5-氟尿嘧啶對結腸癌干細胞干性和增殖的影響及相關機制

蔡尚黨 蔡滿地 婁寧 郭艷萍 殷濤

(1河南省中醫(yī)院肛腸科，河南 鄭州 450002；2河南大學醫(yī)學院臨床醫(yī)學系；3中山大學附屬腫瘤醫(yī)院ICU；4河南省人民醫(yī)院病理科；5華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院胰腺病研究所)

結腸癌是世界范圍內第三常見的癌癥，每年造成約70萬人死亡〔1～3〕。在過去的二十年中，該病在發(fā)展中國家的發(fā)病率增加了2～4倍〔4,5〕，手術切除和輔助化療是治療結腸癌的主要方法，然而原發(fā)性或獲得性藥物抗性是該病成功治愈的主要挑戰(zhàn)〔6〕。因此，亟待開發(fā)新的治療策略或新的輔助藥物以增強該病的治療效果。5-氟尿嘧啶(FU)是一種細胞生長抑制劑，是最常用的治療結腸癌的藥物，然而，對晚期結腸癌5-FU化療的有效率僅有20%左右，5-FU和如伊立替康及奧沙利鉑等新的化療藥物的聯合使用提高了5-FU對結腸癌的治療效果〔7〕，在5-FU的代謝途徑中，包括胸苷酸合成酶、甲基四氫葉酸還原酶、二氫嘧啶脫氫酶和胸苷磷酸化酶在內的四種酶被認為與5-FU的治療敏感性和抗性密切相關，然而，許多研究結果相互矛盾〔8〕。最近，胰島素樣生長因子信號通路被證明對于結腸癌的發(fā)育至關重要，其能通過激活如PI3K/Akt等存活通路而有利于結腸癌細胞的存活、侵染、轉移和化療抗性〔9～12〕。本研究探討5-FU對結腸癌干細胞(CCSCs)干性和增殖的影響及可能機制。

1 材料與方法

1.1CCSCs 標記CD133、CD44和ALDH1b1陽性的CCSCs購自美國Celprogen公司。為維持上述細胞的未分化狀態(tài)，培養(yǎng)過程中使用CCSCs生長培養(yǎng)基和特異性包被的細胞培養(yǎng)皿，細胞培養(yǎng)于37℃，5%CO2濕潤培養(yǎng)箱中，當細胞達到80%匯合度時，用于實驗。所有實驗所用細胞代次低于10代。細胞分為陰性對照組、DMSO組、舒林酸組、5-FU組。

1.2主要儀器及試劑 5-FU(Sigma，美國)，兔抗人Bax、Bcl-2、cyclinD1和c-Myc抗體，鼠抗人α-tubulin抗體(Sigma，美國)，兔抗人細胞色素c抗體(Sigma，美國)，兔抗人Histone抗體(Cell Signaling Technology，美國)，辣根過氧化物酶(HRP)標記羊抗兔/鼠IgG(Abcam，美國)，嘌呤霉素(Sigma，美國)，p53特異性shRNA質粒(Santa Cruz，美國)，5-溴-2'-脫氧尿苷(BrdU)檢測試劑盒(Cell Signaling Technology，美國)，細胞死亡檢測試劑盒(Roche，德國)，電化學發(fā)光(ECL)顯色試劑盒(碧云天生物技術研究所，中國)，CO2培養(yǎng)箱(SANYO，日本)，相差顯微鏡(Olympus，日本)。

1.3介導p53敲低表達的重組慢病毒短發(fā)夾RNA(shRNA)載體 CCSCs接種含靶向p53基因特異性shRNA的慢病毒顆粒，在含有5 μg/ml凝聚胺的CCSC培養(yǎng)基中培養(yǎng)的CCSCs接種10 MOI的慢病毒，慢病毒感染后24 h，更換新鮮培養(yǎng)基，細胞繼續(xù)培養(yǎng)2 d后，在含有7.5 μg/ml嘌呤霉素的選擇性培養(yǎng)基中加壓篩選5 d。

1.4細胞增殖檢測 BrdU檢測試劑盒檢測細胞活性，正常CCSCs或shRNA-p53 CSCs以1×105個/孔的密度鋪板于12孔板中，培養(yǎng)24 h后，更換為不含血清的CCSCs培養(yǎng)基，并經10 μg/ml舒林酸或2.5 μg/ml 5-FU處理，處理24 h后，檢測BrdU含量，實驗重復3次，結果以均值表示。

1.5末端轉移酶dUTP切口末端標記檢測 使用熒光標記的核苷酸和末端脫氧核苷酸轉移酶(TdT)鑒定細胞凋亡產生的DNA片段。6×104個正常CCSCs或shRNA-p53-CCSCs接種于玻璃載玻片上，經10 μg/ml舒林酸或2.5 μg/ml 5-FU處理12 h后，根據說明書的要求，使用原位細胞死亡檢測試劑盒定量檢測細胞凋亡情況，同時用不含TdT的孵育液孵育的樣品作為陰性對照，計數5個視野內的染色細胞數目，計算凋亡細胞比例，每次至少計數50個細胞，實驗重復3次，結果以均值表示。

1.6球體形成實驗 1×104個CCSCs用干細胞特異性的不含血清的培養(yǎng)基培養(yǎng)于超低吸附性的6孔培養(yǎng)板中，然后將細胞置于正常細胞培養(yǎng)箱中，細胞接種于6孔板后6 h，加入10 μg/ml舒林酸或2.5 μg/ml 5-FU，處理10 d后，使用相差顯微鏡計數球體數量，實驗重復3次，結果以均值表示。

1.7Western印跡檢測 正常CCSCs或shRNA-p53-CCSCs以3.0×105個/孔的密度鋪于6孔板中，用CCSCs培養(yǎng)基培養(yǎng)，24 h后，細胞轉移至無血清培養(yǎng)基中孵育18 h，提取細胞樣品的總蛋白，并將總蛋白轉移至PVDF膜上，孵育一抗，一抗稀釋比例為：兔抗人Bax、Bcl-2、cyclinD1和c-Myc抗體1∶1 000稀釋，鼠抗人α-tubulin抗體1∶5 000稀釋，兔抗人細胞色素c抗體1∶1 000稀釋，兔抗人Histone抗體1∶2 000稀釋。一抗4℃孵育過夜，然后，HRP標記的羊抗兔/鼠二抗以1∶2 000的比例稀釋，室溫孵育2 h，目的蛋白用增強型ECL化學發(fā)光液顯色，并經BandScan軟件進行灰度掃描分析，α-tubulin作為總蛋白檢測時上樣的內參蛋白，而Histone作為細胞核蛋白檢測時上樣的內參蛋白。

1.8統(tǒng)計學方法 采用GraphPad Prism5軟件進行t檢驗或單因素方差分析。

2 結 果

2.15-FU抑制CCSCs增殖并誘導凋亡 對陰性照組相比，5-FU的濃度為2.5 μg/ml時，正常CCSCs的增殖速率下降了52%，而shRNA-p53-CCSCs增殖速率下降了73%，10 μg/ml的舒林酸處理導致正常CCSCs增殖速率下降了47%，然而，敲低CCSCs中p53表達后，舒林酸對CCSCs增殖的抑制效應較未敲低時強(51%)，表明舒林酸對CCSCs的增殖抑制效應具有p53依賴性。使用TUNEL法檢測細胞凋亡情況結果表明，5-FU處理后，正常CCSCs凋亡率為31%，shRNA-p53-CCSCs凋亡率為42%，表明5-FU能以p53非依賴性方式抑制結腸CSCs增殖，見表1，表2，圖1。

2.25-FU抑制CCSCs球體形成能力 CCSCs經2.5 μg/ml 5-FU或10 μg/ml舒林酸處理后，5-FU和舒林酸均顯著抑制CCSCs球體形成，與陰性對照組相比，5-FU和舒林酸處理組球體體積顯著下降，結果表明，5-FU除了能抑制CCSCs增殖并促進凋亡外，其還能抑制CCSCs的自我更新能力，見圖2。

表1 正常CCSCs與轉染shRNA-p53對細胞增殖的影響

與陰性對照組比較：1)P<0.05，下表同

表2 正常CCSCs與轉染shRNA-p53對細胞凋亡率的影響

圖1 5-FU以p53非依賴性方式抑制CCSCs增殖并誘導細胞凋亡(×300)

圖2 5-FU抑制CCSCs球體形成(×300)

2.35-FU促進線粒體介導的凋亡途徑相關蛋白Bax/Bcl-2和細胞色素c表達 正常CCSCs和shRNA-p53-CCSCs經5-FU處理后，細胞裂解產物用于Western印跡檢測，5-FU處理后正常CCSCs中Bax/Bcl-2比例顯著升高，同時，5-FU處理也促進了正常CCSCs和shRNA-p53-CCSCs中細胞色素c表達，表明5-FU可能通過線粒體介導的凋亡途徑誘導CCSCs凋亡，盡管舒林酸誘導CCSCs凋亡，但未使細胞中Bax/Bcl-2比例，明顯改變但可以促進細胞色素c表達。見圖3、表3。

1～4：陰性對照組，DMSO組，舒林酸組，5-FU組，下圖同圖3 5-FU上調線粒體介導的細胞凋亡途徑蛋白表達

表3 5-FU上調線粒體介導的細胞凋亡途徑蛋白表達

與陰性對照組比較：1)P<0.01，2)P<0.001

2.45-FU抑制Wnt信號通路活化 正常CCSCs和shRNA-p53-CCSCs中，5-FU抑制胞質和胞核中β-連環(huán)蛋白表達，且其抑制效應顯著強于舒林酸的抑制效應(圖4，表4)。5-FU能夠抑制β-連環(huán)蛋白通路下游靶蛋白c-Myc和cyclinD1的表達(圖5，表5)，上述結果表明5-FU能抑制β-連環(huán)蛋白的核轉位，進而導致CCSCs生長受到抑制。

圖4 5-FU抑制正常CCSCs和shRNA-p53-CCSCs胞質和胞核內β-連環(huán)蛋白表達

表4 5-FU抑制正常CCSCs和shRNA-p53-CCSCs胞質和胞核內β-連環(huán)蛋白表達

與陰性對照組比較：1)P<0.05，2)P<0.01，3)P<0.001，下表同

圖5 5-FU抑制正常CCSCs和shRNA-p53-CCSCs中β-連環(huán)蛋白的靶蛋白c-Myc和cyclinD1表達

表5 5-FU抑制正常CCSCs和shRNA-p53-CCSCs中β-連環(huán)蛋白的靶蛋白c-Myc和cyclinD1表達

3 討 論

本研究表明5-FU可能以非p53依賴性方式發(fā)揮作用，5-FU也能上調與線粒體介導的凋亡途徑相關的蛋白表達，同時下調與Wnt/β-連環(huán)蛋白信號通路有關的蛋白表達，5-FU的濃度為2.5 μg/ml時抑制CCSCs增殖并誘導細胞凋亡；然而舒林酸誘導的上述效應與p53有關。以往研究表明，在AOM誘導的p53功能缺陷型鼠模型中，舒林酸的功能具有p53依賴性〔14～16〕，與p53+/+小鼠相比，舒林酸在p53-/-缺陷型小鼠中不能恢復急性凋亡反應，上述現象是至關重要的，因為在結腸癌晚期或轉移性階段，p53會發(fā)生突變〔17〕。5-FU誘導CCSCs發(fā)生凋亡的同時，Bax/Bcl-2比例和細胞色素c的表達也升高。Bax是一種促凋亡蛋白，其能結合于Bcl-2并促進細胞色素c釋放，細胞色素c是線粒體介導的凋亡途徑的重要分子〔18,19〕。這些結果表明，5-FU通過線粒體介導的凋亡途徑誘導CCSCs凋亡，本研究結果也證實5-FU抑制球體形成，因為克隆球體的形成是干細胞干性的重要特征，本研究表明5-FU具有潛在的靶向CCSCs自我更新的潛能。本文中5-FU處理導致正常CCSCs和shRNA-p53-CCSCs中β-連環(huán)蛋白的表達受到抑制，β-連環(huán)蛋白的穩(wěn)定表達及其在胞核中的積累伴隨著c-Myc和cyclinD1的轉錄激活，這些基因的轉錄激活能促進細胞增殖而增加致癌性〔20～22〕，5-FU處理后的CCSCs能抑制c-Myc和cyclinD1表達，且這種抑制效應不依賴于p53。

CCSCs的一些特征可能解釋5-FU抑制干細胞干性的原因，干細胞表達高水平的干性因子，其中包括腫瘤蛋白c-Myc〔23〕，該蛋白在CCSCs中過度表達〔24〕。本研究表明，體外5-FU能抑制CCSCs中Wnt效應因子β-連環(huán)蛋白和下游靶蛋白c-Myc和cyclinD1表達。因此，相對于可分化細胞的致癌性變化，干細胞致癌性變化，如β-連環(huán)蛋白積累，可能對5-FU誘導的凋亡更敏感。