大蒜素诱导肿瘤细胞凋亡研究进展*

王广彬,赵瑞杰,王文魁,关伟军,马月辉

(1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所,北京 100193;2.山西农业大学动物科技学院,山西太谷 030801;3.西北农林科技大学动物医学院,陕西杨陵 712100)

大蒜素又称大蒜新素,化学名称为二烯丙基三硫醚,它是从百合科葱属植物大蒜的鳞茎中提取出的一种含硫化合物,具有强烈的大蒜臭,味辣,其药理作用比较独特,具有抗感染、降血脂、防止DNA损伤[1]、防治动脉硬化[2]、提高细胞活力、提高细胞抗氧化及解毒能力[3]等多种抗病活性,近年来的研究发现大蒜素同时也具有较好的防癌抗癌效果[4-6];近年来国内外的流行病学调查发现大蒜素具有抗肿瘤活性,大蒜素一方面可直接杀伤肿瘤细胞、抑制肿瘤细胞增殖并诱导其凋亡,如大蒜素可显著诱导前列腺癌 LNCaP细胞[7]、小鼠黑色素瘤细胞 B16-F1[8]、人胃腺癌SGC-7901细胞株[9]等凋亡;另一方面,大蒜素可激发免疫系统释放多种活性因子,通过机体细胞免疫和体液免疫阻碍肿瘤细胞生长,从而达到其防癌和抗癌的功效。与传统放疗化疗药物相比较,大蒜素在临床治疗肿瘤的过程中,不但对机体没有毒副作用,而且还能激发机体释放多种细胞因子,增强机体免疫抵抗力。

大蒜素诱导肿瘤细胞凋亡是个精密调控的过程,在此期间许多蛋白都参与了此过程的调控,这些蛋白包括Bcl-2家族蛋白、半胱氨酸caspase、p53、IAP家族等,现对这些蛋白调控的研究进行简要的介绍。

1 Bcl蛋白家族

在肿瘤细胞凋亡的过程中,bcl-2家族蛋白是凋亡的关键调控者,按照其结构和功能可将bcl-2家族分为3个亚家族:①促凋亡BH3only亚家族,主要包括 Bim 、Bad、Puma、Bik 、Bmf、Noxa 等;②促凋亡Bak亚家族,主要包括 Bax、Bok、Bak等;③抗凋亡Bcl-2 亚家族,主要包括 Bcl-2、Mcl-1、Bcl-xl等。Bcl-2家族蛋白主要分布于线粒体外膜、核膜和内质网膜上。Bcl-2家族蛋白主要通过两种机制在线粒体上发挥作用。一方面Bcl-2家族蛋白成员精确的改变线粒体膜的通透性;另一方面通过感受从内质网中释放出来的钙离子,诱导产生线粒体的PT通道,导致细胞凋亡[9]。BH3only蛋白的活性可在凋亡信号刺激下受各种机制调节,包括转录和翻译后调控,Hrk、Bim、Noxa、Puma主要受转录控制,而Bad主要通过 14-3-3蛋白使其磷酸化,Bid则被caspase-8水解产生活性截短产物tBid[10]。

2 Caspase家族蛋白

经典的凋亡过程包括线粒体途径和死亡受体途径,它们通过激活一系列蛋白酶,从而促进凋亡的发生,在此过程中,半胱氨酸蛋白酶caspase在凋亡的过程中发挥十分重要的作用,这些蛋白酶是引起细胞凋亡的关键酶,一旦被信号途径激活,便能迅速将细胞内的蛋白质降解,使细胞迅速凋亡。caspase以无活性的酶原形式存在于体内,活性较低,在凋亡过程中,caspase通过蛋白的水解切割,使之由无活性的酶原形式转变成为有活性的酶[11]。

3 p53

p53是一种抑癌基因,它的生物学功能是在G期监视DNA的完整性,当细胞有损伤时,它会抑制细胞增殖,直到DNA修复完成;如果DNA不能修复,则诱导其凋亡;p53通过调节Bcl-2家族促凋亡分子的转录来调节细胞色素C的释放来诱导细胞凋亡[12];也可以通过转录非依赖机制来诱导,p53诱导的线粒体凋亡不依赖转录机制有3个方面:①p53能与Bax结合,使其激活,并使Bax多聚化;②p53能直接与 Bcl-2和Bcl-XL结合,从而阻断它们与Bcl-2家族促凋亡分子的结合;③p53与Bak结合,阻断Bak与Bcl-2家族的抗凋亡分子Mcl-1结合,并促进Bak多聚化并导致凋亡。p53的清除率非常高,因而通常在细胞中有很少的活性蛋白,p53内在的结构特点是决定其活性和稳定性的关键。此外,p53蛋白的活性和水平也受调控蛋白的调节,其中蛋白激酶,分子伴侣HSP90和功能颉颃剂Mdm2对调节p53的活性和稳定性起重要的作用。

4 IAPs凋亡抑制蛋白

现已鉴定的人类IAP家族成员有8种,即XIAP 、cIAP1、cIAP2、NIAP 、Apollon 、ML-IAP 、Survivin和ILP-2。IAPs的功能不仅局限在对caspase的抑制作用上,在细胞周期调节,蛋白降解和caspase非依赖的信号转导过程中也起着十分重要的作用[13]。IAPs主要受3个方面机制的调控,即转录水平,转录后翻译水平和翻译后加工。在转录方面,survivin产生是细胞周期依赖性,正常细胞中产生于G2/M期,cIAP,XIAP,受核转录因子NF-kB调控,在大多数情况下,NF-kB的激活能产生生存信号,其中一个原因就是通过NF-kB的激活,促进凋亡蛋白的基因转录,这些基因主要有cIAP2,XIAP和几个Bcl-2家族成员。在翻译水平的调控上XIAP的mRNA一端未翻译区含有一个有功能的内部核糖体进入位点[14],使得能进行cap非依赖的mRNA翻译。

5 大蒜素诱导肿瘤细胞凋亡的途径

虽然大蒜素能够诱导多种肿瘤细胞凋亡,并且在国内外有很多的报道,但是对其凋亡机制的研究甚少,大蒜素诱导肿瘤细胞凋亡的途径可能有以下几个方面。

5.1 对细胞生长周期的影响

陈铁军等[15]通过检测人胃癌细胞系SGC-7901细胞的增殖抑制率,并通过定量分析cyclin B1在用药前后的改变,发现大蒜素可以促进微管解聚,使细胞周期阻滞于M 期;郝艳梅等[16]研究表明,大蒜素能将人白血病HL-60细胞周期阻滞于G2/M期;张燕等[17]用流式细胞仪检测发现鼠肝癌细胞MM45T.Li经大蒜素处理后,其细胞周期滞留于G0/G1期,并可见凋亡峰,表明大蒜素对鼠肝癌细胞MM45T.Li抑制作用与诱导肝癌细胞凋亡、阻抑细胞周期有关。

5.2 对肿瘤细胞相关凋亡基因及caspase蛋白的影响

研究发现有许多基因与肿瘤细胞凋亡有很大的关系,对这些基因按照作用机制可以分为凋亡诱导基因和凋亡抑制基因2大类,常见的凋亡诱导基因有p53基因、Fas基因、bax基因等;凋亡抑制基因有bcl-XL基因、bcl-2及其相关基因等,同时,caspase蛋白在细胞凋亡过程中发挥十分重要的作用,细胞凋亡信号传导的关键是caspase的激活,Marks N等[18]研究发现caspase家族是存在于哺乳动物细胞中,是与线虫细胞死亡蛋白Ced23相似的一类蛋白酶,迄今已发现16个成员。Xiao D等[19]研究发现,大蒜素诱导的前列腺癌细胞株PC-3和DU-145凋亡是通过活化caspase-3和caspase-9来实现的,同时还发现caspase抑制剂能够抑制大蒜素诱导的前列腺癌细胞株的凋亡。目前人们广为接受的细胞凋亡途径有两种:即线粒体途径和死亡受体途径。Green R等[20]认为bcl-2基因家族在诱导细胞凋亡过程中发挥十分重要的作用,抗凋亡基因bcl-2和促凋亡基因bax都定位于线粒体膜上,在凋亡的诱导过程中,bax的含量增加,从细胞质转移到线粒体外膜上,使线粒体膜的通透性增加,同时也使线粒体跨膜电位下降,从而使细胞色素C释放入细胞质中,激活caspase-3,增强核酸内切酶的活性,对DNA进行切割,使DNA发生分解断裂,从而使细胞发生凋亡,而 bcl-2基因的作用则与 bax基因作用相反。Yang E等[21]认为bcl-2与bax的比值是决定细胞凋亡与否的重要因素,细胞对死亡信号的敏感性取决于bcl-2与bax形成的二聚体变化过程,当bcl-2表达低时,形成bax-bax二聚体,诱导细胞凋亡;当bcl-2表达高时,形成bax-bcl-2二聚体,颉颃baxbax诱导凋亡的作用,使细胞不会发生凋亡。周钢等[22]在大蒜素诱导LM-8细胞凋亡及相关基因表达的实验研究中证实大蒜素在诱导LM-8骨肉瘤细胞凋亡过程中bcl-2和bax基因的相关作用是诱导凋亡的重要机制之一。

5.3 对肿瘤细胞端粒酶活性的影响

Harley C B[23]认为端粒酶是一种主要由蛋白和RNA组成的核糖核蛋白,它能够以RNA为模板进行逆转录并延长端粒,使得细胞具有无限增殖能力,其中RNA的主要功能是稳定端粒长度、延伸端粒重复序列。由于端粒酶在肿瘤细胞中广泛表达,研究人员试图通过抑制端粒酶活性的方法来诱导肿瘤细胞凋亡,Zhang Z M等[6]研究发现过度表达的bcl-2明显增强了端粒酶的活性,而bcl-2表达的下调则降低了端粒酶的活性;王旭光等[24]通过试验也证实3种不同浓度的大蒜素均能不同程度降低早幼白血病细胞HL-60细胞端粒酶的活性,抑制细胞生长,从而使HL-60细胞凋亡。

5.4 对线粒体的影响

线粒体途径是细胞凋亡两种途径中比较重要的一种,在细胞凋亡的过程中,线粒体发挥着十分重要的作用,它参与了细胞死亡的现时进程,主要包括介导和调节细胞凋亡的发生,Green R等[20]认为在各种外界因素诱导细胞凋亡的试验中发现在细胞凋亡过程中,bax的含量增加,从细胞质转移到线粒体外膜上,使线粒体膜的通透性增加,同时也使线粒体跨膜电位下降,线粒体内的许多蛋白质包括细胞色素C、AIF被释放出来,从而引起一系列的反应,诱导细胞凋亡。腾帼英等[25]认为当细胞色素C从线粒体释放入细胞质中后,它与Apaf-I及Caspase9前体形成凋亡体,在细胞质中存在的dATP共同作用下,使Caspase9前体活化,启动Caspase级联反应,最终诱导细胞发生凋亡。周钢等[25]在大蒜素诱导LM-8细胞凋亡及相关基因表达的实验研究也在不同程度上证实了大蒜素可能是通过上述机制诱导LM-8细胞发生凋亡,但其诱导凋亡的具体机制还不是十分清楚,尚待进一步研究。

5.5 对细胞内钙离子水平的影响

人们很早就发现细胞凋亡的调控与细胞内钙离子信号系统有着十分密切的关系,细胞内的钙离子可作为第二信使参与和启动并调控细胞凋亡。研究显示中草药可以通过提高细胞内游离Ca2+水平诱导胃癌细胞凋亡。季宇彬等[26]通过试验证实不同剂量的海嘧啶作用胃癌SGC-7901细胞12 h～48 h后用特异性钙离子荧光探测剂FIuo-3/AM在激光扫描共聚焦显微镜下检测不同时期细胞内的钙离子浓度,结果表明海嘧啶可通过升高肿瘤细胞内Ca2+浓度达到诱导肿瘤细胞凋亡的目的。而引起细胞内Ca2+释放和开放细胞膜钙通道是提高细胞内Ca2+水平的两条主要途径,但目前对大蒜素通过提高细胞内Ca2+水平诱导肿瘤细胞凋亡的研究和报道甚少,对其诱导凋亡的具体机制还不是十分明了,尚需进一步探索和研究。

6 前景与展望

虽然现在对大蒜素诱导肿瘤细胞凋亡的研究已经取得了一定的进展,了解了其诱导凋亡大体的作用机制,但由于受科技发展水平等各方面的限制,要搞清楚大蒜素诱导肿瘤细胞凋亡具体的作用机制还需要一段时间,总之,研究大蒜素诱导肿瘤细胞凋亡将会为临床各种癌症的治疗提供理论依据,将会为中药的发展夯实基础,因此研究大蒜素诱导肿瘤细胞凋亡具有广阔的发展前景。

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