大蒜素誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡研究進(jìn)展*

王廣彬,趙瑞杰,王文魁,關(guān)偉軍,馬月輝

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所,北京 100193;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,山西太谷 030801;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,陜西楊陵 712100)

大蒜素又稱大蒜新素,化學(xué)名稱為二烯丙基三硫醚,它是從百合科蔥屬植物大蒜的鱗莖中提取出的一種含硫化合物,具有強(qiáng)烈的大蒜臭,味辣,其藥理作用比較獨(dú)特,具有抗感染、降血脂、防止DNA損傷[1]、防治動(dòng)脈硬化[2]、提高細(xì)胞活力、提高細(xì)胞抗氧化及解毒能力[3]等多種抗病活性,近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)大蒜素同時(shí)也具有較好的防癌抗癌效果[4-6];近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)大蒜素具有抗腫瘤活性,大蒜素一方面可直接殺傷腫瘤細(xì)胞、抑制腫瘤細(xì)胞增殖并誘導(dǎo)其凋亡,如大蒜素可顯著誘導(dǎo)前列腺癌 LNCaP細(xì)胞[7]、小鼠黑色素瘤細(xì)胞 B16-F1[8]、人胃腺癌SGC-7901細(xì)胞株[9]等凋亡;另一方面,大蒜素可激發(fā)免疫系統(tǒng)釋放多種活性因子,通過(guò)機(jī)體細(xì)胞免疫和體液免疫阻礙腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng),從而達(dá)到其防癌和抗癌的功效。與傳統(tǒng)放療化療藥物相比較,大蒜素在臨床治療腫瘤的過(guò)程中,不但對(duì)機(jī)體沒(méi)有毒副作用,而且還能激發(fā)機(jī)體釋放多種細(xì)胞因子,增強(qiáng)機(jī)體免疫抵抗力。

大蒜素誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡是個(gè)精密調(diào)控的過(guò)程,在此期間許多蛋白都參與了此過(guò)程的調(diào)控,這些蛋白包括Bcl-2家族蛋白、半胱氨酸caspase、p53、IAP家族等,現(xiàn)對(duì)這些蛋白調(diào)控的研究進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

1 Bcl蛋白家族

在腫瘤細(xì)胞凋亡的過(guò)程中,bcl-2家族蛋白是凋亡的關(guān)鍵調(diào)控者,按照其結(jié)構(gòu)和功能可將bcl-2家族分為3個(gè)亞家族:①促凋亡BH3only亞家族,主要包括 Bim 、Bad、Puma、Bik 、Bmf、Noxa 等;②促凋亡Bak亞家族,主要包括 Bax、Bok、Bak等;③抗凋亡Bcl-2 亞家族,主要包括 Bcl-2、Mcl-1、Bcl-xl等。Bcl-2家族蛋白主要分布于線粒體外膜、核膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。Bcl-2家族蛋白主要通過(guò)兩種機(jī)制在線粒體上發(fā)揮作用。一方面Bcl-2家族蛋白成員精確的改變線粒體膜的通透性;另一方面通過(guò)感受從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中釋放出來(lái)的鈣離子,誘導(dǎo)產(chǎn)生線粒體的PT通道,導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[9]。BH3only蛋白的活性可在凋亡信號(hào)刺激下受各種機(jī)制調(diào)節(jié),包括轉(zhuǎn)錄和翻譯后調(diào)控,Hrk、Bim、Noxa、Puma主要受轉(zhuǎn)錄控制,而B(niǎo)ad主要通過(guò) 14-3-3蛋白使其磷酸化,Bid則被caspase-8水解產(chǎn)生活性截短產(chǎn)物tBid[10]。

2 Caspase家族蛋白

經(jīng)典的凋亡過(guò)程包括線粒體途徑和死亡受體途徑,它們通過(guò)激活一系列蛋白酶,從而促進(jìn)凋亡的發(fā)生,在此過(guò)程中,半胱氨酸蛋白酶caspase在凋亡的過(guò)程中發(fā)揮十分重要的作用,這些蛋白酶是引起細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵酶,一旦被信號(hào)途徑激活,便能迅速將細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)降解,使細(xì)胞迅速凋亡。caspase以無(wú)活性的酶原形式存在于體內(nèi),活性較低,在凋亡過(guò)程中,caspase通過(guò)蛋白的水解切割,使之由無(wú)活性的酶原形式轉(zhuǎn)變成為有活性的酶[11]。

3 p53

p53是一種抑癌基因,它的生物學(xué)功能是在G期監(jiān)視DNA的完整性,當(dāng)細(xì)胞有損傷時(shí),它會(huì)抑制細(xì)胞增殖,直到DNA修復(fù)完成;如果DNA不能修復(fù),則誘導(dǎo)其凋亡;p53通過(guò)調(diào)節(jié)Bcl-2家族促凋亡分子的轉(zhuǎn)錄來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞色素C的釋放來(lái)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[12];也可以通過(guò)轉(zhuǎn)錄非依賴機(jī)制來(lái)誘導(dǎo),p53誘導(dǎo)的線粒體凋亡不依賴轉(zhuǎn)錄機(jī)制有3個(gè)方面:①p53能與Bax結(jié)合,使其激活,并使Bax多聚化;②p53能直接與 Bcl-2和Bcl-XL結(jié)合,從而阻斷它們與Bcl-2家族促凋亡分子的結(jié)合;③p53與Bak結(jié)合,阻斷Bak與Bcl-2家族的抗凋亡分子Mcl-1結(jié)合,并促進(jìn)Bak多聚化并導(dǎo)致凋亡。p53的清除率非常高,因而通常在細(xì)胞中有很少的活性蛋白,p53內(nèi)在的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是決定其活性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。此外,p53蛋白的活性和水平也受調(diào)控蛋白的調(diào)節(jié),其中蛋白激酶,分子伴侶HSP90和功能頡頏劑Mdm2對(duì)調(diào)節(jié)p53的活性和穩(wěn)定性起重要的作用。

4 IAPs凋亡抑制蛋白

現(xiàn)已鑒定的人類IAP家族成員有8種,即XIAP 、cIAP1、cIAP2、NIAP 、Apollon 、ML-IAP 、Survivin和ILP-2。IAPs的功能不僅局限在對(duì)caspase的抑制作用上,在細(xì)胞周期調(diào)節(jié),蛋白降解和caspase非依賴的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中也起著十分重要的作用[13]。IAPs主要受3個(gè)方面機(jī)制的調(diào)控,即轉(zhuǎn)錄水平,轉(zhuǎn)錄后翻譯水平和翻譯后加工。在轉(zhuǎn)錄方面,survivin產(chǎn)生是細(xì)胞周期依賴性,正常細(xì)胞中產(chǎn)生于G2/M期,cIAP,XIAP,受核轉(zhuǎn)錄因子NF-kB調(diào)控,在大多數(shù)情況下,NF-kB的激活能產(chǎn)生生存信號(hào),其中一個(gè)原因就是通過(guò)NF-kB的激活,促進(jìn)凋亡蛋白的基因轉(zhuǎn)錄,這些基因主要有cIAP2,XIAP和幾個(gè)Bcl-2家族成員。在翻譯水平的調(diào)控上XIAP的mRNA一端未翻譯區(qū)含有一個(gè)有功能的內(nèi)部核糖體進(jìn)入位點(diǎn)[14],使得能進(jìn)行cap非依賴的mRNA翻譯。

5 大蒜素誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的途徑

雖然大蒜素能夠誘導(dǎo)多種腫瘤細(xì)胞凋亡,并且在國(guó)內(nèi)外有很多的報(bào)道,但是對(duì)其凋亡機(jī)制的研究甚少,大蒜素誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的途徑可能有以下幾個(gè)方面。

5.1 對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)周期的影響

陳鐵軍等[15]通過(guò)檢測(cè)人胃癌細(xì)胞系SGC-7901細(xì)胞的增殖抑制率,并通過(guò)定量分析cyclin B1在用藥前后的改變,發(fā)現(xiàn)大蒜素可以促進(jìn)微管解聚,使細(xì)胞周期阻滯于M 期;郝艷梅等[16]研究表明,大蒜素能將人白血病HL-60細(xì)胞周期阻滯于G2/M期;張燕等[17]用流式細(xì)胞儀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)鼠肝癌細(xì)胞MM45T.Li經(jīng)大蒜素處理后,其細(xì)胞周期滯留于G0/G1期,并可見(jiàn)凋亡峰,表明大蒜素對(duì)鼠肝癌細(xì)胞MM45T.Li抑制作用與誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞凋亡、阻抑細(xì)胞周期有關(guān)。

5.2 對(duì)腫瘤細(xì)胞相關(guān)凋亡基因及caspase蛋白的影響

研究發(fā)現(xiàn)有許多基因與腫瘤細(xì)胞凋亡有很大的關(guān)系,對(duì)這些基因按照作用機(jī)制可以分為凋亡誘導(dǎo)基因和凋亡抑制基因2大類,常見(jiàn)的凋亡誘導(dǎo)基因有p53基因、Fas基因、bax基因等;凋亡抑制基因有bcl-XL基因、bcl-2及其相關(guān)基因等,同時(shí),caspase蛋白在細(xì)胞凋亡過(guò)程中發(fā)揮十分重要的作用,細(xì)胞凋亡信號(hào)傳導(dǎo)的關(guān)鍵是caspase的激活,Marks N等[18]研究發(fā)現(xiàn)caspase家族是存在于哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,是與線蟲(chóng)細(xì)胞死亡蛋白Ced23相似的一類蛋白酶,迄今已發(fā)現(xiàn)16個(gè)成員。Xiao D等[19]研究發(fā)現(xiàn),大蒜素誘導(dǎo)的前列腺癌細(xì)胞株P(guān)C-3和DU-145凋亡是通過(guò)活化caspase-3和caspase-9來(lái)實(shí)現(xiàn)的,同時(shí)還發(fā)現(xiàn)caspase抑制劑能夠抑制大蒜素誘導(dǎo)的前列腺癌細(xì)胞株的凋亡。目前人們廣為接受的細(xì)胞凋亡途徑有兩種:即線粒體途徑和死亡受體途徑。Green R等[20]認(rèn)為bcl-2基因家族在誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡過(guò)程中發(fā)揮十分重要的作用,抗凋亡基因bcl-2和促凋亡基因bax都定位于線粒體膜上,在凋亡的誘導(dǎo)過(guò)程中,bax的含量增加,從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到線粒體外膜上,使線粒體膜的通透性增加,同時(shí)也使線粒體跨膜電位下降,從而使細(xì)胞色素C釋放入細(xì)胞質(zhì)中,激活caspase-3,增強(qiáng)核酸內(nèi)切酶的活性,對(duì)DNA進(jìn)行切割,使DNA發(fā)生分解斷裂,從而使細(xì)胞發(fā)生凋亡,而 bcl-2基因的作用則與 bax基因作用相反。Yang E等[21]認(rèn)為bcl-2與bax的比值是決定細(xì)胞凋亡與否的重要因素,細(xì)胞對(duì)死亡信號(hào)的敏感性取決于bcl-2與bax形成的二聚體變化過(guò)程,當(dāng)bcl-2表達(dá)低時(shí),形成bax-bax二聚體,誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡;當(dāng)bcl-2表達(dá)高時(shí),形成bax-bcl-2二聚體,頡頏baxbax誘導(dǎo)凋亡的作用,使細(xì)胞不會(huì)發(fā)生凋亡。周鋼等[22]在大蒜素誘導(dǎo)LM-8細(xì)胞凋亡及相關(guān)基因表達(dá)的實(shí)驗(yàn)研究中證實(shí)大蒜素在誘導(dǎo)LM-8骨肉瘤細(xì)胞凋亡過(guò)程中bcl-2和bax基因的相關(guān)作用是誘導(dǎo)凋亡的重要機(jī)制之一。

5.3 對(duì)腫瘤細(xì)胞端粒酶活性的影響

Harley C B[23]認(rèn)為端粒酶是一種主要由蛋白和RNA組成的核糖核蛋白,它能夠以RNA為模板進(jìn)行逆轉(zhuǎn)錄并延長(zhǎng)端粒,使得細(xì)胞具有無(wú)限增殖能力,其中RNA的主要功能是穩(wěn)定端粒長(zhǎng)度、延伸端粒重復(fù)序列。由于端粒酶在腫瘤細(xì)胞中廣泛表達(dá),研究人員試圖通過(guò)抑制端粒酶活性的方法來(lái)誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡,Zhang Z M等[6]研究發(fā)現(xiàn)過(guò)度表達(dá)的bcl-2明顯增強(qiáng)了端粒酶的活性,而bcl-2表達(dá)的下調(diào)則降低了端粒酶的活性;王旭光等[24]通過(guò)試驗(yàn)也證實(shí)3種不同濃度的大蒜素均能不同程度降低早幼白血病細(xì)胞HL-60細(xì)胞端粒酶的活性,抑制細(xì)胞生長(zhǎng),從而使HL-60細(xì)胞凋亡。

5.4 對(duì)線粒體的影響

線粒體途徑是細(xì)胞凋亡兩種途徑中比較重要的一種,在細(xì)胞凋亡的過(guò)程中,線粒體發(fā)揮著十分重要的作用,它參與了細(xì)胞死亡的現(xiàn)時(shí)進(jìn)程,主要包括介導(dǎo)和調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的發(fā)生,Green R等[20]認(rèn)為在各種外界因素誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞凋亡過(guò)程中,bax的含量增加,從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到線粒體外膜上,使線粒體膜的通透性增加,同時(shí)也使線粒體跨膜電位下降,線粒體內(nèi)的許多蛋白質(zhì)包括細(xì)胞色素C、AIF被釋放出來(lái),從而引起一系列的反應(yīng),誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。騰幗英等[25]認(rèn)為當(dāng)細(xì)胞色素C從線粒體釋放入細(xì)胞質(zhì)中后,它與Apaf-I及Caspase9前體形成凋亡體,在細(xì)胞質(zhì)中存在的dATP共同作用下,使Caspase9前體活化,啟動(dòng)Caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng),最終誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡。周鋼等[25]在大蒜素誘導(dǎo)LM-8細(xì)胞凋亡及相關(guān)基因表達(dá)的實(shí)驗(yàn)研究也在不同程度上證實(shí)了大蒜素可能是通過(guò)上述機(jī)制誘導(dǎo)LM-8細(xì)胞發(fā)生凋亡,但其誘導(dǎo)凋亡的具體機(jī)制還不是十分清楚,尚待進(jìn)一步研究。

5.5 對(duì)細(xì)胞內(nèi)鈣離子水平的影響

人們很早就發(fā)現(xiàn)細(xì)胞凋亡的調(diào)控與細(xì)胞內(nèi)鈣離子信號(hào)系統(tǒng)有著十分密切的關(guān)系,細(xì)胞內(nèi)的鈣離子可作為第二信使參與和啟動(dòng)并調(diào)控細(xì)胞凋亡。研究顯示中草藥可以通過(guò)提高細(xì)胞內(nèi)游離Ca2+水平誘導(dǎo)胃癌細(xì)胞凋亡。季宇彬等[26]通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)不同劑量的海嘧啶作用胃癌SGC-7901細(xì)胞12 h～48 h后用特異性鈣離子熒光探測(cè)劑FIuo-3/AM在激光掃描共聚焦顯微鏡下檢測(cè)不同時(shí)期細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度,結(jié)果表明海嘧啶可通過(guò)升高腫瘤細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度達(dá)到誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的目的。而引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+釋放和開(kāi)放細(xì)胞膜鈣通道是提高細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平的兩條主要途徑,但目前對(duì)大蒜素通過(guò)提高細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的研究和報(bào)道甚少,對(duì)其誘導(dǎo)凋亡的具體機(jī)制還不是十分明了,尚需進(jìn)一步探索和研究。

6 前景與展望

雖然現(xiàn)在對(duì)大蒜素誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展,了解了其誘導(dǎo)凋亡大體的作用機(jī)制,但由于受科技發(fā)展水平等各方面的限制,要搞清楚大蒜素誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡具體的作用機(jī)制還需要一段時(shí)間,總之,研究大蒜素誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡將會(huì)為臨床各種癌癥的治療提供理論依據(jù),將會(huì)為中藥的發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ),因此研究大蒜素誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡具有廣闊的發(fā)展前景。

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