全 文 :中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 45 卷 第 10 期 2014 年 5 月
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表观遗传调控在植物提取物抗肿瘤机制中的研究进展
许雅思 1, 2,凌雨田 2#,苏 丹 2*,林能明 2*
1. 浙江中医药大学药学院,浙江 杭州 310022
2. 浙江省肿瘤医院 浙江省肿瘤研究所,浙江 杭州 310022
摘 要:表观遗传学是一种不改变基因组 DNA 序列的基因表达调控方式,其主要涉及 DNA 甲基化、组蛋白修饰及 RNA 分
子干扰。植物提取物来源于天然植物,一般无毒,在防癌、抗癌方面有独特的优势和广阔的应用前景。研究表明,多种癌细
胞中存在植物提取物的表观调控靶点,植物提取物可通过表观遗传机制来发挥预防和治疗肿瘤的作用。植物提取物中的成分
包括茶多酚、白藜芦醇、染料木黄酮、姜黄素和烯丙硫醇等,通过改变 DNA 甲基化和(或)组蛋白修饰等可导致基因的激
活或沉默,从而调控肿瘤抑制基因和(或)癌基因的表达。对肿瘤表观遗传学的进一步研究,将有利于从临床的角度阐明肿
瘤的表观遗传学机制,指导抗肿瘤新药的研制和开发,从而更好地预防和治疗肿瘤。
关键词:植物提取物;表观遗传机制;DNA 甲基化;组蛋白修饰;抗肿瘤作用
中图分类号:R285 文献标志码:A 文章编号:0253 - 2670(2014)10 - 1486 - 05
DOI: 10.7501/j.issn.0253-2670.2014.10.025
Research progress on antitumor mechanism of herb-food extract based on
epigenetic regulation
XU Ya-si1, 2, LING Yu-tian2, SU Dan2, LIN Neng-ming2
1. College of Pharmaceutical Science, Zhejiang Chinese Medical University, Hangzhou 310022, China
2. Cancer Research Institute, Zhejiang Cancer Hospital, Hangzhou 310022, China
Key words: herb-food extract; epigenetic mechanism; DNA methylation; histone modification; antitumor activity
恶性肿瘤已取代心血管疾病成为人类健康的第
一大杀手。多年来,尽管肿瘤的治疗已得到明显的
改善,然而患者的预后和生存质量仍不尽人意。探
寻肿瘤发病机制、寻找新的抗肿瘤方法是肿瘤学研
究的热点。DNA 甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑
及 RNA 分子干扰等[1]一些不涉及 DNA 序列改变的
基因表达调控方式[2],即表观遗传调控在肿瘤发生
发展中发挥重要作用[3]。表观遗传改变虽然不改变
DNA 序列,但同样可以被遗传到子代细胞和子代个
体,影响个体发育和肿瘤的发生,导致细胞的恶性
转化[4],促进上皮细胞向腺瘤细胞的转化[5],肿瘤
特异性 DNA 甲基化检测可以区别不同肿瘤以及不
同正常组织,揭示了肿瘤的异质性原因[6]。
表观遗传改变可以遗传,但是另一方面也可以
通过饮食、环境尤其是药物的影响而改变,从而使
异常的表观改变恢复正常,达到治疗肿瘤等疾病的
目的。天然植物提取物的抗癌活性成分因其高效低
毒的特性备受关注,但其抗肿瘤分子机制的研究还
不够深入。植物提取物如茶多酚、染料木黄酮、姜
黄色素、白藜芦醇、萝卜硫素、烯丙硫醇、番茄红
素等可通过表观遗传调控激活抑癌基因,抑制癌基
因的表达,诱导癌细胞凋亡等来发挥抑癌作用[7-10]。
本文综述了以上这些常见的植物提取物表观遗传调
控抗肿瘤的研究进展。
1 茶多酚
茶是饮用最广泛的饮料之一。茶叶中含有的多
酚类化合物能有效减少人们罹患疾病如肿瘤的风
险。儿茶素是绿茶中最丰富的生物活性化合物,其
收稿日期:2014-01-20
基金项目:国家自然科学基金资助项目(81302840);浙江省卫生高层次创新人才培养工程资助项目(浙卫发-2010-190 号)
作者简介:许雅思(1988—),女,在读硕士研究生。Tel: 18258196100 E-mail: yasixu@163.com
*通信作者 林能明 Tel: (0571)88122501 E-mail: lnm1013@163.com
苏 丹 Tel: (0571)88122423 E-mail: smilesusu2003@126.com
#共同第一作者 凌雨田,男,技师。Tel: 13957164377 E-mail: lingyutian@yeah.net
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成分包括:表儿茶素(EC)、表儿茶素没食子酸酯
(ECG)、表没食子儿茶素(EGC)和表没食子儿茶
素没食子酸酯(EGCG)[11]。EGCG 占绿茶活性化
合物的 50%以上,是儿茶素成分中最有效成分之一,
其抗癌特性被广泛研究,研究证明 EGCG 的摄入量
与其抑癌作用呈正相关关系[12-17]。
EGCG 可以通过诱导细胞凋亡、阻滞细胞周期、
抑制氧化应激、抑制血管生成、调控信号转导和抑
制癌细胞的增殖[8,18-19]等机制来发挥抗癌作用。Fang
等 [20]研究表明,EGCG 可降低食管癌细胞株
KYSE510 DNA 甲基转移酶(DNMT)活性,促使
抑癌基因去甲基化,如 p16INK4a、视黄酸受体
( RABβ)、 O6- 甲基鸟嘌呤 -DNA- 甲基转移酶
(MGMT)和错配修复基因 1(hMLH1),恢复它们
的表达,从而抑制细胞增殖。Nandakumar 等[21]也
发现EGCG不仅降低了皮肤癌细胞株A431 DNA总
体甲基化水平,也明显下调了 DNMT 的活性和
DNMT1、DNMT3A、DNMT3B 的 mRNA 和蛋白的
表达水平,抑癌基因 p16INK4a 和 p21/Cip1 的 mRNA
和蛋白的恢复表达,细胞周期阻滞,生长抑制。
除此之外,EGCG 也可以通过组蛋白修饰来发
挥抗肿瘤作用。Ko 等[22]对肺癌细胞株 A549 的研究
发现,EGCG 通过抑制组蛋白乙酰化酶 p300/CBP
的活性,降低 Smad2 和 Smad3 的乙酰化水平,从
而阻断了转化生长因子(TGF-β1)调控的上皮间质
转化(EMT)信号通路,抑制了肿瘤细胞的转移能
力。也有报道 EGCG 可以抑制细胞周期。Thakur
等[23]用人前列腺癌细胞株 LNCaP 研究发现,EGCG
通过抑制组蛋白去乙酰化酶 I(HDACsI)来促进 p53
Lys373 和 Lys382 位点的乙酰化,从而增强 p53 蛋
白对 p21/waf1 和 Bax 基因启动子的结合能力,促进
这些基因的转录,将分裂期细胞阻滞在 G0/G1 期。
Meeran 等[24]研究发现 EGCG 及其前体化合物
(pro-EGCG)联合使用能抑制乳腺癌细胞株 MCF-7
和 MDA-MB-231 的增殖,对正常乳腺细胞 MCF10A
无明显影响。此外,二者联合使用影响了乳腺癌细
胞端粒酶亚基 hTERT 启动子区域 DNA 甲基化和组
蛋白乙酰化,从而抑制了 hTERT 的转录。研究表明,
EGCG 可单独使用也可与其他表观遗传修饰化合物
联合使用,如 EGCG 与组蛋白去乙酰化酶(HDAC)
抑制剂合用,能有效抑制肿瘤。
2 白藜芦醇
白藜芦醇存在于多种植物中,包括花生、桑椹、
小红莓和蓝莓,但在葡萄皮中量最多。白藜芦醇通
过对信号转导通路的影响控制细胞分裂、细胞生长、
细胞凋亡、血管生成和肿瘤转移[25]。据报道,白藜
芦醇对肝癌、皮肤癌、乳腺癌、前列腺癌、肺癌和
结肠癌细胞均有抗增殖作用[26-27]。BALB/c 小鼠实
验表明白藜芦醇能减少腺癌细胞的转移从而增加小
鼠的存活率[28]。
白藜芦醇能够防止肿瘤抑制基因 BRCA1 的表
观沉默,Papoutsis 等[29]用白藜芦醇处理 MCF-7 和
MBD2 细胞,前者部分恢复 H3K9 基因和 DNMT1
基因启动子的甲基化,后者部分恢复 BRCA1 基因
启动子的甲基化。虽然白藜芦醇可抑制 MCF-7 细胞
DNMT 的活性,但其无法逆转 MCF-7 细胞 RARβ2
和 MGMT 启动子的甲基化[9,30-31]。
HDAC负责从组蛋白的赖氨酸残基去除乙酰基
团。已发现至少 18 种 HDAC 同工酶分别被划分成
不同亚类,它们与肿瘤的相关性不同,并且有着不
同的抑制剂。III 类 HDACs(长寿蛋白 sirtuin)的
特定抑制剂 SIRT-1 不影响 I 类和 II 类 HDAC 的活
性[32]。白藜芦醇通过模仿生理途径激发 SIRT-1,从
而促进 SIRT-1 下调 III 类 HDACs 的表达[33]。此外,
白藜芦醇能通过抑制前列腺癌细胞中转移相关蛋白
MTA1 的表达,导致转移相关蛋白 1-核小体重塑去
乙酰化复合物(MTA1-NuRD)的稳定性降低,从
而促进 p53 的乙酰化,促进癌细胞凋亡[34]。
3 大豆异黄酮(染料木黄酮)
大豆异黄酮存在大豆、蚕豆、葛根中。研究表
明,大豆异黄酮具有抗血管生成和抗癌活性,在不
同类型的肿瘤中作为药物使用[35]。研究表明大豆异
黄酮通过影响组蛋白乙酰化和(或)DNA 甲基化来
调节基因转录,从而表现出对宫颈癌、前列腺癌、
结肠癌和食道癌的抑制作用[36-37]。
大豆异黄酮单独使用或与 DNA 甲基化抑制剂
联合使用可以重激活因甲基化而沉默的基因[38]。
神经母细胞瘤(NB)源于神经系统病变,常见于
5 岁以下儿童。大豆异黄酮通过降低基因启动子区
域甲基化水平,增强了染色质解旋酶 DNA 结合蛋
白 5(CHD5)以及 p53 的表达量,有助于抑制肿
瘤细胞的生长和 NB 微血管的形成。大豆异黄酮作
为 一 种 DNA 甲 基 转 移 酶 抑 制 剂 显 著 降 低
DNMT3B 的表达[39]。
对前列腺癌细胞的研究表明,大豆异黄酮通过
改变组蛋白乙酰化和基因启动子甲基化的水平促进
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肿瘤抑制基因 p16 和 p21 的表达[10,40-41]。使用低浓
度大豆异黄酮(3.125 μmol/L)处理乳腺癌细胞发现
GSTP1 基因启动子发生去甲基化[42]。Majid 等[43]发
现肾癌细胞株中 BTG3 基因启动子高甲基化而表达
降低,用大豆异黄酮处理后,通过下调 DNA 甲基
转移酶的活性、上调组蛋白乙酰基转移酶的活性使
肾癌细胞 BTG3 转录水平升高。此外,大豆异黄酮
还可以增加组蛋白 H3 和 H4 的乙酰化、促进 RNA
聚合酶 II 与 BTG3 启动子的结合。也有研究发现,
大豆异黄酮和其他类黄酮物质可以调节多种癌细胞
miRNA 的表达[44]。
4 姜黄素
姜黄素是一种多酚,来源于植物姜黄,其具有
抗发炎、抗氧化、抗血管生成和抗癌活性[45-46]。Link
等[47]用 5-氮杂-2′-脱氧胞苷(5-Aza-CdR)和姜黄素
处理结直肠癌细胞株 HCT116、HT29 和 RKO,DNA
启动子甲基化芯片实验结果表明,5-Aza-CdR 显著
降低全基因组甲基化水平,姜黄素虽不能降低全基
因组甲基化水平,但能降低特定基因部分甲基化位
点的甲基化水平,基因表达谱芯片结果同样验证了
这一结论。姜黄素这一选择性去甲基化机制为临床
用药的研制和开发提供了新思路。
姜黄素也作为组蛋白的修饰化合物 HDAC 和
组蛋白乙酰转移酶(HAT)抑制剂,Collins 等[48]
发现姜黄素可以促进乳腺癌细胞 MCF7 中乙酰化组
蛋白 H3K18 和 H4K16 总乙酰化水平,而 H4K16 乙
酰化水平的降低与乳腺癌患者高分期、不良预后相
关。此外,动物实验结果也同样证实姜黄素在包括
肿瘤在内的多种疾病中有抑制HATs和HDACs的能
力[49]。姜黄素介导的化学预防主要是通过激活核因
子-κB(NF-κB)和 PI3K/AKT 信号转导通路,通常
是诱导细胞周期阻滞和促进细胞凋亡[50]。姜黄素不
仅可以影响 DNA 甲基化和组蛋白乙酰化,还可以
改变一些肿瘤细胞株中 miRNA 的表达谱[51]。
5 大蒜有机硫化合物
大蒜一直被用于预防疾病,具有抗菌、抗病毒
和抗炎活性。已有大量细胞和动物实验研究大蒜提
取物的防癌、抗癌作用,结果表明,大蒜有抑制细
胞周期进程、诱导细胞凋亡、抑制血管生成和修饰
组蛋白的作用[52]。大蒜中有效成分主要是有机硫化
合物,包括 S-烯丙基半胱氨酸(SAC)、S-烯丙基硫
基半胱氨酸(SAMC)、二烯丙基硫醚(DAS)、二
烯丙基二硫醚(DADS)等,其代谢产物之一烯丙
基硫醇是组蛋白去乙酰化酶的竞争性抑制剂[53]。
Nian 等[53]研究发现,大蒜有机硫化合物烯丙基硫醇
和其他提取物能抑制组蛋白去乙酰化酶,并促进
Sp3 对 p21/WAF1 启动子的黏附,提高 p21 蛋白的
表达量从而抑制细胞周期。也有研究表明,DADS
可以发挥类似组蛋白去乙酰化酶抑制剂的作用,诱
导乳腺癌细胞的凋亡[54]。
6 其他生物活性成分
除上述的生物活性成分外,其他植物活性物质也
可通过表观遗传调控来发挥抗肿瘤作用,如萝卜硫
素[55]、山竹醇[48]、雷公藤内酯[56]、叶酸[57]等在肿瘤化
学预防和治疗中有直接或间接的表观遗传调控靶点。
7 结语与展望
植物天然活性成分因其表观遗传修饰作用在各
种肿瘤的治疗中有很大的潜力,但也有其缺点,有
些特异性较低(DNA 甲基化相关药物)或者其靶标
酶的底物特异性较低(组蛋白去乙酰化酶相关药物)
等[58-59]。DNA 甲基化修饰和组蛋白乙酰化修饰是植
物活性成分参与表观调控的 2 种主要的有效方式,
因此针对其面临的缺陷,今后的表观药物研究要向
定向的或者靶向调控的药物研究转变,以提高药物
的肿瘤特异性,提高疗效,降低副作用。肿瘤的发
生是一个多步骤的复杂过程,植物提取物如 EGCG
能通过不同分子靶点,抑制不同信号通路来预防和
治疗肿瘤,多种活性成分联合应用可能会更有效。
但应用于临床还需要进行一些临床实验研究,如给
药剂量、给药途径、器官特异性以及给药受试者的
生物利用度。今后的研究重点包括植物提取物的表
观遗传修饰机制及其临床适用性研究。
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