolism.  To  further  delineate  molecular  mechanisms  and  their  targets,  our  results 

herein show that azalamellarin D (AzaD) cytotoxicity could cause translational attenuation, as indicated by a 

change in eIF2

 phosphorylation. Intriguingly, acute AzaD treatment promoted the phosphorylation of GCN2, 

a kinase that transduces the integrated stress response (ISR), and prolonged exposure to AzaD could increase 

the levels of the phosphorylated forms of eIF2

 and the other ISR kinase PKR. However, the effects of AzaD 

on ISR signaling were marginally abrogated in cells with genetic deletion of GCN2 and PKR, and evaluation 

of  protein  target  engagement  by  CETSA  revealed  no  significant  interaction  between  AzaD  and  ISR  kinases. 

Further  investigation  revealed  that  acute  AzaD  treatment  negatively  affected  mTOR  phosphorylation  and 

signaling.  The  analyses  by  CETSA  and  computational  modeling  indicated  that  mTOR  may  be  a  possible 

protein  target  for  AzaD.  These  findings  indicate  the  potential  for  developing  lamellarins  as  novel  agents  for 

cancer treatment.

 

 

Keywords:

 Lamellarin pyrrole alkaloids, Amino acid-sensing kinases, Cytotoxicity, Translational attenuation, 

Cancer 

 

 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Introduction 

Cancer  cells  adjust  their  metabolic  rate,  nutrient  consumption,  and  protein  synthesis 

via

  kinase-controlled 

cellular pathways to manipulate homeostasis and overcome microenvironmental stress (

1-3

). These metabolic 

pathways  not  only  benefit  proliferation  and  evade  the  programmed  cell  death  of  cancer  cells  but  also  have 

significant  functions  in  the  growth  and  survival  of  normal  cells  (

1,  2,  4

).  As  a  part  of  cellular  adaptation, 

protein  translation  is  initiated  by  phosphorylation  of  the  eukaryotic  translational  initiation  factor  2  (eIF2

alpha  subunit  at  serine  residue  51  (Ser-51),  which  is  catalyzed  by  kinases,  including  general  control 

nonderepressible  2  (GCN2),  protein  kinase  R  (PKR),  PKR-like  ER  kinase  (PERK),  and  heme-regulated 

inhibitor  (HRI),  in response  to amino  acid depletion, ER stress, double-stranded RNA, and heme deficiency, 

respectively  (

2,  5,  6

).  Under  severe  and  chronic  stress  conditions,  the  prolonged  accumulation  of 

phosphorylated  eIF2

  can  selectively  activate  the  translation  of  uORF-containing  mRNAs,  including 

transcription factor 4 (ATF4) and CCAAT enhancer binding protein (C/EBP)-homologous protein (CHOP), to 

trigger the integrated stress response (ISR) and relieve stress or terminate damaged cells 

via

 apoptosis (

2, 6

). 

Additionally, the homeostasis of protein synthesis and degradation can also be controlled at the initiation step 

of  protein  translation  by  regulating  the  phosphorylation  of  kinases,  specifically  mechanistic  target  of 

rapamycin (mTOR), which senses the levels of cellular energy and nutrients (such as ATP and amino acids) 

and  phosphorylates  the  target  proteins  involved  in  cap-dependent  protein  translation,  including  eukaryotic 

initiation factor 4E binding protein 1 (4EBP1) and the ribosomal protein S6 kinase 1 (S6K1) (

1

). In addition, in 

the presence of sufficient nutrients, mTOR can prevent lysosomal-mediated protein degradation or autophagy 

by phosphorylating UNC-51-like autophagy activating kinase 1 (ULK1) at Ser-757 (

7

). Modulating cancer cell 

growth 

via

 these important and elaborate pathways may assist in the discovery of novel anticancer therapeutics 

and options for combating cancer chemotherapeutic resistance. 

A  group  of  pyrrole  alkaloids  isolated  from  marine  organisms,  lamellarins,  possess  a  unique 

pentacyclic  framework  of  the  pyrroloisoquinoline  chromenone  with  a  non-fused  orthogonal  aromatic  ring  at 

C1 (Fig. 1A-C). Following the successful developments of their total syntheses, they have been demonstrated 

to be cytotoxic toward several cancer cell lines and have been studied for their biological activities to establish 

their  structure-activity  relationships  (

8,  9

).  Previous  studies  have  shown  that  some  lamellarins  can  inhibit 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

nuclear  and  mitochondrial  topoisomerases,  interfere  with  the  mitochondrial  electron  transport  chain  (ETC), 

and mediate apoptosis in caspase-dependent and caspase-independent manners (

8-10

). In addition, lamellarins 

were shown to inhibit several kinases related to cancer cell growth and proliferation (

11

), although the roles of 

these  kinases  in response  to lamellarin  exposure  have not  been determined at  the 

in vivo

  or  molecular  level. 

Although several cellular proteins have been proposed as putative targets for lamellarins, data on the molecular 

interactions  between  lamellarins  and  the  proposed  protein  targets  are  available  only  from  computational 

analyses (

9, 12

). Consequently, investigating how lamellarins affect cellular responses and the stress response 

machinery  of  cancer  cells  may  provide  valuable  information  for  the  development  of  anticancer  therapeutics 

based on lamellarin pharmacophores. 

Recently,  novel  evidence  suggested  that  treatment  with  lamellarin  D  (LamD)  in  HeLa  cells  could 

potentiate  cellular  stress,  leading  to  disturbed  mitochondrial  potential,  dysregulated  mitochondrial  dynamics, 

and  elevated  autophagy  flux  (

10

).  Intriguingly,  similar  results  with  greater  magnitudes  of  those  cellular 

responses  were  also  reported  in  cells  treated  with  synthetic  lamellarins  with  lactam  ring  substitution 

(azalamellarins), however, the role of lactone-to-lactam conversion is still unknown at the molecular level (

12-

14

).  Because  of  the  change  in  autophagy  flux  in  HeLa  cells,  lamellarin-mediated  cytotoxic  stress  was 

speculated  to  involve  the  interference  of  essential  kinase-controlled  metabolic  pathways.  In  this  study,  we 

evaluated the effects of azalamellarin D (AzaD) on the induction and function of signaling pathways associated 

with  nutrient  and translational  control, including  the ISR  and mTOR  pathway.  Information about  the protein 

targets of AzaD related to the ISR and mTOR signaling was also obtained. The effect of AzaD on metabolic 

signaling and its interaction with target kinases may provide important insights for the development of novel 

anticancer agents. 

 

Materials and methods 

Cell culture and chemical treatment 

Human cervical cancer (HeLa) and human hepatocellular carcinoma (Huh-7) cells were cultured in Dulbecco’s 

modified Eagle medium (DMEM) (HyClone, GE, USA) supplemented with 10% heat-inactivated fetal bovine 

serum  (FBS)  (HyClone,  GE,  USA)  in  a  humidified  incubator  at  37 

C  with  5%  CO

2

.  To  perform  the  cell 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

treatment experiments, the cultured cells were maintained under these conditions for 48 h before exposure to 

the designated compounds. 

The  chemical  stocks  of  lamellarins  and  other  compounds  were  prepared  and  diluted  in 

dimethylsulfoxide  (DMSO)  (Merck,  Germany),  and  the  evaluated  concentrations  were  directly  prepared  in 

DMEM containing FBS and antibiotics. Bortezomib or Bort (MedChemExpress, USA) was used to induce the 

downstream effectors of ISR. To investigate mTOR signaling inhibition, the specific mTOR inhibitors used in 

this study included torin2, torkinib, and rapamycin (MedChemExpress, USA). 

 

Chemical synthesis 

Lactam-containing  lamellarins  were  synthesized  as  previously  described  (

14

).  The  compounds  were  verified 

by  NMR  spectroscopy.  The mass spectrometry  data of azalamellarin 

  (AzaChi) and  its  derivatives  showing 

bulky groups on the N atom of the lactam ring are available in the supplemental materials.

 

 

Antibodies 

The following mouse and rabbit primary antibodies were used for western blotting in this study and purchased 

from Cell Signaling Technology, USA: anti-

-actin (#3700), anti-phospho-4EBP1 Thr37/46 (#2855), anti-Akt 

(#4691),  anti-phospho-Akt  Thr-308  (#13038),  anti-phospho-Akt  Ser-473  (#4060),  anti-cleaved  Caspase-3 

(#9664),  anti-cleaved  Caspase-9  (#52873),  anti-CHOP  (#2895),  anti-COX  IV  (#4850),  anti-cleaved  PARP 

(#5625),  anti-eIF2

  (#9722),  anti-phospho-eIF2

  Ser-51  (#3597),  anti-LC3A/B  (#12741),  anti-mTOR 

(#2983),  anti-phospho-mTOR  Ser-2448  (#5536),  anti-PERK  (#5683),  anti-phospho-S6K1  Thr-389  (#9234), 

anti-ULK1  (#8054),  anti-phospho-ULK1  Ser-757  (14202),  and  anti-VDAC  (#4661).  Additional  primary 

antibodies,  including  anti-

-tubulin  (32-2600),  anti-GCN2  (Ab134053),  anti-phospho-GCN2  Thr-899 

(Ab75836),  anti-PKR  (32506),  anti-phospho-PKR  Thr-446  (Ab32036),  and  anti-ATF4  (PA5-13293),  were 

obtained  from  Abcam,  UK,  and  Thermo  Fisher  Scientific,  USA.  The  HRP-conjugated  secondary  antibodies 

used  in  this  study  were  goat  anti-rabbit  IgG  (#7074)  and  horse  anti-mouse  IgG  (#7076)  from  Cell  Signaling 

Technology, whereas Alexa Fluor® 488-linked goat anti-rabbit IgG (ab150077, Abcam) was used for the flow 

cytometry detection of intracellular eIF2

-p. 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Protein preparation and western blotting

 

Protein extracts prepared from whole-cell lysates were sonicated as previously described (

10, 15

). The protein 

concentration was evaluated using the DC Protein Assay (Bio-Rad, USA) before adjusting to 1-2 

g/

L in 1× 

SDS‒PAGE buffer. 

The homogenized total protein lysates were then separated by SDS‒PAGE with 15–20 

of total protein per lane. Proteins were transferred to a nitrocellulose membrane (Bio-Rad, USA) using a wet 

blot transfer system. 

The proteins on the blotted membranes were detected using appropriate antibodies. The 

western  blot  signals  were  developed  using  Clarity  ECL  substrate  (Bio-Rad,  USA),  captured  using  a  G:box 

chemiluminescent detector (Syngene, India), and analyzed using the ImageJ/Fiji image analysis program (NIH, 

USA).  The  images  of  the  protein  bands  were  only  processed  with  the  level  parameter  in  the  ImageJ/Fiji 

application  before  being  used  in  the  figures.  Statistical  analysis  was  performed  using  Prism  9  (GraphPad, 

USA).  All  the  data  are  presented  as  the  mean  ±  standard  deviation  (SD),  and  a 

p

  value  of  less  than  0.05 

indicated statistical significance. 

 

CRISPR‒Cas9 genome editing with Cas9 nickases for GCN2 and PKR knockout 

GCN2 

and 

PKR 

gene  knockout  (KO)  HeLa  cells  were  generated  by  double-nickase  CRISPR‒Cas9  gene 

editing  with  Cas9  nickase  as  described  in  previous  literature  (

10

).  Oligonucleotides  targeting 

GCN2

  or 

PKR

 

gene  loci  (Supplementary  Table  S1)  were  cloned  and  inserted  into  the 

BbsI

  site  of  pSpCAS9n-2A-puro 

(PX462),  a  gift  from  Feng  Zhang  (Addgene  plasmid  #  62987;  http://n2t.net/addgene:62987; 

RRID:Addgene_62987).  The  recombinant  plasmids  were  verified  by  automated  DNA  sequencing  before 

transfection  of  HeLa  cells  with  Lipofectamine  LTX  (Invitrogen,  USA).  Successfully  transfected  cells  were 

selected in DMEM containing 1 μg/mL puromycin,  FBS, and antibiotics for 72 h.  Puromycin-resistant cells 

were cultured in a 100-mm culture plate, and the isolated clones were subsequently picked up by the agarose 

overlay  method  with  blunted  pipette  tips.  GCN2  and  PKR  knockout  were  finally  confirmed  by  western 

blotting.

 

 

Analysis by flow cytometry

 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Flow cytometry  analysis  in this study was  performed using  the Amnis

®

  FlowSight

®

  imaging  flow cytometry 

system (Luminex Corporation, USA). To analyze the intracellular level of eIF2

-p, HeLa cells were seeded in 

a 6-well plate at 6 

 10

5

 cells per well. Upon completion of cell treatment, the cells were detached by trypsin, 

fixed  in  2%  paraformaldehyde  (PFA)  in  1x  PBS  for  10  min,  and  permeabilized  in  ice-cold  methanol  for  10 

min.  The  cells  were  immediately  washed  three  times  in  1x  PBS  containing  1%  BSA  and  incubated  with  a 

phospho-specific antibody for eIF2

-p Ser-51 at a 1:1000 dilution in 1x PBS containing 1% BSA for 45 min at 

RT.  The  cells  were  washed  twice  with  1×  PBS  containing  1%  BSA  and  then  incubated  with  Alexa  Fluor® 

488-linked  goat  anti-rabbit  IgG  at  a  1:1000  dilution  and  300  nM  DAPI  for  45  min  at  RT.  The  stained  cells 

were washed twice in 1× PBS containing 1% BSA, resuspended in 1× PBS, and analyzed. 

 

Cell viability assay

 

To evaluate the cytotoxicity of lamellarin treatment, the viability of the treated cells was assessed by the ability 

of the cells to reduce the tetrazolium dye MTT reagent (3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium 

bromide). Cells were seeded at 2 

 10

4

 cells per well into a 96-well plate. Upon completion of treatment, the 

media were replaced with media containing 2.5 

g/

L MTT reagent, and the cells were incubated at 37 

C for 

3 h. The reactions were supplemented with 150 

L of MTT solvent (4 mM HCl, 0.1% NP-40 in isopropanol). 

The optical density absorbance at 590 nm (OD

590

) was measured and the cell viability was determined. 

 

Cellular thermal shift assay (CETSA)

 

A  CETSA  was  performed  to  evaluate  the  interaction  between  AzaD  and  target  proteins  (

16

).  Briefly,  HeLa 

cells were treated with AzaD for 20 min and harvested for solubilization in ice-cold NP-40 lysis buffer (0.4% 

NP-40, 50 mM Tris-HCl (pH 7.5), 150 mM NaCl, and 0.05% SDS) supplemented with 1 mM PMSF and 1x 

cOmplete

™ 

Protease  Inhibitor  Cocktail  (Roche,  Switzerland).  The  lysates  were  isolated  by  centrifugation  at 

20,000 ×g and 4 

C for 15 min. The clarified lysates were aliquoted for heating at the indicated temperatures 

for 5 min, and the insoluble fractions were removed by centrifugation at 20,000 ×g and 4 °C for 20 min. The 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

soluble protein fractions were diluted with 2× SDS sample loading buffer prior to western blot analysis with 

the indicated antibodies. 

 

Molecular docking

 

The  energy  of  LamD,  AzaD,  and  known  mTOR  ligands  (torin2  and  resveratrol)  was  minimized  using  the 

MM2 force field in Scigress software. The protein structure of mTOR with torkinib as the cocrystallized ligand 

(PDB:  4JT5)  was  obtained  from  the  Protein  Data  Bank  and  prepared by  removing  the  cocrystallized  ligand, 

removing  water  molecules,  adding  hydrogen  atoms,  and  adjusting  the  protonation  stage  according  to  pH 7.4 

using Discovery Studio software. The docking analysis was performed by GOLD software (version 5.8.1), and 

the  docking  scores,  represented  as  GoldScore  fitness,  were  used  to  rank  different  binding  modes.  The 

GoldScore  fitness  is  based  on  a  molecular  mechanics–like  function  in  which  factors  such  as  the  hydrogen 

bonding energy, van der Waals energy, metal interaction, and ligand torsion strain have been considered (

17

). 

Molecular docking was  carried out  with  the center  of  the binding pocket set according to the position of the 

cocrystallized ligand in the pocket (30 Å radius, x=-18.199276, y=-33.082009, z=-55.057455). The calculation 

was performed with 50 docking runs and 100% search efficiency. The higher the docking score is, the higher 

the probability that the compound binds to mTOR is. Discovery Studio software was used to visualize the 2D 

and  3D  binding  mode  results.  The  distance  and  dihedral  angle  (DHA)  of  H-bonds  between  ligands  and  key 

amino acid residues of the mTOR binding pocket were determined. 

 

Results 

HeLa  cervical  cancer  cells  treated  with  azalamellarin  D  (AzaD)  exhibit  cytotoxic  stress  associated  with 

multiple cellular events, including interference with autophagy, induction of apoptosis, and phosphorylation 

of the translational factor, eIF2

 .

 

Previous findings showed that modification of the lactone-to-lactam modification of the lamellarin framework 

could enhance its physicochemical and biological properties (

12-14

). Azalamellarin D (AzaD) was previously 

developed to replace the lactone ring of lamellarin D (LamD) with a lactam moiety (

13

) (Fig. 1A-B). The MTT 

assay results showed that AzaD treatment for 18 h effectively inhibited HeLa cell viability of more than 60% 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

at  concentrations  of  1–5 

M,  compared  to  35%  and  60%  inhibition  by  LamD  treatment  at  1  and  5 

M, 

respectively (Fig. 1D). However, the lactone ring is not the only structure that determines the cytotoxicity of 

lamellarin.  The  bonding  between  C5-C6  at  the  D-ring,  among  other  positions,  is  also  involved  in  mediating 

biological activities (

8, 9

). Lamellarin 

 (LamChi), which possesses a single bond instead of a double bond in 

the D ring, was less effective at inhibiting HeLa cell viability (~40% inhibition at 5 

M) than AzaD or LamD 

(Fig.  1C-D).  Previous  findings  have  also  indicated  that  LamD-mediated  cytotoxicity  is  correlated  with  the 

induction of intrinsic or mitochondrial apoptosis (

8, 9

). The HeLa cell lysates treated with LamD showed an 

accumulation of active executioner caspase-3 (cleaved caspase-3 - cCasp-3) and the cCasp-3 substrate nuclear 

poly (ADP) ribose polymerase-1 (cPARP), which can be detected in cells undergoing mitochondrial apoptosis 

(Fig. 1E-F and Supplementary Fig. S1). However, AzaD-treated lysates revealed a much greater accumulation 

of  cCasp-3  and  cPARP,  whereas  in  the  same  experiment,  treatment  with  LamChi  weakly  upregulated  these 

proteins  (Fig.  1E-  F  and  Supplementary  Fig.  S1).  Therefore,  lactone-to-lactam  modification  in  AzaD  has 

substantial effects on the biological activities of lamellarins. 

 

A previous study revealed that lamellarins can cause cytotoxicity 

via

 accelerated autophagy flux (

10

). 

The  ratio  of  microtubule-associated  protein  1  light  chain  3  (LC3)  from  soluble  LC3-I  to 

phosphatidylethanolamine  (PE)-conjugated  LC3-II  in  HeLa  cells  showed  that  LamD,  AzaD,  and  LamChi 

enhanced  autophagy  compared  to  DMSO  (Fig.  1G  and  Supplementary  Fig.  S1).  Autophagy  is  a  catabolic 

process  controlled  by  protein  kinases  in  response  to  nutrients  and  energy,  and  autophagic  flux  induction  is 

observed  under  the  suppression  of  protein  synthesis  (

3

18,  19

).  Moreover,  our  past  data  showed  that 

mitochondria are strongly affected by  cytotoxic lamellarins (

10

),  and several recent articles  revealed that the 

proteostasis  of  mitochondria  could  be  modulated  by  stress  stimuli  in  the  cytosol 

via

  the  integrated  stress 

response (ISR), a pathway that attenuates global translation (

6, 20

). We then determined the phosphorylation 

status  of  the 

  subunit  of  eukaryotic  translational  initiation  factor  2  (eIF2

)  at  Ser-51,  a  hallmark  of  ISR 

pathway activation. In the HeLa cells treated with AzaD for 6 h, we found that eIF2

 phosphorylation (eIF2

-

p)  was  more  than  10-fold  greater  than  that  in  DMSO-treated  cells,  and  LamD-treated  cells  exhibited 

approximately 3-fold induction, whereas LamChi treatment did not really affect the level of eIF2

-p (Fig. 1H 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

and  Supplementary  Fig.  S1).  Therefore,  these  data  suggest  that  AzaD  can  mediate  potent  cytotoxicity  by 

altering intracellular events such as apoptosis, autophagy, and protein translation. 

 

The  lactam  moiety  and  a  double  bond  at  the  D-ring  in  the  lamellarin  structure  are  essential  for  the 

biological activities of AzaD. 

We further investigated which chemical determinants of the lamellarin structure are involved in its ability to 

promote the phosphorylation of eIF2

. A new lamellarin compound with a lactam ring and a single bond at the 

D-ring  was synthesized,  namely, azalamellarin 

  (AzaChi)  (Fig. 2A),  and  its structure  was  similar to  that of 

LamChi.  The  cell  lysates  treated  with  AzaChi  showed  an  approximately  2-fold  increase  in  eIF2

-p  levels 

beginning at 6 h after treatment compared with the basal level at 0 h (Fig. 2B and Supplementary Fig. S2). In 

contrast,  the  parallel  data  from  the  AzaD  treatment  group  exhibited  a  4-fold  change  (Fig.  2B  and 

Supplementary Fig. S2). Interestingly, the ability of AzaChi to inhibit HeLa cell viability  was comparable to 

that of  AzaD;  cell  viability  was  inhibited by  ~60% at 5 

M for the 18-h treatment  (Fig. 2C).  Therefore, the 

degree  of  unsaturation  at  C5-C6  of  the  D-ring  is  involved  in  the  ability  of  lamellarins  to  promote  eIF2

-p 

levels. We further assessed the effect of lactam ring-mediated cytotoxicity through the induction of eIF2

-p by 

synthesizing lactam-containing derivatives that have bulky groups on the N atom of the lactam ring, creating 

AzaD-P  (PMB), AzaD-C3 (

n

-propyl),  and AzaD-C4 (

n

-butyl) (Fig.  2D).  The  results indicated that  the HeLa 

cells  treated  with  AzaD-P,  AzaD-C3,  and  AzaD-C4  for  6  h  did  not  increase  eIF2

-p  levels,  promote  LC3 

conversion, or enhance the accumulation of cleaved caspase-9 (cCasp-9) and cPARP, unlike the cells treated 

with AzaD

 

(Fig. 2E–F and Supplementary Fig. S3). Moreover, these derivatives did not decrease the viability 

of treated HeLa cells (Fig. 2C). Therefore, the lactam moiety and the double bond at the D-ring of the AzaD 

structure  are  involved  in  the  chemical  interactions  that  mediate  its  cytotoxicity  and  ability  to  phosphorylate 

eIF2

 

AzaD-mediated cytotoxicity induced ISR signaling through the sequential activation of GCN2 and PKR. 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Our data indicated that HeLa cells treated with AzaD exhibited high levels of LC3-II and eIF2

-p, which was 

a  result  of  a  process  controlled  by  protein  kinases  that  regulate  cellular  metabolism,  nutrients,  energy,  and 

protein  translation  (

1,  6,  18

).  We  further  investigated  how  eIF2

  was  phosphorylated  under  AzaD-induced 

cytotoxicity  in  HeLa  cells  to  confirm  that  AzaD  could  specifically  affect  cellular  protein  translation.  The 

detection of the intracellular level of eIF2

-p using flow cytometry showed that the presence of eIF2

-p after 

AzaD treatment was detected as soon as 2 h, and the level  increased until 8 h (Fig. 3A). The data were also 

confirmed by western blot analysis, and a similar pattern was observed (Fig. 3B and Supplementary Fig. S4). 

The presence of eIF2

-p indicates the attenuation of global protein translation in response to stress stimuli (

2, 

6

). Therefore, we detected whether the levels of some kinases controlling eIF2

-p, including GCN2, PKR, and 

PERK, changed in response to AzaD-mediated cytotoxicity. The detection of PKR phosphorylation at Thr-446, 

which represents the activation of PKR, revealed that PKR-p was predominantly induced by approximately 2-

fold at 4–8 h compared with 0 h (Fig. 3C and Supplementary Fig. S4), and the induction pattern of PKR-p was 

similar to that of eIF2

-p (Fig. 3A-C). In the same sample set, the level of GCN2 phosphorylation at Thr-899 

was ~4 times greater at 2 h after AzaD challenge, and it gradually declined to the basal level at 8 h (Fig. 3D 

and  Supplementary  Fig.  S4).  In  addition,  PERK  phosphorylation  was  unchanged  in  the  presence  of  AzaD 

(Supplementary  Fig.  S5),  as  a  shift  in  PERK  band  migration  from  phosphorylation  could  be  conveniently 

detected  under  stress  conditions  in  the  ER  (

15

).  We  further  detected  GCN2-p  and  PKR-p  during  the  acute 

phase of AzaD treatment, and the data indicated that approximately 5-fold greater amounts of GCN2-p were 

detected  15  min  after  AzaD  treatment  and  lasted  until  120  min,  while  eIF2

-p  and  PKR-p  were  rather 

unaffected  during  that  period  (Supplementary  Fig.  S6).  Therefore,  the  data  suggest  that  both  ISR  kinases, 

GCN2  and  PKR,  are  sequentially  activated  in  response  to  AzaD-induced  cytotoxic  stress.  To  investigate 

whether these cellular events were conserved in human cancer cells, we performed the same experiment using 

hepatocellular carcinoma Huh-7 cells. AzaD-treated Huh-7 cells showed sequential activation of GCN2-p and 

PKR-p, a pattern similar to that observed in HeLa cells (Supplementary Fig. S7). 

 

An  increased level  of  eIF2

-p  allows the selective translation of mRNAs containing uORFs, which, 

upon stress, can be translated to protein effectors for cell recovery or cell death, such as ATF4 and CHOP (

2, 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

6

).  We  then  explored  how  AzaD  treatment  affects  this  downstream  ISR  signaling  pathway.  The  lysates 

prepared  from  the  AzaD-treated  HeLa  cells  showed  elevated  levels  of  ATF4  (1.5-1.8-fold)  at  4-24  h  after 

treatment (Fig. 3E, Lanes 1-5), however for the level of CHOP in the same lysates were not elevated. Because 

of the transient stability of CHOP, we questioned whether CHOP could be a substrate for rapid degradation by 

the proteasome under  AzaD-induced  cytotoxicity.  To  address this issue, we cotreated  HeLa cells with 5 

AzaD  and 15 

M bortezomib,  a proteasome inhibitor. The presence of bortezomib  after  AzaD treatment did 

not  affect  the  extent  of  AzaD-mediated  ATF4  induction.  However,  CHOP  could  still  not  be  detected  under 

these conditions (Fig. 3E, Lane 1 compared to 6-9). In contrast, in cells treated with only bortezomib, CHOP 

was  substantially  induced for  during  4-24 h after  treatment  (Fig.  3E, Lane 1 compared to  10-13).  Therefore, 

these  data  indicate  that  AzaD  treatment  selectively  increases  ATF4  levels  but  does  not  affect  CHOP 

accumulation.  We  also  performed  a  parallel  experiment  in  which  HeLa  cells  were  challenged  with  a 

combination  of  LamD  and  bortezomib.  Surprisingly,  LamD  treatment  alone  resulted  in  a  detectable  level  of 

CHOP, whereas bortezomib cotreatment promoted the accumulation of ATF4 and CHOP (Supplementary Fig. 

S8). These data implicate the specific effect of AzaD on ISR signaling. 

 

Depletion of GCN2 and PKR marginally affected ISR signaling upon AzaD treatment, and neither kinase 

showed ligand engagement with AzaD according to CETSA.

 

To  further  identify  whether  the  ISR  kinases  GCN2  and  PKR  are  the  molecular  targets  of  AzaD,  we 

investigated the  ISR in cells lacking these kinases, expecting that  ISR signaling would be discretely affected 

by  AzaD  toxicity.  Therefore,  we  established  knockout  (KO)  cell  lines  using  a  CRISPR‒Cas9  with  Cas9 

nickase approach in which the 

GCN2

 and 

PKR

 genomic loci were disrupted in HeLa cells. Cells lacking these 

specific  ISR  kinases  were  successfully  selected  and  isolated  (Supplementary  Fig.  S9).  We  evaluated  AzaD 

cytotoxicity in GCN2-KO cells within a 48-h period and determined the phosphorylation of eIF2

 and PKR. 

The AzaD-treated GCN2-KO cell lysates showed that eIF2

-p was maintained at approximately 1.5-fold the 

baseline level for 8-48 h. However, the eIF2

-p level in parental HeLa cells declined after 24 h (~0.5-fold) and 

then completely returned to  the baseline  level at 48 h  (Fig. 4A). Moreover, the lack of GCN2 did  not affect 

ATF4 induction or PKR phosphorylation mediated by AzaD cytotoxicity.  

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

 

We  also  evaluated AzaD-induced cytotoxicity  in  PKR-KO  cells.  However,  the  results  indicated  that 

compared with parental cells, AzaD-treated PKR-KO cells exhibited a slight effect on the expression of eIF2

-

p  and  increased  expression  of  GCN2-p.  Furthermore,  the  cells  lacking  PKR  exhibited  a  pattern  of  ATF4 

activation  similar to  that of  the wildtype parental cells (Fig.  4B).  Collectively,  these  data suggest that eIF2

 

phosphorylation and ATF4 induction in GCN2-KO and PKR-KO cells under AzaD treatment are still ongoing. 

 

We  subsequently  determined  whether  AzaD  can  directly  interact  with  GCN2  and  PKR  using  a 

CETSA (

1

6). To assess drug-target interactions, a CETSA can be used to determine the change in the thermal 

stability of the protein target upon interaction with the compound or ligand. After HeLa cells were treated with 

10 

M  AzaD  for  30  min,  the  treated  cell  lysates  were  subjected  to  western  blotting,  which  indicated  that 

compared with DMSO, the GCN2 protein was slightly protected at 46.6-50.8 

C (Fig. 4C and Supplementary 

Fig. S10). Using the same lysates, the denaturation kinetics of PKR did not differ between AzaD-treated and 

DMSO-treated cells (Fig. 4D and Supplementary Fig. S10). However, these results did not fully support GCN2 

or PKR as direct molecular targets for AzaD. 

 

Acute  treatment  with  AzaD  caused  abrupt  alterations  in  the  phosphorylation  of  mTOR,  another  protein 

kinase that controls cellular nutrients, metabolism, and protein translation. 

The data from the previous sections indicated that GCN2 and PKR may not be molecular targets of AzaD. In 

addition,  our  data  suggested  that  AzaD  treatment  interferes  with  GCN2  phosphorylation  during  the  acute 

phase.  Because  of  the  reciprocal  regulation  between  GCN2  and  mTOR  (

21,  22

),  we  further  investigated  the 

phosphorylation status of mTOR in GCN2-KO cells treated with AzaD to identify the target of AzaD. The data 

indicated that the lack of GCN2 did not affect the mTOR phosphorylation (mTOR-p) ratio at Ser-2448 or the 

phosphorylation of the mTOR substrates S6K1-p at Thr-389 or 4EBP1-p at Thr-37/46 (

1

), which was mediated 

by  AzaD  treatment  (Fig.  5A).  We  then  explored  the  acute  effect  of  AzaD  treatment  on  changes  in  the 

phosphorylation  status  of  the  mTOR  protein  and  mTOR  substrates,  as  these  proteins  respond  rapidly  to 

changes  in  nutrient  consumption,  protein  synthesis,  and  protein  degradation 

via

  autophagy  (

1

),  and  some  of 

these pathways are also affected by AzaD activity. Consistently, wildtype HeLa cell lysates treated with 5 

AzaD showed increased levels of GCN2-p beginning 15 min after treatment (Supplementary Fig. S11). In the 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

same lysates, the detection of mTOR phosphorylation at Ser-2448, which reflects mTOR activity, showed that 

the mTOR-p ratio gradually decreased, as did the phosphorylation of S6K1-p at Thr-389 and 4EBP1-p at Thr-

37/46  (

1

)  (Fig.  5B-E  and  Supplementary  Fig.  S11).  mTOR  can  also  phosphorylate  ULK1 

via

  the  Ser-757 

residue,  which  inhibits  autophagy  initiation  (

7

).  The  data  also  revealed  that  the  AzaD-treated  lysates 

suppressed  Ser-757  ULK1-p,  similar  to  what  was  observed  for  mTOR-p,  while  an  increase  in  the  LC3  ratio 

was detected as soon as 15 min and lasted until 120 min (Fig. 5E and Supplementary Fig. S11). Hence, AzaD 

treatment  causes  cytotoxic  stress,  affecting  mTOR  phosphorylation  and  signaling,  and  the  AzaD  compound 

may directly interfere with the function of mTOR kinase. 

 

We  also  compared  the  ability  of  AzaD  to  suppress  mTOR-p  with  that  of  known  mTOR  inhibitors, 

including  torin2,  torkinib,  and  rapamycin.  The  data  indicated  that  compared  to  DMSO  treatment,  treatment 

with 1 and 5 

M AzaD increased the mTOR-p levels in HeLa cells by 0.54- and 0.42-fold, respectively (Fig. 

6A). In the same sample set, cells treated with 0.25 

M torin2, 0.25 

M torkinib, or 0.4 

M rapamycin showed 

a 0.21-, 0.66-, or 0.37-fold increase in mTOR-p levels, respectively, compared with the control (Fig. 6A-6B). 

S6K1-p was undetectable after treatment with torin2 and rapamycin, whereas 1 and 5 

M AzaD promoted a 

0.97- and 0.61-fold greater levels of S6K1-p, respectively, compared to those in the control group (Fig. 6A and 

6C).  4EBP1-p  was  undetectable  only  after  torin2  treatment,  while  5 

M  AzaD  had  a  moderate  effect  (0.61-

fold)  on  the  4EBP1-p  level  (Fig.  6A  and  6D).  Therefore,  the  data  suggest  that  treatment  with  a  high 

concentration of AzaD can suppress the phosphorylation of mTOR and mTOR substrates in a manner similar 

to that of known mTOR inhibitors, whereas a low concentration of AzaD can interfere with only mTOR-p and 

cannot effectively suppress the phosphorylation of mTOR substrates. 

 

Because S6K1 and 4EBP1 are well-known substrates of mTOR complex 1 (mTORC1), we questioned 

whether  interference by  AzaD is specific to  a certain form  of the  mTOR  complex. We then investigated the 

changes in the phosphorylation of the substrate of mTORC2, Akt. The phosphorylation of Akt at Thr-308 and 

Ser-473  in  cell  lysates  treated  with  5 

M  AzaD  was  detected.  The  data  indicated  that  Thr-308  and  Ser-473 

Akt-p were transiently activated 15 min after AzaD challenge, after which the phosphorylation levels abruptly 

decreased  (Fig.  6E-6G).  These  data  indicate  that  AzaD  may  cause  nonspecific  suppression  of  mTOR 

complexes. 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

The CETSA and computational analyses revealed that mTOR is a possible molecular target of AzaD. 

To verify that mTOR is a target protein of AzaD, we studied the interaction of AzaD with the mTOR protein. 

The HeLa cell lysates treated with 10 

M AzaD  were evaluated by CETSA, and the results showed that the 

mTOR protein was thermally stable between 36.7-43.5 

C upon AzaD treatment compared with DMSO- and 

LamD-treated conditions (Fig.  7A and  7B). The results  from  three independent experiments  showed that  the 

AzaD-treated  mTOR  protein  was  significantly  stabilized  at  40.9 

C  (Fig.  7B).  Hence,  these  data  imply  that 

mTOR could also be a direct protein target for AzaD. 

To verify this, we performed 

in silico 

analysis to explore the chemical bonding interactions between 

AzaD  and  mTOR.  As  previous  studies  have  shown  the  inhibitory  effect  of  several  lamellarins  on  several 

kinases and computationally analyzed AzaD to identify the GSK3

 kinase domain (

11, 12

), we hypothesized 

that  the  ATP-binding  pocket  of  mTOR  was  the  target  site  of  AzaD.  We  performed  computational  docking 

analysis  of  AzaD  and  LamD  with  the  mTOR  ATP-binding  pocket  and  compared  them  with  known  mTOR 

inhibitors:  torkinib,  torin2,  and  resveratrol  (

23,  24

).  The  results  of  the  analysis  indicated  that  the  AzaD 

molecule  fit  well  in  the  pocket  site  with  the  most  favorable  docking  score  (73.98  Goldscore),  followed  by 

LamD  (69.88),  torin2  (65.04),  resveratrol  (56.42),  and  torkinib  (54.85)  (Fig.  7C).  AzaD  was  predicted  to 

interact  with  the  mTOR  ATP  binding  pocket  through  various  interactions,  including  van  der  Waals 

interactions, hydrogen bonding, and pi-interactions (Fig. 7D and 7E). The phenolic hydrogens of AzaD formed 

two  hydrogen  bonds  with  Val-2240  and  Asp-2357  of  the  mTOR  ATP  cleft.  Furthermore,  another  hydrogen 

bond was found between the amide hydrogen of AzaD and Asp-2195 on the mTOR structure (Fig. 7D and 7E). 

Similarly,  LamD  binds  to  mTOR 

via

  two  hydrogen  bonds  that  interact  with  Ser-2165  and  Asp-2195 

(Supplementary  Fig.  S12).  Previous  studies  reported  that  Asp-2195, Val-2240,  and  Asp-2357  are  critical  for 

interactions with known mTOR inhibitors (

24-26

). Pi-pi stacking was also found in the complex of AzaD and 

mTOR, in which electron clouds of the C5-C6 double bond of AzaD bound to the aromatic ring of Tyr-2225. 

Additionally, a pi-pi T-shaped interaction was observed between the aromatic rings of AzaD and Trp-2239. In 

the LamD-mTOR complex, stabilization through pi-stacking was also observed through pi orbitals between the 

lactone ring of LamD and the aromatic ring of Trp-2239. Interestingly,  the hydrogen bond distance between 

AzaD  and  Asp-2195  was  shorter  than  that  between  LamD  and  the  same  amino  acid  residue  (Fig.  7F).  In 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

addition,  LamD  possesses  a  hydrogen  bond  with  Asp-2195  with  a  dihedral  angle  closer  to  180

°

  than  AzaD 

(Fig.  7F).  Comparing the orientation of  AzaD  and LamD  in  the pocket site, ligand superimposition  revealed 

that  both  AzaD  and  LamD  turned  the  fused  aromatic  rings,  which  are  flat  conjugated  systems,  toward  the 

innermost  region  of  the  mTOR  pocket  site,  where  AzaD  was  inserted  deeper  in  the  pocket  cleft  than  LamD 

(Fig. 7G). Therefore, our data imply that AzaD might interact with the mTOR kinase cleft and have specific 

molecular  interactions  and  orientations  inside  the  mTOR  ATP  binding  cleft  that  are  different  from  those  of 

LamD due to the lactam moiety. 

 

Discussion

 

LamD  can  trigger  cellular  stress  pathways  in  HeLa  cells,  leading  to  the  perturbation  of  mitochondrial 

homeostasis and elevated autophagy flux (

10

). Although how LamD treatment promotes autophagy has not yet 

been elucidated, the information on lamellarin-mediated LC3 conversion led to this investigation, in which the 

stress  could  somehow  be  from  the  interference  of  cellular  proteostasis.  To  address  the  modulation  of 

proteostasis by lamellarin activity, we detected a change in the phosphorylation of eIF2

 at Ser-51, which has 

been reported to occur upon exposure to various stress stimuli and inhibits cellular protein translation (

2, 6

). 

Our data presented herein indicated that HeLa cells exhibited elevated levels of phosphorylated eIF2

 during 

exposure to LamD. However, a more significant accumulation of eIF2

-p was found in the cells treated with 

AzaD.  The presence of eIF2

-p was  also correlated with  the cytotoxicity of the lamellarin  analogs tested. A 

further  detailed  study  indicated  the  importance  of  an  amide  N  atom  in  the  lactam  ring  of  the  pentacyclic 

structure  and  the  5,6-unsaturated  bonding  at  the  D  ring  of  AzaD  (Figs.  1  and  2).  Several  past  studies  have 

shown that the conversion of lactones to lactams in the pentacyclic structure of lamellarins could enhance their 

physical properties and cytotoxicity, although the underlying molecular mechanism has not been revealed (

12-

14

). In addition, some previous reports have suggested that the nonalkylated lactam structure is required for its 

cytotoxicity (

9, 13

). Consistently, the results of the present study indicated a correlation between AzaD activity 

(LC3  conversion and eIF2

-p  accumulation)  and the free lactam structure (Figs. 1  and 2). Furthermore,  this 

study’s data suggest that lactam substitution in the pentacyclic structure also affects biological activities and 

cellular responses more than lactone analogs of lamellarins. 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Because of the effects of AzaD and LamD on changes in LC3 and eIF2

-p during the early phase of 

the  treatment,  it  is  speculated  that  these  compounds  could  interfere  with  pivotal  cellular  events  that  govern 

rapid responses to the cellular environment. Lamellarins were previously reported to possess kinase inhibitory 

activity  against  several  cellular  kinases  (

11,  27

).  We hypothesized  that  acute  treatment  with  AzaD  or  LamD 

could alter the activity of kinases that control protein homeostasis, leading to cellular responses in which LC3 

conversion and eIF2

 phosphorylation are activated. To support this notion, our data revealed that acute AzaD 

treatment  caused  nearly  immediate  activation  of  GCN2,  a  kinase  that  senses  amino  acid  depletion  and 

catalyzes  eIF2

  phosphorylation  for  ISR  signaling  (Fig.  3).  In  the  same  period,  suppression  of  mTOR  and 

mTOR  substrates,  which  control  cellular  protein  translation  and  autophagy,  was  also  observed  (Fig.  5). 

Subsequently,  the  AzaD-mediated  increase  in  eIF2

-p  was  detected  as  soon  as  2  h  after  treatment  (Fig.  3). 

Therefore, GCN2 activation and interference with mTOR occur before eIF2

-p accumulation, suggesting that 

acute treatment with AzaD affects the activity of kinases that regulate protein homeostasis in cells. 

During the extended period of AzaD cytotoxicity, stressed cells exhibit activation of the other eIF2

 

kinase,  PKR,  which  senses  the  presence  of  dsRNA  derived  from  virus  infection  and  damaged  mitochondria 

during the apoptotic phase under stress (

2, 6

). Therefore, the activation of PKR at 6-8 h during AzaD treatment 

could be due to apoptosis, as mitochondria are disrupted beyond the cell survival threshold. In support of this 

idea,  AzaD  treatment  can  mediate  toxicity,  disturbing  mitochondrial  dynamics  and  potential  (

10

).  The 

accumulation  of  eIF2

-p  inhibits  protein  translation  but  selectively  promotes  the  translation  of  uORF-

containing mRNAs, including ATF4 and CHOP, to mediate pro-survival or pro-death signaling 

via

 the ISR (

2, 

6

).  In  this  study,  AzaD-treated  cells  exhibited  increased  expression  of  ATF4  without  CHOP  induction.  To 

overcome the sensitivity limitation of western blot analysis, we cotreated cells with bortezomib cotreatment to 

stabilize ATF4 and CHOP; however, the results confirmed that CHOP in AzaD-treated cells was undetectable 

in  our  experimental  setting  (Fig.  3E).  Interestingly,  with  similar  experimental  procedures,  the  chronically 

LamD-treated  cells  showed  a  detectable  level  of  CHOP  (Supplementary  Fig.  S8).  These  data  indicate  a 

discrepancy in cellular responses between AzaD and LamD treatment, implicating different genetic programs 

needed to cope with stressful situations mediated by these two compounds. 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Past  studies  have  proposed several putative protein  targets for lamellarins;  however, the interactions 

with  the  target  proteins  and  the  cellular  effects  upon  target  protein  depletion  during  lamellarin-mediated 

toxicity  have  not  been  comprehensively  reported.  Our  data  herein  show  that  AzaD-treated  cells  exhibited 

activation of the ISR kinases GCN2 and PKR and ISR signaling. However, our data also indicate that neither 

GCN2 nor PKR depletion could completely abrogate the activation and accumulation of phosphorylated eIF2

 

by AzaD treatment, and the signaling of downstream ISR effectors, including ATF4, in these cells was rather 

intact. Further analysis by ligand and target engagement (CETSA) between AzaD and GCN2 (or PKR) showed 

no  significant  interaction  between  AzaD  and  the  ISR  kinases.  As  AzaD  has  monumental  effects  on  the 

inhibition of protein translation, several studies have indicated reciprocal control between GCN2 and mTOR, 

another  pivotal  kinase  for  protein  synthesis  (

21

22

).  We  then  investigated  mTOR  phosphorylation  and 

signaling,  and  the  data  clearly  showed  that  AzaD  toxicity  could  also  affect  mTOR  phosphorylation  and 

signaling (Figs. 5 and 6). To determine whether mTOR is a putative molecular target of AzaD, we evaluated 

the  interaction  between  AzaD  and  mTOR  using  CETSA,  and  the  results  indicated  that  AzaD  could  protect 

mTOR from heat denaturation (Fig. 7A and 7B).  

Subsequent 

in silico 

analysis also revealed that  AzaD  could  occupy the active site  pocket  of  mTOR 

with  a  favorable  Goldscore  compared  with  LamD  and  known  mTOR  inhibitors

Our  predicted  model 

suggested  that  AzaD  was  positioned  in  the  mTOR  binding  pocket  to  favor  H  bond  formation  between  the 

hydrogen  of  the  amide  N  atom  of  AzaD  and  Asp-2195,  two  additional  hydrogen  bonds,  and  two  pi-pi 

interactions.  However,  LamD  did  not  have  an  ester  moiety  involved  in  any  H-bond  interactions  but  rather 

positioned the pi electron clouds of the lactone ring to form pi-pi stacking and arranged the phenolic groups to 

form  two  H-bonds  with  the  amino  acid  residues  of  mTOR.  This  highlights  an  essential  aspect  of  the  lactam 

ring in AzaD. Moreover, the lactam ring of the azalamellarins is positioned toward the innermost area of the 

mTOR ATP cleft. Thus, the presence of bulky groups may prevent the azalamellarin molecule from orienting 

into the mTOR ATP cleft, in accordance with the lack of translational inhibition activity of AzaD-P, AzaD-C3, 

and AzaD-C4 (Fig. 2E). Tyr-2225 has been identified as the critical residue that facilitates the expansion of the 

inner hydrophobic pocket, as observed by the binding mode of torkinib and mTOR (

24

). In the present study, 

the pi-pi interactions between the pi electron clouds of the C5-C6 double bond in the AzaD lactam ring and the 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

aromatic  ring  of  Tyr-2225  were  observed.  The  discrepancy  in  the  strength  of  the  activities  of  AzaD  and 

AzaChi  may  be  explained  by  the  differences  in  the  type  of  chemical  bonds  between  C5  and  C6  of 

azalamellarins (Fig. 2). Furthermore, both AzaD and LamD aligned the polycyclic aromatic group toward the 

inner ATP cleft, in which AzaD was positioned deeper in the mTOR pocket than LamD, indicating a stronger 

interaction with the key amino acid residues in the pocket site (Fig. 7G). 

The data presented in this study suggest that mTOR may be a putative target for AzaD, and that the 

interaction between AzaD and mTOR may interfere with mTOR activity, causing altered cellular proteostasis 

and ISR  activation.  Overall,  this investigation  demonstrated  the novel biological activity of AzaD  in cellular 

pathways that control protein homeostasis. The information gained from this study is essential for developing 

this compound into a novel pharmacophore for anticancer therapeutics. 

 

Funding 

This work was supported by the Chulabhorn Graduate Institute research grant (611-AB03), Thailand Research 

Fund  (MRG6108191),  Thailand  Science  Research  and  Innovation  (TSRI)-Chulabhorn  Graduate  Institute, 

Chulabhorn  Royal  Academy  (FFB640035  Project  code  50187,  FRB650039/0240  Project  code  165423, 

FRB660044/0240 Project code 180860, and FRB660044/0240 Project code 180874 to PS and PP). This study 

was also supported by TSRI-Chulabhorn Research Institute (Grant No. 36824/4274394 and 36827/4274409) to 

PP and RS. 

 

Author contributions 

TM,  BC,  NP,  RS,  and  PS  performed  the  formal  analysis  and  investigation.  KK  and  PP  conducted  chemical 

synthesis  and  verification.  PG,  SR,  and  PP  provided  resources  for  the  experiments.  RS  generated  molecular 

docking  data,  which  were  interpreted  and  analyzed  by  RS,  PP,  and  PS.  PP  and  PS  played  a  role  in  the 

conceptualization, methodology, and funding acquisition. SR, PG, and PP provided supervision related to the 

experimental  procedures,  chemical  synthesis,  and  manuscript  writing.  The  original  draft  was  prepared  with 

TM, PP, and PS. The manuscript was reviewed and edited by TM, SR, PG, RS, PP, and PS. All authors have 

read and approved the final version of the manuscript. 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Availability of data and materials 

All relevant data and materials in this study are available from the authors upon reasonable request. 

 

Conflict of Interests 

The authors declare no conflicting interests associated with this study. 

 

Supplementary data 

Supplementary data are available. 

 

Acknowledgments 

PS would like to thank the following researchers from the Chulabhorn Research Institute and the Chulabhorn 

Graduate  Institute;  Dr.  Piyajit  Watcharasit  (Laboratory  of  Pharmacology);  Dr.  Pattama  Singhirunnusorn,  Dr. 

Benchamart  Khumkrong  (Laboratory  of  Chemical  Carcinogenesis);  Dr.  Nopporn  Thasana  (Laboratory  of 

Medicinal  Chemistry);  Dr.  Montri  Yasawong  (Program  in  Environmental  Toxicology);  and  Dr.  Satapanawat 

Sittihan  and  Dr.  Watthanachai  Jumpathong  (Program  in  Chemical  Sciences)  for  kindly  sharing  equipment, 

chemicals,  and  suggestions  for  this  manuscript.  PS  and  RS  would  like  to  thank  Dr.  Chatchakorn  Eurtivong 

(Faculty of Pharmacy, Mahidol University) for the software sharing.

 

This research work was supported in part by a grant from the Center of Excellence on Environmental 

Health and Toxicology (EHT), OPS, Ministry of Higher Education, Science, Research and Innovation.

 

 

References

 

(1) 

Saxton, R.A., and Sabatini, D.M. (2017) mTOR Signaling in Growth, Metabolism, and Disease. 

Cell

168

960-976 

(2) 

Houston, R., Sekine, S., and Sekine, Y. (2020) The coupling of translational control and stress responses. 

Biochem

168

, 93-102 

(3) 

Towers, C.G., Wodetzki, D., and Thorburn, A. (2020) Autophagy and cancer: Modulation of cell death 

pathways and cancer cell adaptations. 

The Journal of cell biology

219

(4) 

Koromilas, A.E. (2019) M(en)TORship lessons on life and death by the integrated stress response. 

Biochim 

Biophys Acta Gen Subj

1863

, 644-649 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

(5) 

Sasaki, K., and Yoshida, H. (2015) Organelle autoregulation-stress responses in the ER, Golgi, 

mitochondria and lysosome. 

J Biochem

157

, 185-195 

(6) 

Pakos-Zebrucka, K., Koryga, I., Mnich, K., Ljujic, M., Samali, A., and Gorman, A.M. (2016) The 

integrated stress response. 

EMBO Rep

17

, 1374-1395 

(7) 

Kim, J., Kundu, M., Viollet, B., and Guan, K.L. (2011) AMPK and mTOR regulate autophagy through 

direct phosphorylation of Ulk1. 

Nature cell biology

13

, 132-141 

(8) 

Chittchang, M., and Theppawong, A. (2019) Chapter 12 - An Overview of the Multifaceted Lessons 

Learned from Marine-Derived Bioactive Lamellarin Natural Products. in 

Studies in Natural Products 

Chemistry

 (Atta ur, R., ed.)^eds.), pp. 411-460, Elsevier, 

(9) 

Fukuda, T., Ishibashi, F., and Iwao, M. (2020) Lamellarin alkaloids: Isolation, synthesis, and biological 

activity. 

Alkaloids Chem Biol

83

, 1-112 

(10) 

Sopha, P., Phutubtim, N., Chantrathonkul, B., Ploypradith, P., Ruchirawat, S., and Chittchang, M. (2021) 

Roles of autophagy in relation to mitochondrial stress responses of HeLa cells to lamellarin cytotoxicity. 

Toxicology

462

, 152963 

(11) 

Baunbaek, D., Trinkler, N., Ferandin, Y., Lozach, O., Ploypradith, P., Rucirawat, S., Ishibashi, F., Iwao, 

M., and Meijer, L. (2008) Anticancer alkaloid lamellarins inhibit protein kinases. 

Mar Drugs

6

, 514-527 

(12) 

Theppawong, A., Ploypradith, P., Chuawong, P., Ruchirawat, S., and Chittchang, M. (2015) Facile and 

Divergent Synthesis of Lamellarins and Lactam-Containing Derivatives with Improved Drug Likeness and 

Biological Activities. 

Chem Asian J

10

, 2631-2650 

(13) 

Boonya-Udtayan, S., Yotapan, N., Woo, C., Bruns, C.J., Ruchirawat, S., and Thasana, N. (2010) Synthesis 

and biological activities of azalamellarins. 

Chem Asian J

5

, 2113-2123 

(14) 

Klumthong, K., Chalermsub, P., Sopha, P., Ruchirawat, S., and Ploypradith, P. (2021) An Expeditious 

Modular Hybrid Strategy for the Diversity-Oriented Synthesis of Lamellarins/Azalamellarins with 

Anticancer Cytotoxicity. 

J Org Chem

86

, 14883-14902 

(15) 

Sopha, P., Ren, H.Y., Grove, D.E., and Cyr, D.M. (2017) Endoplasmic reticulum stress-induced 

degradation of DNAJB12 stimulates BOK accumulation and primes cancer cells for apoptosis. 

The Journal 

of biological chemistry

292

, 11792-11803 

(16) 

Martinez Molina, D., Jafari, R., Ignatushchenko, M., Seki, T., Larsson, E.A., Dan, C., Sreekumar, L., Cao, 

Y., and Nordlund, P. (2013) Monitoring drug target engagement in cells and tissues using the cellular 

thermal shift assay. 

Science (New York, N.Y.)

341

, 84-87 

(17) 

Verdonk, M.L., Cole, J.C., Hartshorn, M.J., Murray, C.W., and Taylor, R.D. (2003) Improved protein-

ligand docking using GOLD. 

Proteins

52

, 609-623 

(18) 

Carroll, B., Korolchuk, V.I., and Sarkar, S. (2015) Amino acids and autophagy: cross-talk and co-operation 

to control cellular homeostasis. 

Amino Acids

47

, 2065-2088 

(19) 

Zhao, J., Zhai, B., Gygi, S.P., and Goldberg, A.L. (2015) mTOR inhibition activates overall protein 

degradation by the ubiquitin proteasome system as well as by autophagy. 

Proceedings of the National 

Academy of Sciences of the United States of America

112

, 15790-15797 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

(20) 

Topf, U., Uszczynska-Ratajczak, B., and Chacinska, A. (2019) Mitochondrial stress-dependent regulation 

of cellular protein synthesis. 

Journal of cell science

132

, jcs226258 

(21) 

Ye, J., Palm, W., Peng, M., King, B., Lindsten, T., Li, M.O., Koumenis, C., and Thompson, C.B. (2015) 

GCN2 sustains mTORC1 suppression upon amino acid deprivation by inducing Sestrin2. 

Genes & 

development

29

, 2331-2336 

(22) 

Wengrod, J., Wang, D., Weiss, S., Zhong, H., Osman, I., and Gardner, L.B. (2015) Phosphorylation of 

eIF2α triggered by mTORC1 inhibition and PP6C activation is required for autophagy and is aberrant in 

PP6C-mutated melanoma. 

Sci Signal

8

, ra27 

(23) 

Park, D., Jeong, H., Lee, M.N., Koh, A., Kwon, O., Yang, Y.R., Noh, J., Suh, P.G., Park, H., and Ryu, S.H. 

(2016) Resveratrol induces autophagy by directly inhibiting mTOR through ATP competition. 

Sci Rep

6

21772 

(24) 

Yang, H., Rudge, D.G., Koos, J.D., Vaidialingam, B., Yang, H.J., and Pavletich, N.P. (2013) mTOR kinase 

structure, mechanism and regulation. 

Nature

497

, 217-223 

(25) 

Parate, S., Kumar, V., Lee, G., Rampogu, S., Hong, J.C., and Lee, K.W. (2021) Marine-Derived Natural 

Products as ATP-Competitive mTOR Kinase Inhibitors for Cancer Therapeutics. 

Pharmaceuticals (Basel)

14

, 282 

(26) 

Xie, C., Chen, X., Zheng, M., Liu, X., Wang, H., and Lou, L. (2017) Pharmacologic characterization of 

SHR8443, a novel dual inhibitor of phosphatidylinositol 3-kinase and mammalian target of rapamycin. 

Oncotarget

8

, 107977-107990 

(27) 

Bailly, C. (2015) Anticancer properties of lamellarins. 

Mar Drugs

13

, 1105-1123 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Figure captions 

Fig.  1.  Azalamellarin  D  (AzaD)  is  cytotoxic  and  induces  changes  in  proteins  involved  in  apoptosis, 

autophagy, and protein translation.

 

(

A) Structure of azalamellarin D (AzaD), a synthetic lamellarin containing a double bond (purple highlight) in 

the D-ring adjacent to the lactam ring (N-atom highlighted in the blue circle). The derivatives of AzaD in this 

study included LamD (B) and LamChi (C), which are natural products and consist of lactone moieties (yellow 

circles) with a double (purple highlight) or single bond (gray highlight) in the D-ring, respectively. (D) HeLa 

cell  viability  after  18  h  of  treatment  with  titrated  concentrations  (1,  2,  and  5 

M)  of  AzaD,  LamD,  and 

LamChi.  Statistical  significance  was  analyzed  by  two-way  ANOVA;  a 

p

  value  less  than  0.05  indicated 

statistical significance. (E) – (H) The effects of LamD, AzaD, and LamChi on alterations in apoptotic proteins 

(cCasp-3  and  cPARP),  the  autophagy  marker  LC3,  and  phosphorylation  at  serine  51  (Ser-51)  of  eIF2

,  an 

indication  of global protein translational attenuation. HeLa cells were cultured for at  least  48 h before 5 

LamD  treatment  for  6  h.  The  treated  cells  were  collected  and  subjected  to  SDS‒PAGE  and  western  blot 

analysis.  The  steady-state  levels  of  the  indicated  proteins  were  determined,  recorded,  and  analyzed  for 

densitometric data for cCasp-3 (E), cPARP (F), the LC3-II ratio (G), and the eIF2

-p ratio (H). The data from 

the four independent experiments were analyzed by two-way ANOVA, in which a 

p

 value less than 0.05 was 

considered to indicate statistical significance. 

Fig. 2. The lactam ring of AzaD revealed its biological activities and cytotoxicity. 

(A) Structure of azalamellarin 

 (AzaChi), which shows a single bond (gray highlight) at the D ring adjacent to 

the  lactone  moiety  (the  N-atom  is  highlighted  in  the  blue  circle).  (B)  Effect  of AzaChi  on  the  eIF2

-p  ratio 

over an 8-h duration. Quantitative data analysis for the band density of the eIF2

-p ratio analyzed by western 

blotting using HeLa lysates treated with 5 

M AzaD compared with those treated with AzaChi. The data are 

presented  as  the  mean 

  SD  from  four  individual  experiments.  A 

p

  value  less  than  0.05  was  considered  to 

indicate  statistical  significance  according  to  two-way  ANOVA.  (C)  The  impact  of  AzaD  and  its  derivatives 

with a protected N atom on HeLa cell viability was determined by MTT assay. The data are presented as the 

mean 

  SD  from  two  different  individual  experiments.  A 

p

  value  less  than  0.05  was  considered  to  indicate 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

statistical  significance  according  to  two-way  ANOVA.  (D)  The  general  structure  of  AzaD  derivatives 

containing a protected N atom. The functional groups for the 

R

-group (pink circle) at the N-atom of the lactam 

ring are indicated. (E) and (F) The effects of AzaD, AzaD-P, AzaD-C3, and AzaD-C4 on the phosphorylation 

of eIF2

 (E) and the induction of the autophagic protein LC3-II ratio (F).  

Fig. 3. AzaD-mediated cytotoxicity in HeLa cells caused sequential activation of the ISR kinases GCN2 

and PKR, which control cellular protein translation. 

(A)  Analysis  of  the  intracellular  level  of  eIF2

-p  in  viable  HeLa  cells  by  flow  cytometry.  The  data  are 

presented  as  the  mean 

  standard  deviation  (SD)  of  three  independent  experiments  (n  =  6).  Each  color 

represents an independent experiment, a triangle represents the mean, and a circle represents the raw data from 

the mean. Statistical analysis was determined by two-way ANOVA at a 

p

 value ≤ 0.05, which was considered 

to indicate significance. (B) – (D) The phosphorylation of PKR, GCN2, and eIF2

 during the 8-h time course. 

The  image  shows  representative  western  blot  data  for  seven  independent  experiments  of  HeLa  cell  lysates 

treated with 5 

M AzaD for 2-h intervals. The densitometry data from multiple independent experiments for 

changes  in  the  eIF2

-p,  PKR-p,  and  GCN2-p  ratios  are  plotted  in  (B),  (C),  and  (D),  respectively.  (E) 

Immunoblot  analysis  of  the  downstream  ISR  effectors  ATF4  and  CHOP  in  HeLa  cells  treated  with  AzaD. 

Cotreatment  with  the  proteasome  inhibitor  bortezomib  (Bort)  stabilized  CHOP  protein  levels.  The  image 

shows the representative results of two different individual experiments. 

Fig. 4. CETSA revealed that cells with depletion of GCN2 or PKR exhibited ISR activation upon AzaD 

treatment and that neither GCN2 nor PKR could engage with AzaD. 

(A)  Impact  of  AzaD-mediated  ISR  induction  in  GCN2-KO  cells  compared  with  that  in  the  corresponding 

parental HeLa cells. The image shows the representative results of three different individual experiments. (B) 

Effect  of  AzaD  on  ISR  activation  in  PKR-KO  cells  compared  with  that  in  parental  HeLa  cells.  The  image 

shows representative results for three different individual experiments. (C) Analysis of the interaction between 

AzaD  and  GCN2 by  cellular  thermal  shift  assay  (CETSA)  in  intact  HeLa  cells.  The  density  data  from  three 

independent experiments are plotted. (D) CETSA of AzaD and PKR interactions in intact HeLa cells.  

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Fig.  5.  Acute  AzaD  treatment  also  targeted  mTOR  kinase,  which  controls  cellular  nutrient  uptake, 

metabolism, and translation in HeLa cells. 

(A) Analysis of the phosphorylation of mTOR and mTOR substrates in HeLa GCN2-KO cells. (B) – (E) Effect 

of 5 

M AzaD on the phosphorylation of mTOR and mTOR substrates (S6K1, 4EBP1, and ULK1) in wildtype 

HeLa cells. 

Fig. 6. AzaD treatment suppressed signaling mediated through mTORC1 and mTORC2 in HeLa cells.

 

(A) Effects on mTORC1 signaling suppression mediated by the mTOR inhibitor and AzaD treatments. HeLa 

cell  lysates  treated  with  torin2,  torkinib,  rapamycin,  and  AzaD  were  blotted  and  detected  with  the  indicated 

antibodies. The mTOR-p ratio and S6K1-p and 4EBP1-p from four individual experiments were recorded and 

plotted in (B), (C), and (D), respectively. (E) The impact of AzaD treatment on the phosphorylation of Akt, the 

substrate of mTORC2, in HeLa cells. Quantitative data analyses for the Thr-308 and Ser-473 Akt-p ratios are 

plotted  in  (F)  and  (G).  The  data  are  presented  as  the  mean 

  SD  from  multiple  different  individual 

experiments. A 

p

 value less than 0.05 was considered to indicate statistical significance according to two-way 

ANOVA. 

Fig.  7.  Biochemical  and  computational  analyses  revealed  a  possible  interaction  between  AzaD  and 

mTOR.

 

(A) CETSA of mTOR engagement by AzaD and LamD in intact HeLa cells. (B) Densitometric analysis of (A). 

* indicates statistical significance at a 

p

 value less than 0.05. (C) Docking scores of AzaD, LamD, and known 

mTOR  kinase inhibitors with the mTOR  kinase  domain (PDB  ID:  4JT5). (D) Computational analyses  of the 

predicted  binding  interactions  between  AzaD  and  mTOR.  (E)  The  2D  binding  mode  in  the  mTOR  kinase 

domain is displayed for the AzaD interaction. The dotted lines and colors in the 2D pose interactions represent 

different  intermolecular  interactions.  (F)  The  distance  and  dihedral  angle  (DHA)  of  H-bonds  between  key 

amino acid residues of the mTOR binding pocket (PDB ID: 4JT5) and AzaD (or LamD). (G) Superimposition 

of AzaD (green) and LamD (yellow) within the ATP-binding pocket of the mTOR kinase domain. 

 

 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Figure 1 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Figure 2 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Figure 3 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Figure 4 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Figure 5 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Figure 6 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Figure 7 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024

mvae038-html.html
background image

 
 

Graphical Abstract 

 

ORIGINAL 

UNEDITED 

MANUSCRIPT

Downloaded from https://academic.oup.com/jb/advance-article/doi/10.1093/jb/mvae038/7658884 by UCSD-Philosophy user on 01 May 2024