廖政邦,于五輩,趙 輝#(1.東莞市第五人民醫(yī)院,廣東東莞 53900;.河南大學(xué)藥學(xué)院化學(xué)生物學(xué)研究所,河南開封 475004)
宮頸癌是病死率最高的常見婦科腫瘤,嚴(yán)重威脅著女性健康。復(fù)發(fā)的宮頸癌往往對(duì)臨床常用的抗腫瘤藥物耐藥,因此亟需開發(fā)以新方式引起腫瘤細(xì)胞死亡的藥物以克服耐藥[1]。自噬是繼凋亡和壞死后發(fā)現(xiàn)的第3種細(xì)胞死亡形式,雖然細(xì)胞通過(guò)自噬可以降解受損、衰老和失去功能的大分子或細(xì)胞器,維持細(xì)胞的內(nèi)穩(wěn)態(tài),但自噬的過(guò)度激活又會(huì)損傷細(xì)胞器,促進(jìn)自噬性細(xì)胞死亡。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)很多藥物可通過(guò)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞自噬產(chǎn)生抗腫瘤作用,例如維生素K3可通過(guò)細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(Extracellular regulated protein kinases,ERK)途徑介導(dǎo)宮頸癌HeLa細(xì)胞發(fā)生自噬[2];麥冬皂苷B通過(guò)抑制蛋白激酶B(Protein kinase B,PKB,又稱Akt)、哺乳動(dòng)物雷帕雷素靶蛋白(mTOR)通路介導(dǎo)HeLa細(xì)胞自噬[3]。以上研究表明,誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生自噬是研發(fā)抗腫瘤藥物的一種有效策略[4]。
褐藻素(Fucoxanthin)是一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的海洋類胡蘿卜素成分,具有消痰、軟堅(jiān)散結(jié)、利水作用。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明,褐藻素具有抗腫瘤、促凋亡、抗炎及清除自由基等藥理作用。已有研究表明,褐藻素可通過(guò)抑制Akt、mTOR的磷酸化來(lái)誘導(dǎo)肝癌HepG2細(xì)胞發(fā)生凋亡和自噬[5]。由于藥物抗腫瘤作用機(jī)制往往取決于腫瘤類型,因而褐藻素是否對(duì)宮頸癌具有抗腫瘤作用尚不得而知,本研究對(duì)褐藻素抗宮頸癌作用及其分子機(jī)制進(jìn)行了研究。
FACSCalibur型流式細(xì)胞儀(美國(guó)BD公司);DMI3000B型倒置熒光顯微鏡(德國(guó)徠卡公司);Multiskan Spectrum型全波長(zhǎng)酶標(biāo)儀(美國(guó)熱電公司)。
胰蛋白酶、RPMI1640培養(yǎng)液、胎牛血清(美國(guó)Gibco公司);褐藻素(純度:98.0%)、洛霉素A1(Baf A1,純度:98.0%)、新雷素(純度:>98%)、氯化銨(NH4Cl)、MTT、核糖核酸酶(RNase)A、吖啶橙、3-甲基腺嘌呤(3-MA,純度:98.0%)、U0126(純度:98.0%)、碘化丙啶、一抗均購(gòu)自美國(guó)Sigma公司;細(xì)胞裂解液試劑盒、Lyso-Tracker Red、Hoechst33342、AnnexinⅤ-FITC凋亡試劑盒均購(gòu)于上海碧云天生物技術(shù)有限公司;Akt一抗、phospho-Akt(p-Akt)一抗、p21一抗、CDK2一抗、Cyclin D1一抗、Phospho-p70S6 kinase(p-p70S6K,Thr389)一抗、PTEN一抗、Phospho-mTOR(p-mTOR)一抗均購(gòu)于美國(guó)Cell Signaling Technology公司;Beclin-1、LC3及相應(yīng)二抗均購(gòu)自美國(guó)Santa Cruz公司。
HeLa細(xì)胞購(gòu)于中國(guó)科學(xué)院上海細(xì)胞生物學(xué)研究所。
細(xì)胞凍存液清洗后,加入RPMI1640培養(yǎng)液重懸細(xì)胞沉淀至細(xì)胞培養(yǎng)瓶中,置37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。
取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞,調(diào)整細(xì)胞密度為5×105ml-1并接種于96孔培養(yǎng)板,培養(yǎng)12 h使細(xì)胞貼壁。以1、10、20、40、80 μmol/L褐藻素,1、10、20、40、80 μmol/L褐藻素+3-MA(5 mmol/L)培養(yǎng)細(xì)胞48 h。于試驗(yàn)終止前4 h每孔加入MTT(5 mg/ml)10 μl,37 ℃下繼續(xù)孵育4 h后,終止培養(yǎng)。每孔加入二甲基亞砜100 μl,37 ℃下振蕩30 min后,以酶標(biāo)儀于570 nm波長(zhǎng)處測(cè)定光密度(OD),以O(shè)D代表細(xì)胞活力并計(jì)算細(xì)胞抑制率與半數(shù)抑制濃度(IC50)[5]。
取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞,調(diào)整細(xì)胞密度為5×105ml-1并接種于96孔培養(yǎng)板,培養(yǎng)12 h使細(xì)胞貼壁。以0(空白對(duì)照)、10、20、40 μmol/L褐藻素培養(yǎng)細(xì)胞48 h。同一濃度重復(fù)3孔。培養(yǎng)細(xì)胞結(jié)束后以70%冰冷乙醇固定過(guò)夜,RNase A(50 μg/ml)處理后碘化丙啶(100 g/ml)避光染色,以流式細(xì)胞儀分析細(xì)胞周期分布;培養(yǎng)細(xì)胞結(jié)束后按照Annexin V-FITC凋亡檢測(cè)試劑盒說(shuō)明書處理細(xì)胞,以流式細(xì)胞儀分析細(xì)胞凋亡率[5]。
2.4.1 吖啶橙染色法 取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞,以5 000個(gè)/孔細(xì)胞接種于6孔板,以40 μmol/L褐藻素培養(yǎng)細(xì)胞48 h,棄去培養(yǎng)基。同一濃度重復(fù)3孔。吖啶橙(1 mg/ml)避光染色15 min,熒光顯微鏡觀察并拍照,當(dāng)細(xì)胞內(nèi)酸性小囊泡增多時(shí)吖啶橙由綠色熒光轉(zhuǎn)變成紅色熒光。自噬抑制性試驗(yàn)則加入自噬抑制劑3-MA(5 mmol/L)培養(yǎng)細(xì)胞2 h后,再加入40 μmol/L褐藻素培養(yǎng)細(xì)胞48 h,棄去培養(yǎng)基,染色方法同上[6]。試驗(yàn)設(shè)空白對(duì)照(0 μmol/L)。
2.4.2 Lyso-Tracker Red染色法 取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞,以5 000個(gè)/孔細(xì)胞接種于6孔板,以40 μmol/L褐藻素培養(yǎng)細(xì)胞48 h,棄去培養(yǎng)基。同一濃度重復(fù)3孔。加入Lyso-Tracker Red(50 nmol/L)37 ℃避光染色45 min,Hoechst 33342(1 μmol/L)復(fù)染15 min,熒光顯微鏡觀察并拍照,當(dāng)溶酶體數(shù)量增加時(shí)紅色熒光增強(qiáng)。自噬抑制性試驗(yàn)則加入自噬抑制劑3-MA(5 mmol/L)培養(yǎng)細(xì)胞2 h后再加入40 μmol/L褐藻素培養(yǎng)細(xì)胞48 h,棄去培養(yǎng)基,染色方法同上[6]。試驗(yàn)設(shè)空白對(duì)照(0 μmol/L)。
2.4.3 穩(wěn)定轉(zhuǎn)染HeLa-GFP-LC3細(xì)胞測(cè)試法 選擇對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期細(xì)胞加入自噬抑制劑3-MA(5 mmol/L)培養(yǎng)細(xì)胞2 h,進(jìn)行pGFP-LC3質(zhì)粒轉(zhuǎn)染,用新霉素篩選細(xì)胞克隆。收獲HeLa-GFP-LC3細(xì)胞以5 000個(gè)/孔接種于6孔板,40 μmol/L褐藻素培養(yǎng)細(xì)胞48 h后,磷酸鹽緩沖液(PBS)洗3次,熒光顯微鏡觀察并拍照。細(xì)胞內(nèi)綠色熒光呈點(diǎn)狀分布則說(shuō)明細(xì)胞發(fā)生自噬,反之呈彌散性綠色熒光。對(duì)于自噬抑制性試驗(yàn)則為加入自噬抑制劑3-MA(5 mmol/L)培養(yǎng)細(xì)胞2 h后再加入40 μ mol/L褐藻素培養(yǎng)細(xì)胞48 h,棄去培養(yǎng)基,染色方法同上[7]。試驗(yàn)設(shè)空白對(duì)照(0 μmol/L)。
以Western blot法測(cè)定蛋白表達(dá)。取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞,調(diào)整細(xì)胞密度為5×105ml-1并接種于96孔培養(yǎng)板,培養(yǎng)12 h使細(xì)胞貼壁,單獨(dú)加入40 μmol/L褐藻素或者先加入自噬抑制劑3-MA(5 mmol/L)或U0126(10 μmol/L)培養(yǎng)細(xì)胞2 h后再加入40 μmol/L褐藻素,繼續(xù)培養(yǎng)細(xì)胞48 h后,PBS洗3次,以離心半徑為13.5 cm、1 000 r/min離心5 min后用細(xì)胞裂解液裂解細(xì)胞。同一濃度重復(fù)3孔。蛋白定量后取50 μg蛋白加入上樣緩沖液,95 ℃變性10 min。8%聚丙烯酰胺-十二烷基磺酸鈉(SDS)凝膠電泳,電轉(zhuǎn)移至硝酸纖維素膜上,5%脫脂奶粉封閉后依次加入相應(yīng)的一抗和二抗,室溫孵育2 h,TBST緩沖液洗滌5次,每次10 min。凝膠成像系統(tǒng)分析細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白條帶[5]。試驗(yàn)設(shè)空白對(duì)照(0 μmol/L)。
取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞,調(diào)整細(xì)胞密度為5×105ml-1并接種于96孔培養(yǎng)板,培養(yǎng)12 h使細(xì)胞貼壁。單獨(dú)加入10 μmol/L褐藻素或先加入自噬抑制劑Baf A1或NH4Cl后,再加入10 μmol/L褐藻素,繼續(xù)培養(yǎng)細(xì)胞48 h,測(cè)定LC-3Ⅰ、LC-3Ⅱ、p62表達(dá)水平。對(duì)于溶酶體內(nèi)Cathepsin D檢測(cè),則分別加入10、20、40 μmol/L褐藻素培養(yǎng)細(xì)胞48 h后,PBS洗3次,以離心半徑為13.5 cm、1 000 r/min離心5 min,用細(xì)胞裂解液裂解細(xì)胞后,測(cè)定Cathepsin D表達(dá)水平。同一濃度重復(fù)3孔。蛋白定量后取50 μg蛋白加入上樣緩沖液,95 ℃變性10 min。8%聚丙烯酰胺-SDS凝膠電泳,電轉(zhuǎn)移至硝酸纖維素膜上,5%脫脂奶粉封閉后依次加入相應(yīng)的一抗和二抗,室溫孵育2 h,TBST緩沖液洗滌5次,每次10 min。凝膠成像系統(tǒng)分析蛋白條帶[5]。試驗(yàn)設(shè)空白對(duì)照(0 μmol/L)。
采用SPSS 12.0軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。各組數(shù)據(jù)均為計(jì)量資料,以表示,采用t檢驗(yàn)進(jìn)行分析。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
1、10、20、40、80 μmol/L褐藻素培養(yǎng)細(xì)胞48 h后,對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)具有明顯抑制作用,且呈濃度依賴關(guān)系,IC50為(55.1±7.6)μmol/L。細(xì)胞抑制率測(cè)定結(jié)果見表1。
表1 細(xì)胞抑制率測(cè)定結(jié)果(,n=3)Tab 1 Determination results of cell inhibition rate(,n=3)

表1 細(xì)胞抑制率測(cè)定結(jié)果(,n=3)Tab 1 Determination results of cell inhibition rate(,n=3)
與空白對(duì)照比較,10、20、40 μmol/L褐藻素培養(yǎng)細(xì)胞48 h后,可劑量依賴性地阻滯細(xì)胞于G0/G1期,但對(duì)細(xì)胞凋亡無(wú)顯著影響。細(xì)胞周期與凋亡測(cè)定結(jié)果見表2。

表2 細(xì)胞周期與凋亡測(cè)定結(jié)果Tab 2 Determination results of cell cycle and apoptosis
吖啶橙染色結(jié)果表明,經(jīng)40 μmol/L褐藻素處理48 h后,HeLa細(xì)胞內(nèi)紅色熒光明顯增強(qiáng),提示細(xì)胞內(nèi)的酸性小囊泡增多;Lyso-Tracker Red染色結(jié)果進(jìn)一步提示褐藻素可誘導(dǎo)溶酶體數(shù)量的增多及活性的增強(qiáng);HeLa-GFP-LC3細(xì)胞內(nèi)點(diǎn)狀綠色熒光明顯增多,而空白對(duì)照細(xì)胞內(nèi)呈現(xiàn)彌散性綠色熒光。細(xì)胞自噬測(cè)定結(jié)果見圖1。

圖1 細(xì)胞自噬與相關(guān)蛋白測(cè)定結(jié)果(×20)A.吖啶橙染色;B.LysoTracker Red染色;C.HeLa-GFP-LC3細(xì)胞測(cè)試法;D.Beclin-1和LC3Ⅰ、LCⅡ表達(dá);E.p-Akt、p-mTOR、p-p70S6K、Cyclin D1、CDK2、PTEN、p21表達(dá)Fig 1 Determination results of autophagy and related protein(s×20)A.acridine orange staining;B.LysoTracker Red staining;C.HeLa-GFPLC3 cell method;D.Beclin-1 and LC3Ⅰ,LCⅡexpression;E.p-Akt,p-mTOR,p-p70S6K,Cyclin D1,CDK2,PTEN,p21 expression
40 μmol/L褐藻素可增強(qiáng)自噬標(biāo)志性蛋白Beclin-1的表達(dá),可促進(jìn)LC3 Ⅰ轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)C3 Ⅱ,提示褐藻素誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生了自噬。與空白對(duì)照比較,40 μmol/L褐藻素作用細(xì)胞48 h后,p-Akt及其下游靶蛋白p70S6K和p-mTOR表達(dá)減弱,總Akt蛋白表達(dá)并無(wú)明顯改變;Akt信號(hào)通路的負(fù)調(diào)控蛋白PTEN表達(dá)增強(qiáng),提示褐藻素通過(guò)Akt/mTOR信號(hào)通路誘導(dǎo)HeLa細(xì)胞發(fā)生了自噬。與空白對(duì)照比較,40 μmol/L褐藻素可抑制CDK2、Cyclin D1蛋白表達(dá),增強(qiáng)p21蛋白表達(dá)。自噬抑制劑3-MA幾乎完全逆轉(zhuǎn)褐藻素對(duì)HeLa細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制作用,但對(duì)細(xì)胞凋亡無(wú)明顯影響,提示褐藻素的生長(zhǎng)抑制作用取決于自噬的發(fā)生。此外,3-MA部分逆轉(zhuǎn)褐藻素對(duì)自噬相關(guān)蛋白表達(dá)的調(diào)控。細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白的測(cè)定結(jié)果(自噬劑:3-MA)見圖1。
自噬的發(fā)生是一個(gè)連續(xù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程,自噬流量的檢測(cè)能反映該過(guò)程。Baf A1是囊泡H+ATPases特異性抑制劑,可抑制酸性溶酶體和自噬體/溶酶體的形成。結(jié)果顯示Baf A1可明顯增加褐藻素誘導(dǎo)的LC3 Ⅱ蛋白的表達(dá)。NH4Cl通過(guò)抑制溶酶體酸化可以抑制自噬底物的降解,結(jié)果顯示NH4Cl明顯逆轉(zhuǎn)了褐藻素誘導(dǎo)的p62表達(dá)降低。此外,褐藻素濃度依賴性地誘導(dǎo)分布在溶酶體內(nèi)Cathepsin D表達(dá)上調(diào)。細(xì)胞自噬流量測(cè)定結(jié)果(自噬劑:Baf A1或NH4Cl)見圖2。
綜合上述試驗(yàn)可知,自噬發(fā)生的分子機(jī)制涉及多種信號(hào)通路。由于3-MA并不完全抑制褐藻素對(duì)AKT/mTOR信號(hào)通路中關(guān)鍵蛋白的調(diào)控,提示可能有其他信號(hào)通路參與褐藻素誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬。經(jīng)過(guò)篩選,筆者發(fā)現(xiàn)褐藻素活化MEK/ERK信號(hào)通路,而MEK抑制劑U0126不僅可以抑制MEK/ERK信號(hào)通路的活化,而且可以部分逆轉(zhuǎn)褐藻素誘導(dǎo)的Beclin-1表達(dá)增強(qiáng)及LC3 Ⅰ轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)C3 Ⅱ,提示MEK/ERK信號(hào)通路也參與了褐藻素誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬。細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白測(cè)定結(jié)果(自噬劑:U0126)見圖3。

圖2 細(xì)胞自噬流量測(cè)定結(jié)果(自噬劑:Baf A1或NH4Cl)A.褐藻素+Baf A1;B.褐藻素+NH4Cl;C.褐藻素Fig 2 Determination results of autophagy flow of cell(sautophagy agent:Baf A1 or NH4Cl)A.fucoidan+Baf A1;B.fucoxanthin+NH4Cl;C.fucoxanthin

圖3 細(xì)胞自噬相關(guān)蛋白測(cè)定結(jié)果(自噬劑:U0126)Fig 3 Determination results of autophagy related proteins(autophagy agent:U0126)
自噬在腫瘤化療中的作用目前仍未完全闡明,腫瘤細(xì)胞通過(guò)發(fā)生自噬得以存活并對(duì)抗藥物的治療作用,抑制自噬可以促進(jìn)細(xì)胞凋亡,而一些抗腫瘤藥物通過(guò)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生自噬從而產(chǎn)生治療作用[8]。本研究表明,褐藻素的抗HeLa細(xì)胞增殖作用幾乎完全被自噬抑制劑3-MA逆轉(zhuǎn),說(shuō)明其抗增殖作用是通過(guò)自噬產(chǎn)生的。此外,褐藻素并不誘導(dǎo)HeLa細(xì)胞發(fā)生凋亡,這與以前的研究結(jié)果不同:褐藻素誘導(dǎo)人肝癌HepG2細(xì)胞同時(shí)發(fā)生自噬和凋亡,且自噬是抑制凋亡[5]。以上結(jié)果提示褐藻素可通過(guò)不同的機(jī)制產(chǎn)生抗腫瘤作用,具有腫瘤細(xì)胞特異性。
自噬的發(fā)生是一個(gè)動(dòng)態(tài)的連續(xù)過(guò)程,待降解物質(zhì)由雙層膜包裹而形成自噬體,隨后與溶酶體融合并形成自噬溶酶體,溶酶體內(nèi)的酸性水解酶消化水解待降解物質(zhì)并釋放回細(xì)胞質(zhì)中,從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的循環(huán)利用[9]。褐藻素引起HeLa細(xì)胞內(nèi)吖啶橙的紅色熒光和Lyso-Tracker Red的紅色熒光增強(qiáng),提示褐藻素誘導(dǎo)HeLa細(xì)胞發(fā)生了自噬。此外,Beclin-1表達(dá)增加、LC3Ⅰ轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)C3Ⅱ和HeLa-GFP-LC3轉(zhuǎn)染細(xì)胞試驗(yàn)均進(jìn)一步證實(shí)褐藻素誘導(dǎo)HeLa細(xì)胞發(fā)生了自噬。
Akt/mTOR信號(hào)通路往往參與細(xì)胞自噬的發(fā)生[10]。研究結(jié)果表明,褐藻素能明顯調(diào)控Akt/mTOR信號(hào)通路中一些關(guān)鍵蛋白,如Akt、mTOR、p70S6K的磷酸化以及上調(diào)PTEN(Akt/mTOR信號(hào)通路的負(fù)調(diào)控蛋白)的表達(dá),提示褐藻素誘導(dǎo)HeLa細(xì)胞發(fā)生的自噬是通過(guò)抑制該信號(hào)通路中關(guān)鍵蛋白的活化產(chǎn)生的。由于3-MA并不完全抑制褐藻素對(duì)Akt/mTOR信號(hào)通路中關(guān)鍵蛋白的調(diào)控,提示可能有其他信號(hào)通路參與褐藻素誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬。經(jīng)過(guò)篩選發(fā)現(xiàn),褐藻素通過(guò)使MEK1/2和ERK1/2磷酸化從而活化MEK/ERK信號(hào)通路,進(jìn)一步研究表明MEK抑制劑U0126不僅可以抑制MEK/ERK信號(hào)通路的活化,而且可以部分逆轉(zhuǎn)褐藻素誘導(dǎo)的Beclin-1表達(dá)增加及LC3 Ⅰ轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)C3 Ⅱ,提示MEK/ERK信號(hào)通路也參與了褐藻素誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬,即褐藻素通過(guò)抑制AKT/mTOR信號(hào)通路和激活MEK/ERK信號(hào)通路共同介導(dǎo)了HeLa細(xì)胞的自噬。此外,褐藻素是通過(guò)抑制p53、CDK2、Cyclin D1的表達(dá)以及促進(jìn)p21的表達(dá)從而誘導(dǎo)HeLa細(xì)胞周期阻滯于G0/G1期。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,褐藻素可誘導(dǎo)宮頸癌HeLa細(xì)胞發(fā)生自噬和細(xì)胞周期阻滯于G0/G1期,但并不誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。預(yù)孵自噬抑制劑3-MA后,褐藻素抗增殖作用被逆轉(zhuǎn),提示褐藻素抗HeLa細(xì)胞的作用取決于自噬,進(jìn)一步研究表明褐藻素是通過(guò)抑制Akt信號(hào)通路以及激活MEK/ERK信號(hào)通路誘導(dǎo)HeLa細(xì)胞自噬。
本研究進(jìn)一步完善了褐藻素抗腫瘤作用的分子機(jī)制,并為其應(yīng)用于臨床提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
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