A multidisciplinary approach to unveil the mechanisms underlying lactoferrin antifungal and anticancer activities

Abstract

Lactoferrin (Lf) is a versatile iron-binding protein abundant in milk and colostrum that exhibits several interesting biological activities, from which its antifungal and anticancer activities are particularly promising. Since the molecular basis underlying these activities are still not fully elucidated, herein we aimed at achieving a more comprehensive knowledge on this subject, envisioning an improved application of Lf against fungal infections and cancer. To this end, a multidisciplinary approach using yeast and cancer cells as cellular models was carried out. Lf has been shown to exert a powerful antifungal activity against several species of yeasts and filamentous fungi. Increasing research has been focused on understanding the mechanisms underlying this activity towards the development of novel Lf-based antifungal strategies. For instance, Lf was demonstrated to induce an apoptotic-like regulated cell death process in both Saccharomyces cerevisiae and Candida albicans. To get further insights on this process, we sought to investigate whether autophagy, a degradative process by which cells deliver cellular components to the vacuole, plays a role in Lf-induced yeast cell death. Using pharmacological and genetic approaches, we demonstrate that Lf antifungal activity depends on autophagy activation. Lf has also been demonstrated to display a strong anticancer activity against several cancer types, and some underlying mechanisms have been proposed, including cell cycle arrest, apoptosis induction and metastasis/invasion inhibition. Given that Lf has high affinity to iron and iron metabolism is critical for cancer cells, we explored for the first time the iron-cancer-Lf axis. For that purpose, we assessed the effect of Lf on the expression and localization of iron metabolism related proteins in highly metastatic breast cancer and non-cancer cells. Moreover, their expression, as well as Lf antiproliferative capacity, were evaluated upon iron chelation and supplementation. Our results demonstrate that Lf modulates the expression and localization of some iron metabolism-related proteins, induces severe changes in cytoskeleton organization, and that iron chelation and supplementation change the effect of Lf in a breast cancer cell line. Overall, though further research is needed, our results point to the combination of Lf with autophagy inducers as a promising antifungal strategy, as well as the perturbation of iron homeostasis as a Lf mechanism against cancer cells.

A lactoferrina (Lf) é uma proteína versátil que se liga a ferro, que é abundante no leite e colostro e que apresenta diversas atividades biológicas interessantes, das quais as suas atividades antifúngica e anticancerígena são particularmente promissoras. Uma vez que a base molecular destas atividades ainda não é totalmente conhecida, neste trabalho pretendemos aumentar o conhecimento destes mecanismos com o objetivo de melhorar a aplicação da Lf contra infeções fúngicas e cancro. Para isso, implementamos uma abordagem multidisciplinar usando células de levedura e de cancro como modelos celulares. A Lf possui uma poderosa atividade antifúngica contra várias espécies de leveduras e fungos filamentosos, e estudos têm-se focado nos mecanismos subjacentes para desenvolver novas estratégias antifúngicas baseadas na Lf. Por exemplo, foi demonstrado que a Lf induz um processo de morte celular regulado do tipo apoptótico tanto em Saccharomyces cerevisiae como em Candida albicans. Para melhor compreender este processo, procurámos investigar se a autofagia, um processo através do qual componentes celulares são degradados no vacúolo, tem um papel relevante na morte celular induzida pela Lf. Utilizando abordagens farmacológicas e genéticas, demonstramos que a sua atividade antifúngica depende da ativação da autofagia. A Lf exerce também atividade anticancerígena contra vários tipos de cancro através de alguns mecanismos como a paragem do ciclo celular, indução de apoptose e inibição da metastização/invasão. Uma vez que a Lf tem elevada afinidade para o ferro e que este é importante para células cancerígenas, neste trabalho exploramos pela primeira vez o eixo ferro cancro-Lf. Para isso, estudamos o efeito da Lf na expressão e localização de proteínas relacionadas com o metabolismo do ferro em células de cancro de mama e em células normais. Além disso, a sua expressão, assim como a atividade antiproliferativa da Lf, foram avaliados na presença de quelante e citrato de ferro. Demonstramos que a Lf modula a expressão e localização de algumas destas proteínas, induz alterações no citoesqueleto, e que a incubação com quelante e citrato de ferro altera o efeito da Lf em células de cancro de mama. De um modo geral, os nossos resultados apontam para que a combinação da Lf com indutores de autofagia pode ser uma estratégia antifúngica promissora, e que um dos mecanismos pelos quais a Lf afeta células de cancro é através da modulação da homeostasia do ferro.