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文摘
基于Wnt/β-catenin信号通路的白头翁皂苷D对结肠癌上皮间质转化的影响
学术
2025-01-30 10:38
天津
结肠癌是全球发病率第
3
高的恶性肿瘤,约
90%
结肠癌患者死于肿瘤侵袭和转移
[1]
。据报道,超过
20%
的结肠癌患者会发生肝转移
[2]
,这极大地降低了患者生存率。结肠癌转移的病理机制非常复杂,其涉及遗传异常、肿瘤细胞的异质性、肿瘤微环境和肿瘤上皮间质转化(
epithelial-mesenchymal transition
,
EMT
)等因素
[3]
。
EMT
是细胞的一种生理、病理现象,是具有极性的上皮细胞转化成具有活动能力、能够在细胞基质自由移动的间质细胞的过程。
EMT
是上皮细胞来源的恶性肿瘤发生侵袭转移的初始过程,在肿瘤侵袭、血型扩散和化疗耐药中均有重要作用
[4-5]
。
无翅型
MMTV
整合位点家族(
wingless type MMTV integration site family
,
Wnt
)信号通路是调节生长发育的关键通路之一,其与肿瘤发生发展也密切相关
[6]
。
Wnt
信号通路分为经典
Wnt
通路,即
Wnt/β-
连环蛋白(
β-catenin
)信号通路和非经典
Wnt
通路,其中经典
Wnt/β-catenin
信号通路的异常激活可以促进肿瘤
EMT
[7]
。在正常情况下,
Wnt/β-catenin
信号通路被抑制,
Wnt
配体的缺失导致重组轴抑制蛋白(
recombinant axis inhibition protein
,
Axin
)
/
糖原合成激酶
-3β
(
glycogen synthase kinase-3β
,
GSK-3β
)
/
腺瘤性结肠息肉病蛋白(
adenomatous polyposis coli
protein
,
APC
)
/
酪氨酸蛋白激酶
1α
蛋白(
casein kinase 1 alpha
,
CK1α
)复合物将细胞浆内的
β-catenin
蛋白磷酸化而降解,同时
T
细胞因子(
T-cell factor
,
TCF
)
/
淋巴增强因子(
lymphoid enhancer-binding factor
,
LEF
)与共抑制因子结合而抑制靶基因表达。当
Wnt/β-catenin
信号通路被激活时,
Wnt
配体与卷曲蛋白(
frizzled
,
FZD
)
/
低密度脂蛋白受体相关蛋白(
low density lipoprotein-related protein
,
LRP
)结合。随后,
LRP
受体被
CK1α
和
GSK-3β
磷酸化,引发
Axin/GSK-3β/APC
蛋白质复合物解体,从而导致细胞浆内的
β-catenin
不被降解而转入细胞核内。
β-catenin
、
LEF
和
TCF
蛋白形成转录复合物,启动下游原癌基因(
myelocytomatosis viral oncogene homolog
,
c-Myc
)、波形蛋白(
Vimentin
)和蜗牛蛋白(
Snail
)等转录,促进肿瘤的发生、发展、
EMT
和转移
[8]
。
研究表明,许多中药成分,如熊果酸
[9]
、小檗碱
[10]
和姜黄素
[11]
等均有良好的抗癌作用。白头翁皂苷
D
来源于毛茛科植物白头翁
Pulsatilla chinensis
(Bge.) Regel
的干燥根,其具有较强的抗肿瘤作用
[12]
,但白头翁皂苷
D
抗结肠癌的机制尚未明晰。本研究明确了白头翁皂苷
D
对结肠癌的影响,并基于
Wnt/β-catenin
信号通路研究其作用机制,为白头翁防治结肠癌提供实验依据。
1
材料
1.1
细胞株
人结肠癌
LoVo
细胞由中国科学院上海细胞库提供。
1.2
药品与试剂
白头翁皂苷
D
(质量分数>
98.6%
,批号
247596
)、
Wnt/β-catenin
信号通路抑制剂
IWR-1
(批号
280452
)、
Wnt/β-catenin
信号通路激动剂
SKL2001
(批号
431237
)购自美国
MedChemExpress
生物科技公司;
5-
氟尿嘧啶(
fluorouracil
,
5-Fu
,批号
WXBC7976V
)购自美国
Sigma
公司;
Ham’s F-12K
培养液(批号
BC20230422
)购自南京生航生物技术有限公司;胎牛血清(批号
C8010-500mL
)购自上海泰坦科技股份有限公司;细胞外基质(
extracellular matrix
,
ECM
)胶(批号
E1270-5ML
)购自德国
Merck
公司。胰蛋白酶细胞消化液(批号
C0203
)、
MTT
细胞增殖和细胞毒性检测试剂盒(批号
C0009S
)、
BCA
蛋白检测试剂盒(批号
040224240531
)、
BeyoRT
TM
Ⅲ cDNA
第一链合成试剂盒(批号
120622230413
)、
RNAeasy
TM
动物
RNA
抽提试剂盒(批号
Z928240930
)均购自上海碧云天生物科技有限公司。海马无翅基因
3a
(
recombinant wingless type MMTV integration site family member 3a
,
Wnt3a
,批号
00140305
)、
β-catenin
(批号
00051813
)、
TCF4
(批号
00111097
)、
c-Myc
(批号
00138557
)、
GSK-3β
(批号
00075495
)、
E-
钙黏蛋白(
E-cadherin
)(批号
00081113
)、
Vimentin
(批号
00066574
)、
Snail
(批号
00139047
)、甘油醛
3-
磷酸脱氢酶(
glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase
,
GAPDH
,批号
10029187
)抗体均购自武汉三鹰生物技术有限公司;青链霉素混合液(批号
G4003-100ML
)、
2
×
Universal Blue SYBR Green qPCR Master Mix
(批号
MPC2407073
)和
SDS-PAGE
凝胶快速制备试剂盒(批号
CR2403010
)均购自武汉赛维尔生物科技有限公司。
1.3
仪器
3001
型多功能酶标仪、
Forma 3111
型
CO
2
培养箱(美国
Thermo Fisher Scientific
公司);
SW-CT-2FD
型超净工作台(苏州安泰空气技术有限公司);
MF53-N
型倒置荧光显微镜(广州市明美光电技术有限公司);
1000 Touch Thermal Cycler
型
CFX96
触屏实时荧光定量
PCR
检测系统、
170-8070
型
ChemiDoc XRS
+
系统化学发光凝胶成像系统(美国
Bio-Rad
公司)。
2
方法
2.1
细胞培养
用
Ham’s F-12K
培养液(含有
10%
胎牛血清和
1%
青链霉素混合液)于
37
℃、
5% CO
2
的条件下培养人结肠癌
LoVo
细胞。每
2
天更换1次培养液,待细胞长满
85%
以上时,用胰蛋白酶消化传代。
2.2
细胞增殖实验
取对数生长期
LoVo
细胞,按
5
×
10
3
个
/
孔密度接种于
96
孔板,孵育
24
h
后,用
浓度
0.25
、
0.50
、
1.00
、
2.00
、
4.00
、
8.00
、
16.00
和
32.00 μmol/L
的白头翁皂苷
D
继续孵育细胞
48 h
。更换含
MTT
溶液的培养液继续孵育
4 h
,然后加入
100
μL DMSO
,避光振摇
15 min
后,
于
570 nm
波长下检测吸光度(
A
)值,计算细胞存活率及半数抑制浓度(
half maximal inhibitory concentration
,
IC
50
)。
细胞存活率=
(
A
给药
-
A
空白
)
/
(
A
对照
-
A
空白
)
2.3
细胞划痕实验
取对数生长期
LoVo
细胞,按
2
×
10
4
个
/
孔密度接种于
24
孔板,将细胞分为对照组和白头翁皂苷
D
低、中、高剂量(
7.5
、
15.0
、
30.0 μmol/L
)组及
5-Fu
(
20 μmol/L
)组,待细胞长至
80%
,用
10 μL
吸头在细胞单层上做十字划痕,除对照组外,其余各组加入相应浓度含药培养液孵育细胞
24 h
,在不同时间点(
0
、
12
、
24 h
)于显微镜下观察,计算细胞迁移率。
细胞迁移率=
(0 h
划痕面积-不同时间点划痕面积
)/0 h
划痕面积
2.4
细胞侵袭实验
取冻存于
−20
℃的
ECM
胶,于
4
℃过夜。将
ECM
胶用培养液
1
∶
1
稀释后,迅速添加至
24
孔板的
Transwell
上室(
50 μL/
孔),并置于
37
℃细胞培养箱内凝固
1 h
。
消化收集处于对数生长期的
LoVo
细胞,用无血清培养液调整细胞密度至
1
×
10
6
个
/mL
。细胞分组同“
2.3
”项下方法,在
Transwell
上室中分别加入细胞悬液(
1
×
10
5
个
/
孔),在
Transwell
下室中,除对照组外,分别加入相应浓度含药培养液,孵育
24 h
后,用棉签小心地檫除上室中的细胞和
ECM
胶,用
4%
多聚甲醛固定
Transwell
下室的细胞
10 min
,再用
0.1%
结晶紫染色细胞
15 min
,于倒置显微镜下观察,并用
Image-J
软件分析。
2.5
锚定非依赖性克隆形成实验
将
1%
琼脂糖凝固于
6
孔板(
1 mL/
孔)中,随后将
LoVo
细胞按
5
×
10
4
个
/
孔密度接种于琼脂糖,细胞分组同“
2.3
”项下方法,各组培养液处理细胞
14 d
,于光学显微镜下观测细胞克隆形成情况。
2.6 qRT-PCR
检测
mRNA
相对表达
取对数生长期
LoVo
细胞按
5
×
10
5
个
/
孔密度接种于
6
孔板,培养
24 h
后,细胞分组同“
2.3
”项下方法,分别用各培养液处理细胞
48 h
,用
RNAeasy
TM
动物
RNA
试剂盒抽提细胞总
RNA
,并用
BeyoRT
TM
III cDNA
第一链合成试剂盒逆转录得到
cDNA
,随
后用
2
×
Universal Blue SYBR Green qPCR Master Mix
在
CFX96 T
触屏实时荧光定量
PCR
检测系统上进行扩增。
qRT-PCR
反应程序为
95
℃预变性
30
s
、
95
℃变性
15 s
、
60
℃退火
30 s
、
72
℃延伸
30 s
,
40
个循环。以
β-actin
为内参,采用
2
−ΔΔ
C
t
法计算样本
mRNA
相对水平。引物序列见表
1
。
2.7
Western blot
ting
法检测相关蛋白表达
取对数生长期
LoVo
细胞按
5
×
10
5
个
/
孔密度接种于
6
孔板,培养
24 h
后,用含白头翁皂苷
D
(
7.5
、
15.0
和
30.0 μmol/L
)或
5-Fu
(
20 μmol/L
)的培养液处理细胞
48 h
。用含蛋白酶抑制剂的
RIPA
裂解液提取细胞总蛋白,并用
BCA
法测定蛋白浓度,蛋
白样品经十二烷基硫酸钠
-
聚丙烯酰胺凝胶电泳
,转至
PVDF
膜,在室温下用
5%
脱脂奶粉封闭
45 min
后,加入一抗
Wnt3a
(
1
∶
1 000
)、
β-catenin
(
1
∶
1
000
)、
TCF4
(
1
∶
1 000
)、
c-Myc
(
1
∶
1 000
)、
GSK-3β
(
1
∶
1 000
)、
E-cadherin
(
1
∶
1 000
)、
Vimentin
(
1
∶
1 000
)、
Snail
(
1
∶
1 000
)、
GAPDH
(
1
∶
2 000
),于
4
℃轻摇孵育过夜。次日,二抗(
1
∶
2 000
)室温轻摇孵育
90 min
,用
TBST
洗膜
3
次。用
ECL
化学发光试剂在
ChemiDoc XRS
+
System
凝胶成像系统显影蛋白条带,以
GAPDH
为内参,用
Image-J
软件分析蛋白表达量。
2.8
白头翁皂苷
D
抗结肠癌作用机制的验证
取对数生长期
LoVo
细胞,将细胞分对照组、白头翁皂苷
D
组(
15 μmol/L
)、
IWR-1
组(
10 μmol/L
)、
SKL2001
组(
20 μmol/L
)、白头翁皂苷
D
+
IWR-1
组(
10 μmol/L
)、白头翁皂苷
D
(
15 μmol/L
)+
SKL2001
组(
20 μmol/L
),分别按“
2.3
”“
2.6
”“
2.7
”项下方法验证白头翁皂苷
D
抗
LoVo
细胞的作用机制。
2.9
统计学分析
采用
GraphPad Prism 8.0
软件进行统计学分析和绘图。多组间比较采用单因素方差分析(
ANOVA
),两组间比较采用
t
检验。结果以
表示。
3
结果
3.1
对
LoVo
细胞增殖的影响
用不同浓度的白头翁皂苷
D
处理
LoVo
细胞
48
h
后,
LoVo
细胞的增殖活性降低。白头翁皂苷
D
对
LoVo
细胞
IC
50
为
12.90 μmol/L
。结果表明,白头翁皂苷
D
对
LoVo
细胞增殖活性具有较好的抑制作用,且呈现浓度相关性。在后续药理实验中,将白头翁皂苷
D
浓度设置为
7.5
、
15.0
、
30.0
μmol/L
。
3.2
对
LoVo
细胞迁移的影响
如图
1
所示,与对照组比较,白头翁皂苷
D
各剂量组和
5-Fu
组
LoVo
细胞迁移率显著降低(
P
<
0.05
、
0.01
),表明白头翁皂苷
D
能够抑制
LoVo
细胞迁移,且该作用呈现剂量相关性。
3.3
对
LoVo
细胞侵袭的影响
如图
2
所示,与对照组比较,白头翁皂苷
D
各剂量组和
5-Fu
组
LoVo
细胞侵袭数量显著减少
(
P
<
0.05
、
0.01
),提示白头翁皂苷
D
能够抑制
LoVo
细胞侵袭,且该作用呈现剂量相关性。
3.4
对
LoVo
细胞克隆形成的影响
如图
3
所示,药物处理
LoVo
细胞
14 d
后,与对照组比较,白头翁皂苷
D
各剂量组和
5-Fu
组细胞克隆数量显著减少(
P
<
0.05
、
0.01
),表明白头翁皂苷
D
能够抑制
LoVo
细胞克隆形成,且该作用呈现剂量相关性,提示白头翁皂苷
D
可抑制
LoVo
细胞的恶性转化。
3.5
对
LoVo
细胞
EMT
相关基因表达的影响
如图
4
所示,与对照组比较,白头翁皂苷
D
各剂量和
5-Fu
显著升高
LoVo
细胞
E-cadherin
的
mRNA
水平(
P
<
0.01
),降低
Vimentin
和
Snail
的
mRNA
水平(
P
<
0.01
),且呈剂量相关性。与对照组比较,白头翁皂苷
D
和
5-Fu
显著增加
LoVo
细胞
E-cadherin
的蛋白表达(
P
<
0.05
、
0.01
),降低
Vimentin
和
Snail
的蛋白表达(
P
<
0.05
、
0.01
),且呈剂量相关性。结果表明,白头翁皂苷
D
能够抑制
LoVo
细胞
EMT
。
3.6
对结肠癌细胞
Wnt/β-catenin
信号通路活性的影响
如图
5
所示,与对照组比较,白头翁皂苷
D
和
5-Fu
显著降低
LoVo
细胞
Wnt3a
、
β-catenin
、
TCF4
和
c-Myc
的
mRNA
水平(
P
<
0.01
),升高
GSK-3β
的
mRNA
水平(
P
<
0.05
、
0.01
),且呈剂量相关性。与对照组比较,白头翁皂苷
D
和
5-Fu
显著降低
LoVo
细胞
Wnt3a
、
β-catenin
、
TCF4
和
c-Myc
的蛋白表达(
P
<
0.05
、
0.01
),增加
GSK-3β
的蛋白表达(
P
<
0.05
、
0.01
),且呈剂量相关性。以上结果表明,白头翁皂苷
D
可抑制结肠癌细胞
Wnt/β-catenin
信号通路。
3.7 Wnt/β-catenin
信号激动剂
、
抑制剂对白头翁皂苷
D
药理作用的验证
如图
6-A
所示,药物处理
12 h
和
24 h
后,与
对照组比较,白头翁皂苷
D
(
15 μmol/L
)显著抑制
LoVo
细胞迁移,且该作用可被
Wnt/β-catenin
信号通路抑制剂
IWR-1
(
10 μmol/L
)协同增强,也被
Wnt/β-catenin
信号通路激动剂
SKL2001
(
20 μmol/L
)拮抗减弱(
P
<
0.05
、
0.01
)。
如图
6-B
所示,与对照组比较,白头翁皂苷
D
(
15 μmol/L
)显著升高
LoVo
细胞
E-cadherin
的
mRNA
水平(
P
<
0.05
),降低
Vimentin
的
mRNA
水平(
P
<
0.05
),且该作用可被
Wnt/β-catenin
信号通路抑制剂
IWR-1
(
10 μmol/L
)协同增
强,
也被
Wnt/β-catenin
信号通路激动剂
SKL2001
(
20 μmol/L
)拮抗减弱(
P
<
0.05
、
0.01
)。如图
6-C
所示,与对照组比较,白头翁皂苷
D
(
15
μmol/L
)显著升高
LoVo
细胞
E-cadherin
的蛋白表达(
P
<
0.01
),但降低
Vimentin
的蛋白表达,且该作用可被
Wnt/β-catenin
信号通路抑制剂
IWR-1
(
10 μmol/L
)协同增强,也被
Wnt/β-catenin
信号通路激动剂
SKL2001
(
20 μmol/L
)拮抗减弱(
P
<
0.05
、
0.01
)。
4
讨论
白头翁的主要活性成分白头翁皂苷
D
对甲状腺癌
[13]
、肺癌
[14]
、食管癌
[15]
和乳腺癌
[16]
等具有良好的抗癌作用。本研究结果表明,白头翁皂苷
D
能够抑制
LoVo
细胞增殖,这与白头翁皂苷
D
通过调控
AKT/mTOR
信号通路、抑制结肠癌细胞增殖并诱导细胞凋亡的报道一致
[17]
。
原发性肿瘤的侵袭转移是肿瘤恶化导致患者死亡的重要原因
[18]
。
EMT
是肿瘤细胞失去上皮细胞特性并获得间质细胞特征的过程,其导致肿瘤细胞从原发部位脱离并获得运动能力
[19]
。在
EMT
过程中,
E-cadherin
水平降低,间充质状态相关标志物(
Vimentin
、
N-cadherin
等)表达升高
[19]
。
E-cadherin
作为上皮细胞的标志之一,其缺失能破坏细胞间的连接并导致肿瘤细胞彼此分离,最终引发间充质细胞状态和转移表型
[20]
。
Vimentin
是一种中间丝蛋白,可支撑间充质细胞的细胞器,通过改变细胞形状与运动促进
EMT
[21]
。
Snail
是
EMT
主要调控因子之一,可通过抑制
E-cadherin
表达而促进
EMT
。因此,抑制
Vimentin
和
Snail
表达是抗肿瘤
EMT
的重要策略
[22]
。
LoVo
细胞来源于转移性结肠癌病灶,具有高侵袭性与迁移能力,研究结果发现,白头翁皂苷
D
能够抑制
LoVo
细胞侵袭、迁移和恶性转化,促进
LoVo
细胞
E-cadherin
的表达,并降低
Vimentin
和
Snail
的表达,提示白头翁皂苷
D
能够抑制
LoVo
细胞
EMT
。
Wnt/β-catenin
信号通路的异常激活可促进肿瘤发生发展、转移扩散以及对化疗耐药
[23]
。
Wnt3a
作为经典的
Wnt
配体,在结肠癌组织中高表达,上调
Wnt3a
可促进结肠癌增殖和转移
[24]
。
β-catenin
是经典
Wnt/β-catenin
通路的核心因子,
β-catenin
异常高表达是结肠癌的重要病理因素,蓄积的
β-catenin
可导致
Wnt/β-catenin
信号通路活性增强,从而激活下游癌基因的转录
[25]
。
TCF4
也是结肠癌发生发展的重要促进因子,其上调可以诱导结肠癌增殖和侵袭
[26]
。
β-catenin/TCF4
相互作用是
Wnt
信号通路中的“分子开关”,可促进肿瘤的转移与复发
[27]
。而
c-Myc
作为
β-catenin/TCF
转录复合物的直接靶基因之一,可正向调节多个关键的细胞周期蛋白,促进肿瘤增殖
[28]
。
GSK-3β
是
Wnt/β-catenin
信号通路中的一种激酶,可磷酸化
β-catenin
,引发后者的泛素化和蛋白酶降解,从而下调
Wnt/β-catenin
信号通路活性
[29]
。本研究发现,白头翁皂苷
D
显著降低结肠癌细胞
Wnt3a
、
β-catenin
、
TCF4
和
c-Myc
的
mRNA
和蛋白水平,并增强
GSK-3β
的
mRNA
和蛋白表达。这与白头翁皂苷
D
通过调控
Wnt/β-catenin
通路抑制人乳腺癌
MCF-7
细胞增殖的结果相似
[30]
,提示白头翁皂苷
D
可通过抑制
Wnt/β-catenin
信号通路活性来发挥抗结肠癌作用。
EMT
与
Wnt/β-catenin
信号通路的活性呈正相关,
Wnt/β-catenin
信号通路的激活可以促进
EMT
相关因子表达而引发
EMT
。此外,
Wnt/β-catenin
信号通路还通过影响肿瘤细胞干性而促进
EMT
[25]
。本研究发现,白头翁皂苷
D
可以降低结肠癌细胞
Wnt/β-catenin
信号通路活性,同时抑制结肠癌的
EMT
。
E-cadherin
与
Vimentin
作为
EMT
标志基因同时也是
Wnt
通路的关键靶标
[31]
。结果表明,白头翁皂苷
D
与
Wnt/β-catenin
信号通路抑制剂
IWR-1
联用,
E-cadherin mRNA
与蛋白表达水平进一步升高,
Vimentin mRNA
与蛋白表达水平进一步降低,与
Wnt/β-catenin
信号通路激动剂
SKL2001
联用则相反,表明白头翁皂苷
D
抗结肠癌
EMT
的作用可被
IWR-1
协同增强,也被
SKL2001
拮抗减弱。以上结果表明,白头翁皂苷
D
可抑制结肠癌的
EMT
,其机制在于抑制
Wnt/β-catenin
信号通路。
综上,白头翁皂苷
D
能够显著抑制人结肠癌细胞增殖、侵袭、迁移和恶性转化,调节结肠癌的
EMT
相关基因表达,抑制结肠癌的
Wnt/β-catenin
信号通路。但是,本文仅在体外实验方面对相关机制进行了研究。今后,将进一步开展体内动物实验,更加深入地揭示白头翁皂苷
D
抗结肠癌
EMT
的分子机制,为临床上使用白头翁防治结肠癌转移提供的科学依据。
利益冲突
所有作者均声明不存在利益冲突
参考文献(略)
来 源:
彭宇辉,王敏敏,雷家荣,唐晓梦,何紫雨,刘晓虹,明天琪,李煜兵,冉宇鑫,郑凯杰,徐海波
.
基于Wnt/β-catenin信号通路的白头翁皂苷D对结肠癌上皮间质转化的影响
[J]. 中草药, 2024, 56
(2): 499-508.
中草药杂志社
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