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虎刺醛对人早幼粒白血病细胞HL-60的生长抑制、周期阻滞、凋亡诱导及DNA损伤作用



全 文 :西 北 师 范 大 学 学 报 (自然科学版)       第48卷2012年第1期 
Journal of Northwest Normal University(Natural Science)       Vol.48 2012 No.1 
收稿日期:2011-10-14;修改稿收到日期:2011-11-14
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30960464);西北师范大学知识与科技创新工程资助项目(NWNU-KJCXGC-03-65)
作者简介:丁兰 (1964—),女,四川德阳人,教授,博士,硕士研究生导师.主要研究方向为分子药理学及植物细胞工程.
E-mail:dinglan@nwnu.edu.cn
虎刺醛对人早幼粒白血病细胞HL-60的生长抑制、
周期阻滞、凋亡诱导及DNA损伤作用
丁 兰,董 刚,周启银,郭 艳,刘国安
(西北师范大学 生命科学学院,甘肃 兰州 730070)
摘 要:利用生长曲线法、流式细胞术、AO/EB双染法及单细胞凝胶电泳法,分别检测了蒽醌化合物虎刺醛对人早
幼粒白血病细胞 HL-60的生长抑制、细胞周期阻滞、细胞凋亡诱导以及 DNA 损伤能力.结果表明,2.5~12.5
μg·mL
-1的虎刺醛对人早幼粒白血病细胞 HL-60具有显著的生长抑制作用;不同浓度(5~40μg·mL
-1)的虎刺醛,可
引起 HL-60细胞G1 期、S期和G2/M期周期阻滞;在2.5~12.5μg·mL
-1浓度范围和24~48h培养时间下,虎刺醛
可不同程度诱导 HL-60细胞,其凋亡率达到显著水平(P<0.05)或极显著水平(P<0.01),且具有时间和浓度依赖性
关系;与对照组相比,药物处理组(5~12.5μg·mL
-1)均有极显著性(P<0.01)的彗星率,这表明,该浓度条件下,
虎刺醛可较大程度地导致细胞核DNA损伤,这可能是引起周期阻滞进而抑制细胞增殖,最终导致细胞凋亡的原因.
关键词:虎刺醛;人早幼粒白血病细胞 HL-60;细胞毒性;周期阻止;凋亡;DNA损伤
中图分类号:Q 946.8    文献标识码:A    文章编号:1001-988Ⅹ(2012)01-0084-07
The effect of damnacanthal on anti-proliferation,
cel cycle arrest,DNA damage and apoptosis
of human promyelocytic leukemia HL-60cels
DING Lan,DONG Gang,ZHOU Qi-yin,GUO Yan,LIU Guo-an
(Colege of Life Science,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,Gansu,China)
Abstract:The growth curve assay,FCM analysis,AO/EB double staining and single cel gel
electrophoresis are used to investigate the proliferation inhibition,cel cycle arrest,apoptosis induction
and DNA damage of damnacanthal on human leukemia HL-60cels respectively.The results demonstrate
that damnacanthal exhibits significant cel proliferation inhibition for human promyelocytic leukemia HL-60
cels at concentration of 2.5~12.5μg·mL
-1;it induces cel cycle arrest in G1,S or G2/M phase
separately according to different concentrations range from 5~40μg·mL
-1;the compound also induces
significant apoptosis in HL-60cels with 24~48hincubation time and 2.5~12.5μg·mL
-1 concentrations,
the ratio of apoptotic cels is in a time-and dose-dependent manners;the comet-like cels rate of treated
groups(5~12.5μg·mL
-1)is significantly different from the control group,this indicates that the
compound exerts a serious damage on cel nucleus and DNA.The effect of DNA damage which induces by
damnacanthal in HL-60cels,in conclusion,is probably a reason causing cel cycle arrest,cel
proliferation inhibition and cel apoptosis.
Key words:damnacanthal;human promyelocytic leukemia cels;cytotoxicity;cel cycle arrest;
apoptosis;DNA damage
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 2012年第1期  丁 兰等:虎刺醛对人早幼粒白血病细胞HL-60的生长抑制、周期阻滞、凋亡诱导及DNA损伤作用
 2012 No.1 The efect of damnacanthal on anti-proliferation,cel cycle arrest,DNA damage and apoptosis of HL-60cels
  茜草科(Rubiaceae)植物全世界约有500属
6000余种,主要分布于热带和亚热带地区,其中
许多种类是中医传统用药,具有行血、止血、解热
镇痛等作用[1],如茜草(Rubia cordifolia L)用于
治疗吐血、外伤出血、关节痹痛、跌打肿痛、肝炎
等症[2-4].此科植物含有多种生物活性成分,其中
蒽醌化合物最为丰富.已有的研究结果证实,蒽醌
化合物具有抗氧化、抗炎、抗菌、抑制肿瘤细胞生
长和诱导肿瘤细胞凋亡的作用[5-9].
匙萼木(Xanthophytum atopvensis Pierre)为茜
草科匙萼木属(Xanthophytum)植物,分布于我国广
东、海南、云南等地,民间主要用于治疗黄疸肝
炎[10].本实验室对云南产匙萼木的化学成分进行了
系统的研究,从中分离得到8种蒽醌类化合物单体,
并对6种化合物的构效关系进行了探讨,其中虎刺
醛(1-甲氧基-2-醛基-3-羟基蒽醌)在8种分离化合物
中,得率最高,细胞毒性最强,尤其对 HL-60细胞
株有更高的敏感性,其IC50值为4.6±0.2,具有进
一步研究的价值[11].据报道,虎刺醛具有多种生物
学活性,如抗菌、抑制肿瘤细胞增殖[6]、抑制
HIV-1病毒蛋白R诱导的细胞死亡[12],并可通过激
活p38MAP激酶途径导致死亡受体途径相关蛋白和
caspase 8激活,线粒体释放细胞色素c,激活
caspase 3后最终使人肝腺癌细胞SKHep 1凋亡[13].
有关虎刺醛抗肿瘤研究的报道很少,尤其是对早幼
粒白血病细胞株 HL-60的周期阻滞、凋亡诱导及其
机理的研究还未见报道.本实验检测了虎刺醛对
HL-60细胞株的生长抑制、周期阻滞和凋亡诱导,
并对其机理进行了初步探讨,为虎刺醛和相关化合
物的抗白血病研究提供科学依据.
1 材料与方法
1.1 材料
蒽醌化合物虎刺醛(图1)由本实验室从云南产
匙萼木中分离得到,并采用现代波谱学方法(红外、
质谱、核磁共振等)对其结构进行了鉴定[11].单体
化合物虎刺醛使用前以DMSO(二甲基亚砜)溶解,
4℃下保存待用.
1.2 试剂及仪器
RMPI-1640培养基,溴化乙啶(EB),吖啶橙
(AO),台盼兰均购自Sigma公司;胰蛋白酶购自
Amresco公司;新生小牛血清购自中国杭州四季青
生物技术有限公司;其它试剂均为中国产分析纯.
美国Costar 6孔和24孔细胞培养板;美国Forma
Scientific CO2 细胞培养箱;倒置显微镜(Olympus);
荧光显微镜(Olympus).
图1 虎刺醛的化学结构式
Fig 1 Chemical structure of damnacanthal
1.3 细胞培养
人早幼粒白血病细胞株 HL-60引自兰州大学生
命科学学院,培养于含10%新生胎牛血清的RPMI-
1640培养基(加100U·mL-1青霉素和100U·mL-1
链霉素)中,置于CO2 体积分数为5.0%的37℃饱
和湿度的培养箱中培养.
1.4 台盼蓝排染法检测HL-60细胞的生长
根据Letaiov等[14]的方法,并稍作修改.取对
数生长期HL-60的细胞,以5×104 个·mL-1接种于
直径60mm培养板中,每孔0.5mL,置于37℃、
5.0%CO2 的饱和湿度培养箱中培养24h后加药.
虎刺醛终浓度分别为0,2.5,5.0,7.5,10和12.5μg·
mL-1,培养基中DMSO终浓度不超过0.2%;每隔
12h收集细胞悬液,加入0.4%的台盼兰溶液直接
进行计数.对照组及实验组均设3个重复.
细胞增殖抑制率和细胞致死率的计算公式如下:
抑制率(%)= [(K-E)/(K-K0)]×100%,
致死率(%)= [1-(E/K0)]×100%,
其中,K0为加药时细胞的数目;K为在指定时间对照
组的细胞数目;E为在指定时间加药组的细胞数目.
1.5 流式细胞术分析细胞周期的变化
将浓度为1×105 个·mL-1的 HL-60细胞悬液
接种于培养瓶中培养24h后,分别用浓度为5,10,
12.5,15,30,40μg·mL
-1的虎刺醛,于12,24,36,
48h和60h后分别收集细胞;用预冷PBS洗2
次,75%的冷乙醇固定过夜;离心去除乙醇,PBS
洗两遍,用10μg·mL
-1 PI(碘化丙啶)溶液(PBS
溶液,含 0.2% Triton X-100,0.1 mmol·L-1
EDTA(乙二胺四乙酸)和100μg·mL
-1 RNase A)
于室温、避光染色30min;用PBS洗去染液,于
流式细胞仪上检测,并分析细胞周期分布.
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西 北 师 范 大 学 学 报 (自然科学版)   第48卷 
Journal of Northwest Normal University(Natural Science)   Vol.48 
1.6 吖啶橙/溴化乙啶荧光双染法检测虎刺醛诱导
HL-60细胞的凋亡
取对数生长期的 HL-60细胞,按每孔300 000
个细胞加入到6孔板中预培养24h后,加入终浓度
为0,2.5,5,7.5,10和12.5μg·mL
-1的虎刺醛,其中
DMSO终浓度不超过0.2%;药物处理24,48和72h
后,以500r·min-1收集细胞,并用PBS洗3次;取
95μL细胞悬液(1×10
6 个·mL-1)与5μL AO/EB染
液(100μg·mL
-1)以1∶1混匀,涂片,于荧光显微镜
下观察并且计数至少300个细胞.荧光显微镜激发
光波长为570nm.实验重复3次.
细胞凋亡率由以下公式计算:
AE+AL
V+N+AE+AL ×
100%,
其中,V 为活细胞(核染色质着绿色并成正常结
构);AE 为早期凋亡细胞(核染色质着绿色呈固缩
状或圆珠状),AL 为晚期凋亡细胞(核染色质为橘
红色并呈固缩状或圆珠状),N 为非凋亡的死亡细
胞(核染色质着橘红色并呈正常结构).
1.7 彗星电泳检测虎刺醛对HL-60细胞的损伤
彗星电泳根据Singh等[15]的方法,稍加修改.
将浓度1×105 个·mL-1细胞悬液接种于6孔板,每
孔3mL,培养24h后加药;虎刺醛终浓度分别为
0,5,7.5,10和12.5μg·mL
-1,DMSO终浓度不超
过0.2%;药物处理24,48h后,将细胞悬液与
0.7%的低熔点琼脂糖于37℃下混匀,滴加在已铺
了一层0.3%常熔点琼脂糖的载玻片上,加盖玻片
使其均匀铺开,置4℃使胶凝固15min;去掉盖
玻片,水平放置于细胞裂解液(2.5mol·L-1 NaCl,
100mmol·L-1 Na2EDTA,10mmol·L-1 Tris-HCl
pH 10,1%肌氨酸钠,用前加1%Triton和1%DMSO)
中,于4℃条件下放置1h以上;取出后置于盛有电
泳缓冲液(1mmol·L-1 EDTA,300mmol·L-1 NaOH)
的水平电泳槽中,使DNA解旋20min后进行电泳
(电流为300mA,电压30V);25min后取出,以缓
冲液(0.4mmol·L-1 Tris-HCl,pH7.5)中和;滴加
20μL染色剂溴化乙锭,染色2~20min,加盖玻
片,置于荧光显微镜下观察照相.每组3张片子,
每张片子至少随机计50个细胞,其中尾长大于头
部半径的认为是DNA损伤细胞[16].实验结果以彗
星率%表示.
1.8 数据统计
所有实验数据以 Mean±SD形式表示,对照
组与实验组的差异用SPSS 11.5分析.P<0.05为
显著性差异,P<0.01为极显著性差异.
2 结果
2.1 虎刺醛对HL-60细胞生长的抑制作用
采用生长曲线法检测虎刺醛在60h内对 HL-
60细胞生长的抑制作用,结果如图2所示.在药
物处理时间相同的条件下(12,24,36,48和60h),
随着药物浓度(0,2.5,5.0,7.5,10和12.5μg·
mL-1)的增加,HL-60细胞的生长抑制作用逐渐增
强;当药物处理浓度为2.5,5.0和7.5μg·mL
-1
时,随着处理时间的延长,虎刺醛对 HL-60细胞
的生长抑制率逐渐升高,该现象在药物处理36h
后表现得尤为明显;当药物浓度为10μg·mL
-1时,
各处理组细胞的生长处于完全抑制状态(抑制率为
100%);当药物浓度为12.5μg·mL
-1时,处理时
间在36h前,处理组细胞的生长处于完全抑制状
态(抑制率为100%),处理时间在36~60h时,有
部分细胞死亡,致死率分别达到37.6%和57.6%.
图2 虎刺醛对 HL-60细胞的生长抑制作用
Fig 2 Inhibition of HL-60cel proliferation in response
to damnacanthal at indicated times
2.2 虎刺醛对HL-60细胞周期的影响
为了检测虎刺醛对 HL-60细胞的生长抑制是
否涉及细胞周期阻滞,采用流式细胞术对各处理组
的细胞周期进行检测,结果如图3所示.当药物浓
度为5μg·mL
-1时,仅在12h处理组表现了较明
显的S期阻滞,而其它时间处理组差异不显著(图
3(a));当药物浓度为10μg·mL
-1时,在12h处
理组表现了较明显的G1 期阻滞,同时在24,36和
48h处理组出现了轻微的S期阻滞(图3(b));当
药物浓度为12.5μg·mL
-1时,各处理组 G1 细胞
百分率与对照组相比显著升高,均表现了明显的
G1 周期阻滞,对照组 G1 细胞为44.6%,处理组
分别为57.9%,61.4%,62.2%,63.6%和62.9%
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 2012 No.1 The efect of damnacanthal on anti-proliferation,cel cycle arrest,DNA damage and apoptosis of HL-60cels
(图3(c));药物浓度为15μg·mL
-1时结果与药物
浓度为12.5μg·mL
-1时的结果相类似,即有明显
的G1 周期阻滞现象(图3(d));当药物浓度为
30μg·mL
-1时,处理组细胞出现了较明显的S期
阻滞,在0,12,24,36,48和60h时,其S期细胞
的百分比分别为49.4%,53.3%,53.9%,53.6%,
56.5%和56.9%,而 G1 期细胞从44.6%降低为
34.7%(图3(e));当药物浓度为40μg·mL
-1时,
处理组细胞出现了G2/M 期阻滞,在0,12,24,36,
48和60h时,G2/M 细胞百分比分别为5.9%,
8%,14.5%,8.2%,21.6%和17.9%.Sub-G1 期
细胞在36h后出现,从0%增加到5.8%.G1 和S
期细胞比例均降低(图3(f)).
2.3 虎刺醛诱导HL-60细胞凋亡
采用AO/EB荧光双染法,对不同浓度虎刺醛诱
导HL-60细胞凋亡进行检测.该方法利用DNA对与
其结合的荧光染料AO及EB有不同的吸收以及被染
的细胞核中染色质浓缩的形态学特点,从而区分活细
胞、凋亡细胞及坏死细胞.经吖啶橙和溴化乙啶双染
后,活细胞呈现均匀的绿色(图4A);早期凋亡细胞
呈绿色,但由于染色质凝聚或核裂解,细胞核中有鲜
绿色的斑点图(图4B);晚期凋亡细胞呈橙色,其核凝
聚并常常裂解(图4B);坏死细胞呈橙色,没有染色质
凝聚,具备活细胞的核形态.
图3 流式细胞术(FCM)分析虎刺醛对 HL-60细胞周期的影响
Fig 3 Effect of damnacanthal on cel cycle distribution in HL-60cels analyzed by flow cytometry(FCM)
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西 北 师 范 大 学 学 报 (自然科学版)   第48卷 
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A.对照组(Control group);B.处理组(Treated group);V.活细胞(Viable cels);EA.早期凋亡细胞(Early apoptotic
cels);LA.晚期凋亡细胞(Late apoptotic cels);N.坏死细胞(necrosis cels).
图4 AO/EB双染法检测虎刺醛诱导 HL-60细胞凋亡过程中的形态学变化(×200)
Fig 4 Morphological changes in HL-60cels induced by damnacanthal with AO/EB double staining(×200)
  不同浓度的虎刺醛均能诱导 HL-60细胞凋亡,
其凋亡率呈现时间和浓度依赖关系,即,相同浓度
条件下,处理时间越长,凋亡率越高;相同时间条
图5 AO/EB双染法检测虎刺醛诱导 HL-60细胞凋亡
Fig 5 The AO/EB double staining evaluate the apoptosis
in HL-60cels induced by damnacanthal
件下,浓度越高,凋亡率越高(图5).除了24h时
2.5μg·mL
-1药物处理组的细胞凋亡率与对照组相
比没有显著性差异(P<0.05)外,其余所有处理组
的细胞凋亡率与对照组相比差异极显著(P<
0.01).最高药物浓度(12.5μg·mL
-1)处理 HL-60
细胞72h后,其细胞凋亡率已高达53.33%.
2.4 虎刺醛对HL-60细胞DNA损伤的影响
彗星电泳又称单细胞凝胶电泳(SCGE).若药
物等因素导致细胞核DNA的断裂时,细胞核在电
泳条件下,其断裂DNA片段的移动速度将高于细
胞核部分,从而形成彗星状图形;尾部越长或面积越
大,表明细胞核DNA损伤程度越高,而没有DNA
损伤的细胞核成圆形(图6).
不同浓度(0,5.0,7.5,10和12.5μg·mL
-1)虎
刺醛处理HL-60细胞后,其细胞核DNA表现了不
             A.对照组(Control group)     B.药物处理组(Treated group)
图6 彗星电泳检测虎刺醛诱导的 HL-60细胞DNA损伤(×200)
Fig 6 DNA damage in HL-60cels induced by damnacanthal through comet assay(×200)
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 2012 No.1 The efect of damnacanthal on anti-proliferation,cel cycle arrest,DNA damage and apoptosis of HL-60cels
同程度的损伤(图7).在24h和48h处理组中,
HL-60细胞的DNA损伤率分别随药物浓度的增加
而增加,表现了时间及浓度依赖性关系,并且,每
一处理组的损伤率与对照组相比差异极显著(P<
0.01).当处理时间为24h和48h时,不同浓度
(5.0,7.5,10和12.5μg·mL
-1)下的彗星率分别为
17.3% 和 17.5%,28.3% 和 38.6%,37.4% 和
58.4%,45.6%和65.8%.
图7 虎刺醛对 HL-60细胞的DNA损伤作用
Fig 7 Effect of damnacanthal on the DNA damage
of HL-60cels via comet assay
3 讨论
肿瘤是一种细胞生长失调和细胞凋亡受到阻碍
的疾病.抑制肿瘤细胞生长和诱导细胞凋亡由信号
通路和转录因子的网络所调控,这些信号通路和转
录因子可能是肿瘤治疗的靶分子.有些抗肿瘤药物
能通过干扰细胞周期从而导致细胞死亡[17-20],不同
浓度和不同条件下,虎刺醛对体外培养的 HL-60
细胞表现了明显的生长抑制作用,并且有时间-浓
度依赖效应(图2).较低浓度(2.5,5.0,7.5μg·
mL-1)药物处理组的 HL-60细胞表现出明显的增
殖抑制现象.较高浓度(10和12.5μg·mL
-1)药物
使 HL-60细胞的生长受到完全抑制,并在36h
后,有部分细胞死亡.流式细胞术及AO/EB双染
法的进一步检测结果表明,上述浓度范围内,处理
细胞有明显的周期阻滞和一定比例细胞凋亡发生,
且随着药物浓度的增加凋亡率升高.上述3组实验
证实,蒽醌化合物虎刺醛对 HL-60细胞有显著的
细胞毒性作用,并能通过诱导细胞凋亡途径致
HL-60细胞死亡.
由外界因子引起的DNA损伤可通过细胞周期
检验点使细胞处于周期阴滞状态,以确保细胞有足
够的时间启动修复机制,对损伤DNA进行修复,
如若不能进行成功修复,细胞会随即启动凋亡途
径,致细胞死亡[21,22].目前,临床所用的许多抗
肿瘤药物可以使细胞在 G0/G1,S或 G2/M 期阻
滞,最终导致周期阻滞细胞凋亡[23-27].上述彗星电
泳、流式细胞术及 AO/EB双染法的实验结果证
明,5.0~12.5μg·mL
-1虎刺醛处理 HL-60细胞
24h和48h后均能显著地损伤细胞核DNA(图7),
该损伤极可能进一步导致不同浓度处理条件下
HL-60细胞的G1 期阻滞、S期阻滞或 G2 期阻滞
(图3),当这些阻滞不能被解除时,最终导致了
HL-60细胞凋亡的发生(图5).
本实验中,不同浓度的虎刺醛引起不同时期的
细胞周期阻滞(G1 期阻滞、S期阻滞和G2 期阻滞)
现象.目前,对于不同浓度药物可诱导不同时期细
胞周期阻滞的机理仍然不清.细胞DNA损伤可通
过细胞内信号途径,使肿瘤抑制蛋p53蛋白可激活
WAF1/CIP1/p21基因的表达,从而引起细胞周期
阻滞,启动DNA损伤修复机制,使DNA损伤可
以修复[28].不同浓度的虎刺醛诱导 HL-60细胞不
同周期阻滞的原因是否与p53基因或相关蛋白有
关,尚需要进一步的研究.
Frankfurt等指出,如果一种化合物能通过诱
导细胞凋亡而阻滞肿瘤细胞的生长,则该化合物具
有抗肿瘤的潜力[20,29].因此,从匙萼木中提取的
蒽醌化合物虎刺醛可被视为具有研究价值的抗白血
病先导化合物.当然,虎刺醛抑制 HL-60细胞生
长,诱导细胞周期阻滞及细胞凋亡的分子机制,尤
其是细胞信号通路相关分子的明确仍需要更进一步
研究.
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(责任编辑 俞诗源)
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