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十字花科植物中莱菔硫烷防癌机制研究进展

发表于:2019-02-15   作者:郭彩杰;崔娜;李   来源:《西北植物学报》2009年   点击量:

摘 要:十字花科蔬菜中的异硫氰酸酯——莱菔硫烷(su/foraphane,SF)可以在癌症的起始、发展和增生3个阶段 阻滞癌细胞的生长发育,降低癌症发生的风险,其前体物主要存在于西兰花中。本文主要对国内外近年来有关SF 对化学致癌物代谢酶的影响、激活抗氧化基因活性、激活转录因子、阻滞细胞周期、诱导细胞凋亡等方面的研究进 展进行综述,以探讨SF的防癌机制,为防癌抗癌食品和药物的研发提供参考。
 
关键词:莱菔硫烷;防癌;Nrf2;细胞凋亡;细胞周期
 
十字花科是最有经济价值的开花植物之一。它 不但作为蔬菜、花卉、油料和调味料的主要作物,还可用于中药材。自1992年莱菔硫烷(sulforaphane, SF)被发现具有化学保护作用以来,逐渐成为国内外研究的热点。流行病学研究发现,食用十字花科蔬菜可以降低癌症发生的风险.主要是由于其中富含葡糖异硫氰酸酯类物质,经芥子酶水解可生成异硫氰酸酯,如苯乙基异硫氰酸酯、苄基异硫氰酸酯和莱菔硫烷(sulforaphane,SF)等,其中SF可以抑制多种致癌物质诱发的肿瘤,例如:SF能降低二甲基苯并蒽诱发小鼠乳腺瘤发生几率,阻止苯并蒽诱发小鼠前胃瘤形成”,抑制烟草等致癌物质诱发 A/J小鼠肺癌。本研究主要就国内外近年来有关 SF对化学致癌物代谢酶和转录因子的影响、FS阻滞细胞周期、诱导细胞凋亡等方面的研究进展进行综述,以探讨SF的防癌机制,为十字花科植物的开发利用和将SF开发为高效低毒的抗癌药物提供参考。
 
1. 十字花科植物中的莱菔硫烷
十字花科植物中的含硫化合物,如硫代葡萄糖 甙(glucosinolates,GS),是重要的次生代谢产物,存 在于植物的根、茎、叶和种子中,且在种子中含量最高,在一些十字花科植物中的含量约占干重的1% ~10%。
 
硫代葡萄糖甙可分为3类:脂肪类、芳香类和吲哚类硫代葡萄糖甙,定位在细胞的液泡中。当植株破损时,硫代葡萄糖甙受定位于特定蛋白体中的黑芥子硫酸苷酶(myrosinase)酶解,产生异硫氰酸盐(isothiocynates,ITC),莱菔硫烷(sulforaphane,SF)是众多异硫氰酸盐中的一种,是植物中防癌和抗癌效果最好的天然活性物质之一,尤其对食道癌、结肠癌、前列腺癌、乳腺癌、肺癌等有很好的防治效果,具有广阔的市场前景。
 
在十字花科植物中芸苔属(Brassica)是主要的食用蔬菜,芸苔属植物包括西兰花(B.oleracea var.italica)、花椰菜(B.oleracea var.botrytis I。.)、芜箐 (B.rapa L.)、羽衣甘兰(B.oleracea var.acephala DC.f.tricolor Hout)、芥菜[B.j.ncea(L.)Czern. et Coss3、卷心菜(B.oleracea var.capitata L.)等。 夏薇等[121采用HPLC方法对北方居民常食用的12 种蔬菜中莱菔硫烷含量测定结果显示,西兰花中莱 菔硫烷含量最多,其次为甘蓝(B.caulorapa Pasq) 等,洋葱(A.cepa L.)、大葱(A.fistulosum L.)中只检测出了少量的莱菔硫烷,而茄子(S.melongena L.)、马铃薯(S.tuberosum I。.)等蔬菜中未检出,表明莱菔硫烷主要存在于十字花科植物中。
 
SF的分子式是CH3S(o)(CH2)4一N=C=S,分子量为177.3,可能的半衰期为2.2 h。当十字花科植物的植株受损时。细胞暴露在莱菔硫烷中,莱菔硫烷会在1 h内大量进入细胞,与胞内硫醇,尤其是谷胱甘肽(GSH)结合。莱菔硫烷和GSH的结合在谷胱甘肽硫转移酶(GST)的催化下进行,生成的产物是谷胱甘肽加合物(谷胱甘肽二硫代氨基甲酸 酯),莱菔硫烷主要以这种形式在细胞内快速积累; 谷胱甘肽加合物可在r谷氧酰转肽酶(7-GT)和半胱氨酸甘氨酸酶(CG)作用下,脱去7-谷氨酸之后, 在N一乙酰基转移酶(NAT)催化下生成硫醇尿酸衍 生物。
 
2. 莱菔硫烷的防癌机制
2.对化学致癌物代谢酶的影响
2.1.1 抑制一相酶的活性 细胞色素P450(CYPs)是一相酶,它可以把许多有机物激活为亲电化合物,亲电化合物与DNA结合并使之产生突变是诱发癌症的重要因素。前人研究发现,SF通过共价修饰抑制CYPs活力降低致癌源被激活的比例,起到防癌作用。据报道,SF可以降低小鼠肝细胞中 CYPslAl和281/2的活性,抑制丙酮激活的小鼠肝脏细胞微粒体中CYPs2E1活性,消除N-亚硝基 二甲胺的遗传毒性。个体每天摄入杂环氨的量可达微克级,其中2一氨基一1一甲基-6-苯基咪唑[4,5一 b]吡啶(PhIP)的含量最高,SF能有效抑制杂环氨诱发的多种癌症。而且,SF可以显著降低 HepG2细胞和肝细胞中PhlP-DNA的连接,而对已经连接后的恢复却没有作用。表明SF能够阻止 PhIP和DNA的连接,通过抑制一相酶的活性从而使机体免受致癌物一DNA加合物的损伤。
 
2.1.2 激活二相酶的活性 SF可以诱导二相酶如醌氧化还原酶(NQ01)、谷胱甘肽硫转移酶(GST)、 UDP一葡萄糖醛酸转移酶(UGT)等的活性,把致癌物质转变成无致癌毒性的代谢物质而排出,起到脱毒与防癌作用。研究表明,给小鼠饲喂高剂量 (1000umol·kg-1·d-1)的SF,可以提高肝脏、 肺、乳腺、胃和小肠等器官的二相酶的活性,饲喂低剂量(40 umol·kg-1·d-1)的SF可以提高十二指肠和膀胱等器官中GST和NQ01的 活性。McWalter等报道SF可以诱导人肝脏中UDPGlAl、GSTAl,GSTA3、GSTMl/2和小肠 中NQ01、GSTAl/2的表达,提高膀胱和前列腺组织中GST、NQol的活性。表明SF可以调节致癌物代谢酶系统的活性,催化致癌物代谢为非致癌性物质,这是SF具有化学预防效能的重要机理之一。
 
2.激活抗氧化基因活性
活性氧(ROS)的产生是需氧代谢不可避免的结果,过度积累会激活致癌基因,引发癌症。有研究表明,SF可以激活含有ARE的抗氧化酶基因,被激活的抗氧化酶能够清除细胞内的ROS。,抑制 ROS诱发的癌症。硫氧还蛋白还原酶-1(TrxR-1) 是抗凋亡与抗氧化的酶,它催化氧化型硫氧还蛋白的还原;TrxR一1也是含硒酶,基因中含有 ARE,因此其活力不仅能被硒凋控,也能因SF 的作用而增加。据报道,含硒酶对硒很容易达到饱和,在饱和的状态下,进一步提高硒水平,TrxR-1 活力不再增加,说明SF与硒可协同作用,且在 HepG2细胞内能够促进TrxR-1的高表达。另 一种丰要存在于胃肠组织中的含硒酶——胃肠谷胱甘肽过氧化物酶(GI—GPx)可以阻挡过氧化氢侵入机体,其基因中也含有AREr3引。Banning等报道胃肠谷胱甘肽过氧化物酶可以被SF诱导表达, 从而达到消炎抗癌的作用;Campbell等报道硒与 SF联合可以增强EAhy926内皮细胞中的抗氧化作用。由此可见,用硒和SF共同作用是防癌的一个重要方向。
 
2.激活转录因子
2.3.1 刺激Nrf2入核  Nrf2(NF—E2一related fac— tor2)是细胞调节抗氧化应激反应的转录因子,在非应激态,Nrf2被Kelch-like ECH结合蛋白l (Keapl)阻滞在细胞质中。研究表明,SF通过与 Keapl中的半胱氨酸结合,改变Keapl的空间结构,使之与Nrf2解偶联,从而增强Nrf2的核定位,当Nrf2入核后与抗氧化反应元件(ARE)结合,启动二相酶或抗氧化酶相关基因的表达,从而全面调动细胞脱毒和抗氧化防御,达到抑制癌症的发生。
 
2.3.2 SF对Nrf2的依赖性 与野生型相比,Nrf2 基囚敲除的小鼠二相酶和抗氧化酶水平均会降低,因此易被细胞毒性物质伤害。Juge等报道, 用西兰花喂食Nrf2(+/+)小鼠,其小肠和肝中 N001和GST的活性提高1.5倍,胃和小肠谷胱甘肽合成酶水平明显提高,而Nrf2(一/一)则没有变化,表明西兰花可以增加Nrf2(+/+)小鼠胚胎成纤维细胞中GSTA3、GSTMl和NQ01等蛋白的含量。另外,SF可以诱导Nrf2(+/+)小鼠小肠细胞 中NQ()1和G-ST的活化,而Nrf2(~/一)细胞则无此现象,进一步证明,SF依赖于Nrf2诱导二相酶和抗氧化酶基因的表达。
 
2.阻滞细胞周期
细胞周期分为G1、S、G2和M 4个时期,细胞周期蛋白(cyclin)和细胞周期蛋白依赖激酶(CDK) 调控这个过程,细胞周期为癌症的抑制提供了许多靶点。已在多种细胞中观察到SF对细胞周期的阻滞作用,不同的细胞会被阻滞于不同的时期,包括 G。/G1期、G2/M期和S期,其机制涉及以下几方面。
 
2.4.1 调节CDK活性 CDK的活性可被2个不同的cyclin依赖的激酶抑制物家族-INK4和 Cip/Kip家族所抑制。INK4家族包括4个蛋白:P16INK4a、P15INK4b、P18INK4c。和P19INK4d,它们能特异地结合于CDK4和CI)K6的催化亚基,阻止他们与cyclinD的结合。Cip/Kip蛋白在细胞中有广泛的功能,其功能通过影响cyclinD、E和A依赖激酶(包括P21waf1/ctpl、P27ktpl和P57ktp2)的活性来执行。Tang等报道,在UM-UC-3细胞中,sF 通过降低cyclinA的表达把细胞阻滞于S期;沈国祥等报道,SF可以下调前列腺细胞中cyclinDl 的表达,将细胞阻滞于G。/G1期。有研究表明,SF 还可通过调控CDK抑制剂的活性来调控细胞周期。此外,Wang等报道,SF可以增加HT29 细胞中P21waf1/ctpl的蛋白水平,Shan等研究表明, SF可以提高膀胱癌细胞中P27ktpl的水平,且两者都可以造成癌细胞的细胞周期阻滞。
 
2.4.2 抑制微管聚合 微管是抗癌药物如紫杉醇的靶位点,由a和13两个亚基组成,是球状肌球蛋白的多聚体,在有丝分裂、细胞运动和运输中起重要作用,破坏肌球蛋白的聚合会干扰有丝分裂,阻滞细胞周期。Jackson等报道,低浓度的SF会导致小鼠乳腺癌有丝分裂细胞中纺锤体轻微解聚,高浓度的SF则会抑制微管的聚合,表明SF可以抑制微管的聚合,阻滞细胞周期。
 
2.4.3 调节组蛋白的乙酰化 前人研究表明,组蛋白乙酰化与开放的染色体结构相联系,启动基因转录,组蛋白脱乙酰基酶(HDACs)使染色体维持紧密的结构,不能转录;组蛋白的乙酰化程度依赖于乙酰化酶和HDAC之间的平衡,且HDACs通常在肿瘤细胞和组织里过表达,是研发抗癌药物的新靶点。Myzak等n11首次报道,SF能降低人胚肾293细胞和结肠HCTll6中HDAC的活性,提高H3和H4的乙酰化程度;进一步研究表明,SF可以抑制BPH-1、LnCaP和PC-3等前列腺细胞中HDAC的活性,提高H3和H4的乙酰化水平。 HDAC抑制剂可以通过激活p21和bax基因来诱导细胞凋亡。表明SF主要通过抑制HDAC的活性来促进组蛋白乙酰化,阻滞肿瘤细胞的细胞周期,促使其凋亡。
 
2.5 诱导细胞凋亡
前人研究发现,SF可以使癌细胞内谷胱甘肽迅速减少,引发大量ROS,产生染色体浓缩、磷脂酰丝 氨酸翻转和DNA破碎等典型的凋亡特征,触发癌细胞凋亡,抑制癌症的扩散。表明SF可以通过多个通路诱导凋亡,分述如下。
 
2.5.1 线粒体通路 线粒体释放细胞色素C (CytC)到细胞质中,CytC结合于凋亡蛋白酶活化因子Apaf-1,诱导Caspases-9表达,随后激活 Caspases-3,诱导细胞凋亡。Cho等报道,SF处理的肿瘤细胞中伴随着Caspases-9的活化,激活 Caspases-3,在细胞周期G2/M期阻滞细胞生长,诱导细胞凋亡。Choi等报道,SF处理的肿瘤细胞中激活Caspases-9和Caspases-3,使基因Bax和 Bak改变,诱导细胞凋亡。
 
2.5.2 死亡配体通路  研究发现,SF可激活前列腺癌细胞凋亡的死亡受体通路,SF处理前列腺癌 PC-3和DUl45细胞,由于特殊的Caspase-8抑制子被破坏,激活Caspase-8而导致细胞凋亡。Pham 等报道SF激活胰腺癌细胞中的Caspases-8诱导凋亡。而死亡配体如Fas-L、TRAIL和肿瘤坏死因子a(TNF-a)等通过细胞表面的死亡受体活化 Caspases-8,诱导肿瘤细胞的凋亡。
 
2.5.3 内质网通路 研究表明,当内质网受损时, 胞内游离Ca2+水平会上升,同时伴随着钙离子依赖的半胱氨酸蛋白酶calpain水平的上升,caspases-12 被活化,随后激活caspases-3,产生凋亡。Karmakar等报道,SF可以提高骨肉瘤细胞内游离 Ca2+的水平,上调Ca2+依赖刑半胱氨酸蛋白酶,激活caspases-1 2,随后激活caspase-3,Bax基因比率上调,引起骨肉瘤细胞凋亡。
 
2.5.4  IAP蛋白家族通路 IAP蛋白家族有3个 成员:XIAP、c-IAPl和c-IAP2,可以抑制半胱天冬酶(caspase)活性,从而抑制细胞的凋亡。用SF 处理MEFs细胞24 h会导致XIAP蛋白水平下降,这个过程独立于Bax或Bak蛋白起作用。Chio 等报道,SF可以降低PC-3细胞中IAP家族的3 个成员XIAP、c-IAPl和c-IAP2的含量,伴随着核转录因子P65-核因子KB(NFJcB)的活性被抑制。 SF通过下调lAP蛋白家族、激活Bax基因和Apaf1因子促进细胞凋亡。
 
3. 结语
SF在癌症的起始、发展和增生3个阶段发挥作用:在癌症的起始阶段,SF可以抑制一相酶的活性、 激活二相解毒酶和抗氧化酶的活性;在诱发和增生阶段,SF可以调节cyclin和CDK,阻滞细胞周期, 并通过多种途径激活Caspases诱导的细胞凋亡,从而有效遏制癌症的扩散。另外,SF参与微管解聚和组蛋白去乙酰化,深化了对其防癌机制的认识,同时也显示它在癌症治疗方面的发展潜力。
 
但在研究中还有许多工作需要深入开展:(1)莱菔硫烷对TrxR的影响还可能发生在转录后的各水平,其深层的作用机制还有待于进一步的研究证实; (2)在细胞中加入莱菔硫烷后,它能同时刺激众多基因的表达,显著上调多种有益酶类,这些酶能够在脱毒和抗氧化方面起协同作用,它们的作用路径相互连接,相互连接的路径间的协调作用机制还需深入研究;(3)硫代葡萄糖苷及其水解产物进入生物体后的生物可利用度问题还需进一步证实。
 
因此,加强对十字花科植物中莱菔硫烷功能的研究,以十字花科植物为原料研制具有抗癌保健功能的食品或具有天然抗癌作用的药物,更好地辅助治疗癌症,是一个非常有现实意义的研究课题。

本文源于《西北植物学报》2009年10期,如有侵权,请联系我们删除。
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