茉莉酸類的抗癌活性及其作用機制

楊 清

0 引言

茉莉酸類是一族與前列腺素類有相似結(jié)構(gòu)的植物應(yīng)激激素。天然的茉莉酸類包括：順-茉莉酮(Cis-Jasmone，CJ)、茉莉酸(Jasmonic Acid，JA)、茉莉酸甲酯(Methyl Jasmonate，MJ)等，均屬于環(huán)戊酮類脂肪酸衍生物，普遍存在于各種植物體中。JA與MJ的化學(xué)結(jié)構(gòu)類似于水楊酸類。茉莉酸類能使植物對外界傷害和病原菌侵染做出防御反應(yīng)，是誘導(dǎo)防衛(wèi)基因表達的信號分子，也是與植物防御相關(guān)的最有效調(diào)節(jié)物質(zhì)[1]。茉莉酸類具有廣譜的生理效應(yīng)，其信號分子促進了植物對病原真菌的直接防御反應(yīng)，且其組成性激活增強了植物對植食昆蟲的抗性[2]。此外，作為植物發(fā)育與防御中作用的一部分，茉莉酸類還參與了植物的程序性細胞死亡，其機制類似于哺乳動物的細胞凋亡[3]。

實驗表明，除了在植物中的這些天然作用外，茉莉酸類還對哺乳動物細胞具有抗癌效果[4]。天然茉莉酸類及其合成衍生物能夠抑制各種人和鼠科動物癌細胞的增殖，并能誘導(dǎo)癌細胞死亡[5]。茉莉酸類對癌細胞具有選擇性細胞毒性，這一點已由慢性淋巴性白血病(Chronic lymphocytic leukemia，CLL)患者血中提取的癌細胞和正常外周血單個核細胞的混合種群中得到驗證。而且，MJ的細胞毒性與CLL患者血液中的癌細胞百分比呈正相關(guān)[6]。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，茉莉酸類能提高淋巴瘤小鼠體內(nèi)的T細胞殘存量[7]。近年來，許多研究者在積極探索茉莉酸類的抗癌活性，以期破譯MJ誘導(dǎo)產(chǎn)生自身毒性效應(yīng)的分子機制。這些研究工作還發(fā)現(xiàn)了茉莉酸類對哺乳動物細胞的其他抗癌活性(包括基因調(diào)節(jié))。本文介紹了茉莉酸類的抗癌活性，并對其作用機制的研究進展進行簡單總結(jié)。

1 茉莉酸類可誘導(dǎo)細胞死亡

Flescher科研團隊首先發(fā)現(xiàn)茉莉酸類具有抗癌活性-影響各種癌細胞的增殖，并誘導(dǎo)其死亡。茉莉酸類具有抗癌藥物所必需的兩個重要特質(zhì)：①對癌細胞的高選擇性和對正常細胞的無效性；②對耐藥癌細胞的抑制能力。如：JA和MJ對人體正常淋巴細胞沒有影響，但是對淋巴細胞性白血病細胞有很強的細胞毒性效應(yīng)。實驗表明，與野生型p53 B淋巴瘤細胞相比，突變型p53表達細胞對爭光霉素和新抑癌蛋白(Neocarzinostatin，NCS)的毒性效應(yīng)有更強的耐受性，而茉莉酸類對野生型p53 B淋巴瘤細胞和突變型p53表達細胞都具有毒性效應(yīng)[8]。茉莉酸類在各種不同類型的癌癥(胃癌、肝癌、乳腺癌、結(jié)腸癌、前列腺癌、肺癌、子宮癌、神經(jīng)細胞瘤、淋巴瘤和白血病)的癌細胞和癌細胞系中均表現(xiàn)出抗癌細胞毒性效應(yīng)[9-10]。不僅如此，采用MJ對EL-4荷瘤小鼠進行治療，小鼠存活期明顯延長，這表明無論在體內(nèi)還是體外，MJ均具有抗癌活性。

茉莉酸能誘導(dǎo)癌細胞凋亡。通過觀察Hoechst或DAPI染色確定的細胞核的細胞形態(tài)以及細胞凋亡的典型表征，或利用流式細胞儀進行DNA含量和Annexin V分析，或測量caspase-3活性，都可以得出這一結(jié)論[11]。茉莉酸可抑制抗凋亡蛋白質(zhì)，或激活促凋亡蛋白質(zhì)，因此能夠促進細胞凋亡。如：茉莉酸類能誘導(dǎo)神經(jīng)母細胞瘤細胞凋亡。用MJ治療SH-SY5Y，抑制了XIAP和Survivin(均為IAP家族的成員)的表達，因此可促進細胞凋亡[12]。在人乳腺癌細胞中，MJ誘導(dǎo)的細胞凋亡與膜流動性下降、腫瘤壞死因子受體表達增強及caspases-8激活均有關(guān)聯(lián)，表明茉莉酸類激活了外在的凋亡通路[13]。在人非小細胞肺癌細胞A549中，MJ誘導(dǎo)活性氧產(chǎn)生，而活性氧能增強促凋亡蛋白質(zhì)(Bcl-2族、Bax和Bcl-Xs)的表達[14]。還有研究發(fā)現(xiàn)，MJ能抑制輻射誘導(dǎo)的Bcl-2的表達，并增強人前列腺癌細胞PC-3輻射誘導(dǎo)凋亡[15]。然而，茉莉酸類誘導(dǎo)的細胞死亡模式可能在細胞凋亡和非凋亡性細胞死亡之間變化，具體情況依p53的狀態(tài)而定。如：在野生型p53細胞中，MJ主要誘導(dǎo)細胞凋亡；而在突變型p53細胞中，MJ誘導(dǎo)細胞壞死。此外，在一些宮頸癌細胞株中，MJ的細胞毒性效應(yīng)表現(xiàn)為同時誘導(dǎo)細胞凋亡和細胞壞死，與p53、p21、Bcl-2和Bax的含量變化有關(guān)[16]。在宮頸癌細胞株中，MJ導(dǎo)致Survivin的下調(diào)，并明顯降低人乳頭瘤病毒E6和E7的蛋白含量[17]。

2 茉莉酸類誘導(dǎo)細胞死亡的作用機制

茉莉酸類誘導(dǎo)細胞死亡的作用機制之一是生物能機制，可以解釋MJ對癌細胞的選擇性。線粒體是決定細胞生死的關(guān)鍵，線粒體擾動能導(dǎo)致細胞凋亡和細胞壞死[18]。癌細胞線粒體與正常線粒體存在一些模式差異：①癌細胞線粒體膜電位高于正常線粒體膜電位；②通透性轉(zhuǎn)換孔復(fù)合體(Permeability transition pore complex，PTPC)組分(包含VDAC、ANT、親環(huán)素D)的表達調(diào)控；③在癌細胞中，通過糖酵解增強ATP生成率[19]。許多化療藥物能誘導(dǎo)線粒體介導(dǎo)的細胞凋亡(內(nèi)在的凋亡通道)[20]，其通過線粒體擾動起作用，如導(dǎo)致線粒體膜的通透性轉(zhuǎn)換、膜去極化、滲透膨脹及細胞色素C釋放。由于茉莉酸類的毒性效應(yīng)不依賴轉(zhuǎn)錄、翻譯及p53的狀態(tài)，其對線粒體的影響得到驗證。有證據(jù)表明，MJ在誘導(dǎo)細胞死亡之前首先減少癌細胞中ATP的含量。因此，推測癌細胞線粒體產(chǎn)生ATP的能力受損，致使其對MJ誘導(dǎo)的ATP快速消耗更為敏感。研究發(fā)現(xiàn)，MJ誘導(dǎo)的ATP含量下降并不依賴于丙酮酸(底物)和寡霉素(氧化磷酸化抑制劑)。相反，葡萄糖能保護細胞免受MJ誘導(dǎo)的ATP消耗，并減少細胞死亡。而且，MJ和糖酵解抑制劑2DG組合能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)[21]。茉莉酸類能在一些人體癌細胞株中誘導(dǎo)線粒體膜去極化和細胞色素C釋放。MJ還能以PTPC介導(dǎo)的方式，在從癌細胞株中分離出的線粒體中誘導(dǎo)膨脹和細胞色素C釋放，但是其無法作用于非轉(zhuǎn)化細胞或正常淋巴球分離出的線粒體。以上研究表明了MJ對線粒體的直接效應(yīng)，同時也表明MJ對癌細胞的選擇性源自癌細胞和非癌細胞的不同線粒體狀態(tài)。

MJ以線粒體為靶標，因此有必要深入研究癌細胞線粒體中的MJ目標合成物。第一個候選評估對象是已糖激酶(Hexokinase，HK)。HK是糖酵解起始酶，其催化葡萄糖磷酸化為6-磷酸葡萄糖，從而減少了細胞內(nèi)的葡萄糖。這也是糖酵解中的限速步驟。在癌細胞中，HK被過度表達，且多半根據(jù)疏水作用通過VDAC結(jié)合于線粒體[22]。HK過度表達在癌細胞的生長率和存活率方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，并且與腫瘤生長率密切關(guān)聯(lián)[23]。因此，結(jié)合于線粒體的HK的過度表達可以解釋瓦爾堡效應(yīng)[24]。而Goldin等已經(jīng)證實，MJ能特異性結(jié)合于HK，并能破壞HK與線粒體VDAC之間的相互作用，從而導(dǎo)致HK從線粒體脫離，隨后產(chǎn)生細胞色素C釋放[25]。此外，HK瞬時過表達方面的研究證明，癌細胞和線粒體對MJ的敏感性依賴于HK的表達及其線粒體相關(guān)性。因此，MJ誘導(dǎo)的HK與線粒體的分離干擾了線粒體的滲透性及全部細胞的能量，直接導(dǎo)致細胞死亡。這是基于抗癌藥物和HK直接相互作用的細胞損傷機制的首次描述，有助于開發(fā)抑制HK-VDAC相互作用的新型小分子抗癌化合物[26]。

此外，癌細胞對MJ的敏感性與肉瘤細胞株中p-AKt的狀態(tài)存在強相關(guān)。大多數(shù)癌癥的pI3K/Akt(PKB)途徑發(fā)生調(diào)控異常，并且在抗癌藥物耐受性方面發(fā)揮重要作用[27]。Akt活性削弱了癌細胞株對不同化療藥物的敏感性。因此，pI3K/Akt特異性抑制劑能提高癌細胞對抗癌藥物的敏感性[28]。Akt提升存活率的作用依賴于葡萄糖可用性。此外，Akt信號和線粒體HK在細胞死亡調(diào)節(jié)方面存在關(guān)聯(lián)[29]。Elia等[30]研究發(fā)現(xiàn)，用MJ治療引起肉瘤細胞株中p-Akt含量的增加。聯(lián)合使用pI3K/Akt途徑抑制劑和MJ可以抑制MJ誘導(dǎo)的Akt活性，從而協(xié)同誘導(dǎo)出對MJ細胞毒性的致敏作用。此外，2DG能消除MJ誘導(dǎo)的p-Akt含量增長，抑制Akt的抗凋亡效應(yīng)，使細胞對MJ更為敏感。顯然，聯(lián)合使用MJ、Akt抑制劑和2DG治療肉瘤具有多種優(yōu)勢。

茉莉酸類誘導(dǎo)細胞死亡的另一個作用機制是借助活性氧類(Reactive oxygen species，ROS)的參與[31]。MJ能通過C6膠質(zhì)瘤中的熱休克因子Ⅰ(Heat shock factorⅠ，HSF1)，誘導(dǎo)熱休克蛋白質(zhì)72(Heat shock protein 72，HSP72)。經(jīng)過MJ治療，細胞內(nèi)的H2O2、過氧化物和線粒體ROS的含量增加，而MJ誘導(dǎo)的HSP72表達被ROS抑制劑阻止。在A549細胞中，MJ能通過H2O2生成增加促凋亡蛋白質(zhì)Bax和Bcl-xS，進而誘導(dǎo)細胞凋亡。此外，茉莉酸類還以醛酮還原酶1C(Aldo-ketoreductase1C，AKR1C)亞型為靶標[32]。作為癌癥病理學(xué)介質(zhì)，AKR超家族的成員正在不斷涌現(xiàn)。其中，AKR1C3參與前列腺素D2(Prostaglandin D2，PGD2)的新陳代謝，促進骨髓性白血病細胞株的分化[33]。而茉莉酸類與PGD具有結(jié)構(gòu)相似性，能夠抑制AKR1C。在骨髓性白血病細胞株HL-60和KG1a中，JA和MJ都能誘導(dǎo)出大量的ROS，而MJ還能誘導(dǎo)出大量的線粒體過氧化物(Mitochondrial superoxide，MSO)。MSO的形成與細胞活力的削弱存在強相關(guān)。

3 茉莉酸類可導(dǎo)致癌細胞的基因表達異常

茉莉酸類能誘導(dǎo)癌細胞死亡，并具有其他的抗癌活性。此外，有證據(jù)表明，在誘導(dǎo)癌細胞死亡方面，茉莉酸類能與其他抗癌藥物(如TRAIL)產(chǎn)生協(xié)同抗癌效應(yīng)[34]。此外，茉莉酸類還能改變基因表達[35-36]，這可能是茉莉酸類誘導(dǎo)的細胞死亡效應(yīng)直接導(dǎo)致的結(jié)果，也可能是和該效應(yīng)相伴而生的。研究中可能檢測到的基因表達變化主要是抗凋亡蛋白質(zhì)(如IAP家族、Bcl-2)的下調(diào)或者是促凋亡蛋白質(zhì)(如Bax)的上調(diào)。

4 新型茉莉酸類衍生物

制約天然茉莉酸類(如MJ)成為化療藥物的主要因素在于，天然茉莉酸類需要毫克分子量級的大劑量使用才有效果[37]。因此，為了將茉莉酸類開發(fā)為抗癌藥物，近年來研究人員嘗試研制合成類似物以降低藥物治療劑量并維持抗癌效果，但是很少取得成功。目前已有的茉莉酸類合成類似物和衍生物以及相應(yīng)的有效濃度和抗癌活性見表1。

表1 茉莉酸類合成衍生物及其抗癌活性

茉莉酸類必須大劑量使用才能發(fā)揮抗癌作用，這也是其很難成為抗癌藥物的主要原因。為了發(fā)展基于茉莉酸類的治療方案，迫切需要進一步發(fā)展茉莉酸類的類似物，以使其具有更低的最低有效濃度和更高的溶解度，同時仍然維持強有效的抗癌作用。此外，還需要開發(fā)體內(nèi)模型，其目的在于：①評估茉莉酸類的毒性和安全性；②評估其藥代動力學(xué)穩(wěn)定性；③開發(fā)其配方和給藥方法，對作為抗癌藥物的茉莉酸類行進一步的研究和評估。由于茉莉酸類與其他抗癌藥物可能有協(xié)同作用，因此有必要對茉莉酸類與現(xiàn)有抗癌藥物(如鉑化合物)和發(fā)展中的抗癌藥物(TRAIL)進行聯(lián)合用藥的可能性進行體內(nèi)驗證，這也有助于基于茉莉酸類的抗癌方案的引入和推廣。

參考文獻：

[1] 李祖光,敬剛,魏丹,等.茉莉酸類化合物的合成研究進展[J].有機化學(xué),2013,33(11):2310-2324.

[2] 劉慶霞,李夢莎,國靜.茉莉酸生物合成的調(diào)控及信號通路[J].植物生理學(xué)報,2012,48(9):837-844.

[3] 龐洪影,王彥杰,謝立波,等.茉莉酸類化合物與單線態(tài)氧相互作用的研究進展[J].北方園藝,2011,36(22):180-183.

[4] 李曉穎,高獻書.新型抗腫瘤藥-茉莉酮酸酯[J].中國新藥雜志,2012,21(18):2156-2160.

[5] Fingrut O,Flescher E.Plant stress hormones suppress the proliferation and induce apoptosis in human cancer cells [J].Leukemia,2002,16(4):608-616.

[6] Flescher E.Jasmonates-a new family of anti-cancer agents [J].Anticancer Drugs,2005,16(9):911-916.

[7] Rotem R,Heyfets A,Fingrut O,et al.Jasmonates:novel anticancer agents acting directly and selectively on human cancer cell mitochondria [J].Cancer Res,2005,65(5):1984-1993.

[8] Fingrut O,Reischer D,Rotem R,et al.Jasmonates induce nonapoptotic death in highresistance mutant p53-expressing B-lymphoma cells [J].Br J Pharmacol,2005,146(6):800-808.

[9] 董秋菊,張建福,韓紅霞,等.茉莉酸甲酯對胃癌SGC7901細胞生長抑制機制探討[J].中國腫瘤防治雜志,2013,20(9):641-645.

[10]盧永剛,譚晶,張潔,等.茉莉酸甲酯對人肝癌細胞HepG-2裸鼠皮下移植瘤生長抑制作用的研究[J].昆明醫(yī)學(xué)院學(xué)報,2007,(6):24-28.

[11]Yeruva L,Pierre KJ,Carper SW,et al.Jasmonates induce apoptosis and cell cycle arrest in nonsmall cell lung cancer lines [J].Exp Lung Res,2006,32(10):499-516.

[12]Tong QS,Jiang GS,Zheng LD,et al.Methyljasmonatedownregulates expression of proliferating cell nuclear antigen and induces apoptosis in human neuroblastoma cell lines [J].Anticancer Drugs,2008,19(6):573-581.

[13]Yeruva L,Elegbede JA,Carper SW.Methyljasmonate decreases membrane fluidity and induces apoptosis through tumor necrosis factor receptor 1 in breast cancer cells [J].Anticancer Drugs,2008,19(8):766-776.

[14]Kim JH,Lee SY,Oh SY,et al.Methyljasmonate induces apoptosis through induction of Bax/Bcl-XS and activation of caspase-3 via ROS production in A549 cells [J].Oncol Rep,2004,12(6):1233-1238.

[15]Ezekwudo D,Shashidharamurthy R,Devineni D,et al.Inhibition of expression of antiapoptotic protein Bcl-2 and induction of cell death in radioresistant human prostate adenocarcinoma cell line(PC-3)by methyl jasmonate [J].Cancer Lett,2008,270(2):277-285.

[16]Kniazhanski T,Jackman A,Heyfets A,et al.Methyljasmonate induces cell death with mixed characteristics of apoptosis and necrosis in cervical cancer cells [J].Cancer Lett,2008,271(1):34-46.

[17]Milrot E,Jackman A,Kniazhanski T,et al.Methyljasmonate reduces the survival of cervical cancer cells and downregulatesHPVE6 and E7,and surviving [J].Cancer Lett,2012,319(1):31-38.

[18]Newmeyer DD,Ferguson-Miller S.Mitochondria:releasing power for life and unleashing the machineries of death [J].Cell,2003,112(4):481-490.

[19]Warburg O.On the origin of cancer cells [J].Science,1956,123(3191):309-314.

[20]Ghobrial IM,Witzig TE,Adjei AA.Targeting apoptosis pathways in cancer therapy [J].CA Cancer J Clin,2005,55(3):178-194.

[21]Heyfets A,Flescher E.Cooperative cytotoxicity of methyl jasmonate with anti-cancer drugs and 2-deoxy-D-glucose [J].Cancer Lett,2007,250(2):300-310.

[22]Pedersen PL,Mathupala S,Rempel A,et al.Mitochondrial bound type II hexokinase:a key player in the growth and survival of many cancers and an ideal prospect for therapeutic intervention [J].Biochim Biophys Acta,2002,1555(1-3):14-20.

[23]Mathupala SP,Ko YH,Pedersen PL.Hexokinase II:cancer′s double-edged sword acting as both facilitator and gatekeeper of malignancy when bound to mitochondria [J].Oncogene,2006,25(34):4777-4786.

[24]Pedersen PL.Warburg,me and Hexokinase 2:multiple discoveries of key molecular events underlying one of cancers′ most common phenotypes,the“Warburg Effect”,i.e.,elevated glycolysis in the presence of oxygen [J].J Bioenerg Biomembr,2007,39(3):211-222.

[25]Goldin N,Arzoine L,Heyfets A,et al.Methyljasmonate binds to and detaches mitochondria-bound hexokinase [J].Oncogene,2008,27(34):4636-4643.

[26]Galluzzi L,Kepp O,Tajeddine N,et al.Disruption of the hexokinase-VDAC complex for tumor therapy [J].Oncogene,2008,27(34):4633-4635.

[27]Liu P,Cheng H,Roberts TM,et al.Targeting the phosphoinositide 3-kinase pathway in cancer [J].Nat Rev Drug Discov,2009,8(8):627-644.

[28]Falasca M.PI3 K/Akt signalling pathway specific inhibitors:a novel strategy to sensitize cancer cells to anti-cancer drugs [J].Curr Pharm Des,2010,16(12):1410-1416.

[29]Majewski N,Nogueira V,Robey RB,et al.Akt inhibits apoptosis downstream of BID cleavage via a glucose-dependent mechanism involving mitochondrial hexokinases [J].Mol Cell Biol,2004,24(2):730-740.

[30]Elia U,Flescher E.PI3 K/Akt pathway activation attenuates the cytotoxic effect of methyl jasmonate toward sarcoma cells[J].Neoplasia,2008,10(11):1303-1313.

[31]Oh SY,Kim JH,Park MJ,et al.Induction of heat shock protein 72 in C6 glioma cells by methyl jasmonate through ROSdependent heat shock factor 1 activation [J].Int J Mol Med,2005,16(5):833-839.

[32]Davies NJ,Hayden RE,Simpson PJ,et al.AKR1C isoforms represent a novel cellular target for jasmonates alongside their mitochondrial-mediated effects [J].Cancer Res,2009,69(11):4769-4775.

[33]Lan Q,Mumford JL,Shen M,et al.Oxidative damage-related genes AKR1C3 and OGG1 modulate risks for lung cancer due to exposure to PAH-rich coal combustion emissions [J].Carcinogenesis,2004,25(11):2177-2181.

[34]Yeruva L,Hall C,Elegbede JA,et al.Perillyl alcohol and methyl jasmonate sensitize cancer cells to cisplatin [J].Anticancer Drugs,2010,21(1):1-9.

[35]Ishii Y,Kiyota H,Sakai S,et al.Induction of differentiation of human myeloid leukemia cells by jasmonates,plant hormones [J].Leukemia,2004,18(8):1413-1419.

[36]Lee HJ,Maeng K,Dang HT,et al.Anti-inflammatory effect of methyl dehydrojasmonate(J2)is mediated by the NF-kappaB pathway [J].J Mol Med(Berl),2011,89(1):83-90.

[37] Park C,Jin CY,Kim GY,et al.A methyl jasmonatederivative,J-7,induces apoptosis in human hepatocarcinoma Hep3B cells in vitro [J].Toxicol In Vitro,2010,24(7):1920-1926.