重樓皂苷A直接靶向活化AMPK誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細(xì)胞自噬

彭鵬，楊書勝，向雨晨，文君，司淵 ，劉瑩,3

(湖北醫(yī)藥學(xué)院 1. 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院； 2. 武當(dāng)特色中藥研究湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 胚胎干細(xì)胞湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 十堰 442000)

結(jié)直腸癌是全球范圍內(nèi)的常見(jiàn)惡性腫瘤之一[1]。雖然手術(shù)切除、放療、化療一定程度可提高患者總生存率，但晚期結(jié)直腸癌患者5年生存率僅14%[2]。

自噬是真核生物體內(nèi)維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的一種關(guān)鍵的降解途徑[3]。自噬在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著“雙刃劍”的作用。一方面腫瘤細(xì)胞可以通過(guò)保護(hù)性自噬來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境或治療所誘導(dǎo)的應(yīng)激狀態(tài)，為自身提供能量“渡過(guò)難關(guān)”[4]。另一方面，當(dāng)細(xì)胞過(guò)度自噬時(shí)，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞的病理變化并引起非保護(hù)性自噬/自噬性死亡，起到抑制腫瘤的作用[5]。據(jù)報(bào)道，一些批準(zhǔn)的和/或?qū)嶒?yàn)性藥物在不同類型的腫瘤細(xì)胞中誘導(dǎo)非保護(hù)性自噬而抗腫瘤[6]。腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated kinase, AMPK)在維持真核細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)中起重要作用[7]，其通過(guò)Thr-172磷酸化而發(fā)生活化[8]。哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)信號(hào)通路是AMPK下游調(diào)控自噬的關(guān)鍵通路。AMPK能夠通過(guò)直接磷酸化而負(fù)調(diào)控mTOR活性，從而激活自噬發(fā)生[9]。研究發(fā)現(xiàn)，AMPK可以作為一種腫瘤抑制因子參與多種類型的腫瘤自噬調(diào)控[10]。

重樓是一種傳統(tǒng)的中藥材，是百合科植物重樓的干燥根莖[11]。它具有抗真菌、抗炎、抗氧化和抗腫瘤等多種治療用途[12]。重樓皂苷A (Polyphyllin A, PPA, 圖1)是從重樓中提取的一種天然皂苷類成分。研究表明，PPA能夠在肺癌[13]、前列腺癌[14]、膠質(zhì)瘤[15]等多種腫瘤中誘導(dǎo)自噬進(jìn)而發(fā)揮抗腫瘤作用。但是它在結(jié)直腸癌中的作用尚不完全清楚，本研究旨在探討PPA對(duì)結(jié)直腸癌的抗腫瘤作用及其作用機(jī)制。

圖1 重樓皂苷A的化學(xué)結(jié)構(gòu)

1 材料和方法

1.1 試劑

RKO和HRT18結(jié)直腸癌細(xì)胞系購(gòu)自美國(guó)模式培養(yǎng)物集存庫(kù)。PPA(純度為98%)購(gòu)自上海源葉生物科技有限公司。將PPA溶解于二甲基亞砜中并于-20 ℃儲(chǔ)存。二甲基亞砜、MTT(美國(guó)Sigma公司)；DMEM高糖培養(yǎng)基(美國(guó)HyClone公司)；胎牛血清(美國(guó)Gibco公司)；兔抗人LC3單克隆抗體、兔抗人AMPK、p-AMPK (Thr-172)、兔抗人p-mTOR(Ser-2448)、mTOR均為美國(guó)CST公司產(chǎn)品；羊抗兔二抗、羊抗鼠二抗、GAPDH 均為美國(guó)Santa Cruz公司產(chǎn)品；一抗稀釋液(日本東洋紡公司)；顯影膠片(日本柯達(dá)公司)；pQCXIP-GFP-LC3質(zhì)粒(美國(guó)Addgene公司)；DAPI、Triton X-100、4%多聚甲醛、ECL顯色液均為上海碧云天試劑公司產(chǎn)品；Lipofectamine?3000 (美國(guó)Thermo Fisher公司)。

1.2 細(xì)胞培養(yǎng)

RKO細(xì)胞和HRT18細(xì)胞于-80 ℃保存；實(shí)驗(yàn)時(shí)，取出細(xì)胞，置于37 ℃水浴鍋中快速搖動(dòng)復(fù)蘇；完全融化后轉(zhuǎn)移至含有10%胎牛血清、100 U/mL青霉素、100 mg/mL鏈霉素的DMEM，并置于37 ℃，含5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。細(xì)胞貼壁達(dá)80%時(shí)，用含EDTA的胰酶消化傳代并繼續(xù)培養(yǎng)。

1.3 MTT實(shí)驗(yàn)檢測(cè)細(xì)胞活力

取“1.2”中處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的RKO和HRT18細(xì)胞，PBS洗滌，換新鮮DMEM調(diào)整細(xì)胞密度至6.7×104個(gè)/mL，接種于96孔板，每孔加入90 μL細(xì)胞懸液，于37 ℃，5% CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h。用培養(yǎng)基將PPA稀釋為0、4、8、12、16、20、24 μmol/L，分別取10 μL加入RKO細(xì)胞中，每種濃度設(shè)4個(gè)復(fù)孔；另用培養(yǎng)基將PPA稀釋為0、10、20、30、40、50、60 μmol/L，分別取10 μL加入HRT18細(xì)胞中，每種濃度設(shè)4個(gè)復(fù)孔；孵育20 h；分別加入10 μL MTT (5 mg/mL)，繼續(xù)培養(yǎng)4 h；棄培養(yǎng)基，每孔加入150 μL二甲基亞砜，避光孵育并充分振蕩均勻；全自動(dòng)酶標(biāo)儀檢測(cè)490 nm波長(zhǎng)處光密度(D)值，并計(jì)算細(xì)胞活力。細(xì)胞活力(%)=(實(shí)驗(yàn)組D值-空白組D值)/(對(duì)照孔D值-空白組D值)×100%。篩選合適濃度進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.4 細(xì)胞分組及處理

取“1.2”中處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的RKO細(xì)胞和HRT18細(xì)胞，以3×105個(gè)/孔接種于6孔板，DMEM中培養(yǎng)24 h。根據(jù)“1.3”中細(xì)胞活力檢測(cè)結(jié)果，RKO細(xì)胞用含不同濃度PPA (0、0.6、0.7、0.8 μmol/L)的DMEM處理24 h，HRT18細(xì)胞用含不同濃度PPA (0、1.4、1.6、1.8 μmol/L)的DMEM處理24 h；用于后續(xù)蛋白印跡法檢測(cè)相關(guān)蛋白表達(dá)。

1.5 集落形成實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)腸癌細(xì)胞克隆形成能力

取“1.2”中處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的RKO和HRT18細(xì)胞，以1×103個(gè)/孔接種于6孔板中。常規(guī)培養(yǎng)2周后，棄培養(yǎng)基，4%甲醛固定10 min，棄除固定液，每孔加入1 mL 0.2%結(jié)晶紫染色10 min，洗滌后光鏡下計(jì)集落個(gè)數(shù)。

1.6 免疫印跡法檢測(cè)結(jié)直腸癌細(xì)胞中相關(guān)蛋白的表達(dá)

收集“1.4”細(xì)胞，用含1%PMSF的RIPA裂解液冰浴裂解20 min；12 000 r/min，4 ℃離心10 min；取上清液，BCA法測(cè)定蛋白濃度；加入等體積SDS振蕩均勻，99 ℃裂解5 min；80 V經(jīng)SDS-PAGE分離蛋白；300 mA恒流轉(zhuǎn)膜2 h，使蛋白轉(zhuǎn)移至PVDF膜；5%脫脂牛奶封閉1 h；TBST洗膜3次；加入對(duì)應(yīng)的一抗稀釋液(LC3-Ⅱ、AMPK、p-AMPK、mTOR、p-mTOR為1 ∶1 000，GAPDH為1 ∶2 000)，4 ℃孵育過(guò)夜；TBST緩沖液洗膜5次；加入HRP標(biāo)記的羊抗兔或羊抗鼠二抗(2.5%脫脂奶粉稀釋，稀釋比為1 ∶5 000)，室溫孵育2 h；TBST洗膜5次；通過(guò)ECL顯色液壓片顯影，得到的圖片用電腦掃描，并用Image J軟件進(jìn)行灰度分析。

1.7 免疫熒光實(shí)驗(yàn)檢測(cè)自噬體形成

取“1.2”中處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的RKO和HRT18細(xì)胞，以2×105個(gè)/孔接種至預(yù)鋪載玻片的12孔板，DMEM中培養(yǎng)24 h。按照Lipofectamine?3000操作說(shuō)明，每孔加500 ng pQCXIP-GFP-LC3質(zhì)粒，轉(zhuǎn)染細(xì)胞6 h；加入PPA處理RKO細(xì)胞(0、0.6、0.7、0.8 μmol/L)和HRT18細(xì)胞(0、1.4、1.6、1.8 μmol/L)，孵育24 h；4%多聚甲醛室溫固定20 min；用含0.3% Triton X-100的PBS室溫通透15 min；DAPI染色10 min；通過(guò)熒光顯微鏡檢測(cè)GFP-LC3自噬體。

1.8 分子對(duì)接檢測(cè)PPA與AMPK的結(jié)合能力

AMPK的三維結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)(Protein Data Bank)中編號(hào)為4CFF。α亞基為綠色，β亞基為藍(lán)色，γ亞基為洋紅色，配體PPA為紅色。PPA的化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示。所有的對(duì)接實(shí)驗(yàn)運(yùn)用AutoDock 4.2程序。在AutoDock 4.2計(jì)算程序中，采用0.375間隔的70×70×70點(diǎn)陣模塊。使用Lamarckian遺傳算法進(jìn)行對(duì)接計(jì)算，算法如下：150的群體，最大值2 500萬(wàn)次能源評(píng)估，最高次數(shù)2 000，交叉率0.8，突變率0.02，獨(dú)立對(duì)接運(yùn)行50次。使用公差為2的均方根偏差將對(duì)接構(gòu)象聚類，并根據(jù)結(jié)合自由能評(píng)估最終對(duì)接結(jié)構(gòu)。

1.9 統(tǒng)計(jì)分析

2 結(jié)果

2.1 PPA顯著抑制結(jié)直腸癌細(xì)胞活力

MTT檢測(cè)結(jié)果顯示，在RKO細(xì)胞和HRT18細(xì)胞中，與0 μmol/L組相比，PPA各濃度組細(xì)胞活力均顯著降低(P均<0.05)；由此說(shuō)明，PPA抑制細(xì)胞活力。PPA在RKO細(xì)胞中處理24 h的IC50約為1.38 μmol/L，在HRT18細(xì)胞中約為2.89 μmol/L，據(jù)此篩選出0.6、0.7、0.8 μmol/L PPA用于RKO細(xì)胞后續(xù)實(shí)驗(yàn)，篩選出1.4、1.6、1.8 μmol/L PPA用于HRT18細(xì)胞后續(xù)實(shí)驗(yàn)。見(jiàn)圖2。

a: P<0.05；b: P<0.01，與0 μmol/L PPA組比較

2.2 PPA對(duì)結(jié)直腸癌細(xì)胞克隆形成能力的影響

結(jié)果顯示，與0 μmol/L組相比，RKO細(xì)胞中0.7、0.8 μmol/L PPA組細(xì)胞克隆數(shù)明顯減少(t=5.677、10.035，P均<0.05)；與0 μmol/L PPA組相比，HRT18細(xì)胞中1.6、1.8 μmol/L PPA 組細(xì)胞克隆數(shù)明顯減少(t=14.362、17.443，P均<0.01)。由此可見(jiàn)，PPA在一定濃度范圍內(nèi)能夠顯著抑制RKO和HRT18細(xì)胞的克隆形成能力。見(jiàn)圖3。

a:P<0.05；b: P<0.01，與0 μmol/L PPA組比較

2.3 PPA誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細(xì)胞自噬

通過(guò)檢測(cè)自噬標(biāo)記物L(fēng)C3脂化形式(LC3-Ⅱ)的表達(dá)變化可以初步確定細(xì)胞自噬[16]。免疫印跡結(jié)果顯示，與0 μmol/L PPA相比，RKO細(xì)胞中0.6、0.7、0.8 μmol/L PPA組中LC3-Ⅱ蛋白表達(dá)水平明顯增加(P<0.05或P<0.01)，HRT18細(xì)胞中1.4、1.6、1.8 μmol/L PPA組中LC3-Ⅱ蛋白表達(dá)明顯增加(P均<0.01)。由此可見(jiàn)，PPA能夠誘導(dǎo)RKO和HRT18細(xì)胞中LC3-Ⅱ表達(dá)增加(圖4)，表明PPA促進(jìn)自噬發(fā)生。為進(jìn)一步證明PPA促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞自噬，將pQCXIP-GFP-LC3質(zhì)粒瞬時(shí)轉(zhuǎn)染到RKO細(xì)胞和HRT18細(xì)胞中，結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，PPA組細(xì)胞顯示出綠色熒光斑點(diǎn)化聚集，表明LC3在結(jié)腸癌細(xì)胞中發(fā)生重新分布(圖5)。由此表明，PPA誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細(xì)胞發(fā)生自噬。

a:P<0.05；b: P<0.01，與0 μmol/L PPA組比較

圖5 免疫熒光檢測(cè)自噬體分布狀態(tài)(標(biāo)尺=15 μm)

2.4 PPA激活結(jié)直腸癌細(xì)胞中自噬上游AMPK通路

免疫印跡結(jié)果顯示，與0 μmol/L PPA相比，RKO細(xì)胞中0.6、0.7、0.8 μmol/L PPA組中p-AMPK表達(dá)水平顯著升高(P<0.05或P<0.01)，在0.7、0.8 μmol/L PPA組中，p-mTOR表達(dá)水平顯著降低(P均<0.05)；與0 μmol/L PPA組相比，HRT18細(xì)胞中1.4、1.6、1.8 μmol/L PPA 組中p-AMPK表達(dá)水平顯著升高(P<0.05或P<0.01)，在1.6、1.8 μmol/L PPA組中p-mTOR表達(dá)水平顯著降低(P均<0.05)。由此可見(jiàn)，在一定濃度范圍內(nèi)，PPA可能通過(guò)促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞中AMPK活化，進(jìn)而抑制其下游的重要信號(hào)分子mTOR活化。見(jiàn)圖6。

2.5 PPA與AMPK具有結(jié)合作用

為進(jìn)一步明確PPA對(duì)AMPK的激活作用，利用AutoDock 4將PPA與AMPK的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子對(duì)接。AMPK的α，β亞基中含有變構(gòu)藥物和代謝物結(jié)合位點(diǎn)，此位點(diǎn)主要由α亞基的催化激酶結(jié)構(gòu)域和β亞基的碳水化合物結(jié)合調(diào)節(jié)模塊構(gòu)成[17]。PPA能夠以-5.65 kcal/mol的鍵能與變構(gòu)藥物和代謝物結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合(圖7A)并且與結(jié)構(gòu)域的多個(gè)氨基酸殘基相互作用，包括：Val-24，Lys-29，Asn- 48，Gln-50，Lys-51，Arg-83，Ser-108，His-109，Asn-111和Ser-138(圖7B)。值得注意的是，PPA上的羥基與Lys-29、Ser-108和Asn-111形成穩(wěn)定結(jié)合的氫鍵，鍵長(zhǎng)分別為2.7 ?、2.1 ?、3.0 ?。由此表明，PPA可以直接與AMPK結(jié)合。

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)，多種天然藥物如紫草素[18]、苦參堿[19]等可通過(guò)激活自噬而抑制多種腫瘤生長(zhǎng)。本研究通過(guò)MTT實(shí)驗(yàn)、克隆形成實(shí)驗(yàn)初步證明PPA能夠抑制結(jié)直腸癌細(xì)胞增殖。LC3-Ⅱ是自噬體形成的關(guān)鍵組分[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度PPA均能夠誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細(xì)胞中LC3-Ⅱ蛋白表達(dá)增加；且GFP-LC3自噬體綠色熒光隨PPA濃度增加，由彌散狀態(tài)向斑點(diǎn)化聚集，由此表明PPA能夠促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞自噬。而PPA對(duì)結(jié)直腸癌的抑制作用是完全還是部分通過(guò)誘導(dǎo)自噬途徑完成，尚待進(jìn)一步探討。

能量代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)分子AMPK亦是自噬調(diào)控的關(guān)鍵激活因子[20]。AMPK可通過(guò)直接激活ULK促進(jìn)自噬活化，亦可通過(guò)抑制mTORC1通路而激活自噬[21]。研究發(fā)現(xiàn)，臨床常用藥物二甲雙胍[22]、小檗堿[23]等可通過(guò)活化AMPK而誘導(dǎo)多種腫瘤細(xì)胞自噬性死亡。本研究選用不同濃度PPA處理結(jié)直腸癌RKO和HRT18細(xì)胞株，除0.6 μmol/L PPA處理的RKO細(xì)胞與1.4 μmol/L PPA處理的HRT18細(xì)胞中p-mTOR蛋白表達(dá)水平較對(duì)照組降低無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外，其他濃度PPA可顯著上調(diào)中p-AMPK水平，并抑制mTOR活性，且呈現(xiàn)一定的濃度依賴性。由此推測(cè)，PPA可能通過(guò)AMPK/mTOR信號(hào)而誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細(xì)胞發(fā)生自噬。進(jìn)一步在分子對(duì)接模型中發(fā)現(xiàn)，AMPK的變構(gòu)藥物與代謝物的結(jié)合位點(diǎn)是PPA的首選結(jié)合位點(diǎn)。以往研究表明，幾種AMPK激活劑，如A-769662[24]、水楊酸鹽[25]和Compound-991[26]等可以直接與變構(gòu)藥物和代謝物的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，并在腫瘤治療中表現(xiàn)出較好的效果；它們可通過(guò)抑制Thr-172去磷酸化來(lái)直接活化AMPKα，也可以通過(guò)維持β亞基的構(gòu)象來(lái)間接激活A(yù)MPKα。本研究發(fā)現(xiàn)，PPA與變構(gòu)藥物和代謝物的結(jié)合位點(diǎn)的多個(gè)氨基酸殘基發(fā)生相互作用，包括：Val-24，Lys-29，Asn- 48，Gln-50，Lys-51，Arg-83，Ser-108，His-109，Asn-111和Ser-138。最重要的是，PPA上的羥基與Lys-29、Ser-108和Asn-111形成3個(gè)鍵長(zhǎng)分別為2.7 ?、2.1?、3.0 ?的穩(wěn)定結(jié)合的氫鍵。Ser-108是β亞基自身磷酸化的位點(diǎn)，該位點(diǎn)的磷酸化有利于維持變構(gòu)藥物和代謝物的結(jié)合位點(diǎn)的穩(wěn)定性和配體結(jié)合親和力，從而維持AMPK α亞基Thr-172磷酸化，持續(xù)激活A(yù)MPK?？傊?，PPA與變構(gòu)藥物和代謝物的結(jié)合位點(diǎn)可以形成相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)合關(guān)系而直接激活A(yù)MPK。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)天然化合物PPA能夠直接與AMPK的變構(gòu)藥物和代謝物的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合而激活A(yù)MPK，從而誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細(xì)胞自噬。