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 transitionEMT)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 familyWnt)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 proteinAxin/糖原合成激酶-3βglycogen synthase kinase-3βGSK-3β/腺瘤性结肠息肉病蛋白(adenomatous polyposis coli proteinAPC/酪氨酸蛋白激酶蛋白(casein kinase 1 alphaCK1α)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 factorTCF/‌淋巴增强因子(lymphoid enhancer-binding factorLEF)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(frizzledFZD/低密度脂蛋白受体相关蛋白(low density lipoprotein-related proteinLRP)结合。随后,LRP受体被CK1αGSK-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-cateninLEFTCF蛋白形成转录复合物,启动下游原癌基因(myelocytomatosis viral oncogene homologc-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(fluorouracil5-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 matrixECM)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)、BeyoRTTM Ⅲ cDNA第一链合成试剂盒(批号120622230413)、RNAeasyTM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3arecombinant wingless type MMTV integration site family member 3aWnt3a,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 dehydrogenaseGAPDH,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 3111CO2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 CyclerCFX96触屏实时荧光定量PCR检测系统、170-8070ChemiDoc 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

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% CO2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5×103/孔密度接种于96孔板,孵育24 h后,用浓度0.250.501.002.004.008.0016.0032.00 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,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 concentrationIC50)。

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2×104/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(7.515.030.0 μmol/L)组及5-Fu20 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(01224 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11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1×106/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(1×105/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

1%琼脂糖凝固于6孔板(1 mL/孔)中,随后将LoVo细胞按5×104/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5×105/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RNAeasyTM动物RNA试剂盒抽提细胞总RNA,并用BeyoRTTM 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 MixCFX96 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 s95 ℃变性15 s60 ℃退火30 s72 ℃延伸30 s40个循环。以β-actin为内参,采用2−ΔΔCt法计算样本mRNA相对水平。引物序列见表1

2.7  Western blotting法检测相关蛋白表达

取对数生长期LoVo细胞按5×105/孔密度接种于6孔板,培养24 h后,用含白头翁皂苷D7.515.030.0 μmol/L)或5-Fu20 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Wnt3a11 000)、β-catenin11 000)、TCF411 000)、c-Myc11 000)、GSK-3β11 000)、E-cadherin11 000)、Vimentin11 000)、Snail11 000)、GAPDH12 000),于4 ℃轻摇孵育过夜。次日,二抗(12 000)室温轻摇孵育90 min,用TBST洗膜3次。用ECL化学发光试剂在ChemiDoc XRSSystem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DIWR-1组(10 μmol/L)、白头翁皂苷D15 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DLoVo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。

结果

3.1  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DLoVo细胞IC5012.90 μmol/L。结果表明,白头翁皂苷DLoVo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7.515.030.0 μmol/L

3.2  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-FuLoVo细胞迁移率显著降低(P0.050.01),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  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-FuLoVo细胞侵袭数量显著减少P0.050.01),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  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(P0.050.01),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 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-cadherinmRNA水平(P0.01),降低VimentinSnailmRNA水平(P0.01),且呈剂量相关性。与对照组比较,白头翁皂苷D5-Fu显著增加LoVo细胞E-cadherin的蛋白表达(P0.050.01),降低VimentinSnail的蛋白表达(P0.050.01),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D5-Fu显著降低LoVo细胞Wnt3aβ-cateninTCF4c-MycmRNA水平(P0.01),升高GSK-3βmRNA水平(P0.050.01),且呈剂量相关性。与对照组比较,白头翁皂苷D5-Fu显著降低LoVo细胞Wnt3aβ-cateninTCF4c-Myc的蛋白表达(P0.050.01),增加GSK-3β的蛋白表达(P0.050.01),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 h24 h后,与对照组比较,白头翁皂苷D15 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-110 μmol/L)协同增强,也被Wnt/β-catenin信号通路激动剂SKL200120 μmol/L)拮抗减弱(P0.050.01)。如图6-B所示,与对照组比较,白头翁皂苷D15 μmol/L)显著升高LoVo细胞E-cadherinmRNA水平(P0.05),降低VimentinmRNA水平(P0.05),且该作用可被Wnt/β-catenin信号通路抑制剂IWR-110 μmol/L)协同增强,也被Wnt/β-catenin信号通路激动剂SKL200120 μmol/L)拮抗减弱(P0.050.01)。如图6-C所示,与对照组比较,白头翁皂苷D15 μmol/L)显著升高LoVo细胞E-cadherin的蛋白表达(P0.01),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-110 μmol/L)协同增强,也被Wnt/β-catenin信号通路激动剂SKL200120 μmol/L)拮抗减弱(P0.050.01)。

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(VimentinN-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]SnailEMT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VimentinSnail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VimentinSnail的表达,提示白头翁皂苷D能够抑制LoVo细胞EMTWnt/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-3βWnt/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Wnt3aβ-cateninTCF4c-MycmRNA和蛋白水平,并增强GSK-3βmRNA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。
EMTWnt/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EMTE-cadherinVimentin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DWnt/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.

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