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Analyzing anti-cancer action mechanisms of dihydroartemisinin using gene chip

利用基因芯片分析二氢青蒿素的抗肿瘤作用机制



全 文 :利用基因芯片分析二氢青蒿素的抗肿瘤作用机制
姚 丽,谢 红,靳秋月,呼文亮,陈立军
(中国人民武装警察部队医学院 生物化学教研室,天津 300162)
[摘要] 目的:通过基因芯片对二氢青蒿素处理的 K562细胞基因表达情况的检测,探讨二氢青蒿素抑制
K562增殖的作用机制。方法:配制1×10-5,4×10-5,16×10-5,64×10-5,256×10-5mol·L-1二氢青蒿素处理
K562细胞24h,倒置光显微镜和荧光显微镜观察细胞变化,流式细胞仪检测细胞周期,提取总 RNA,逆转录成
cDNA与基因芯片杂交,扫描仪检测杂交结果。结果:倒置光显微镜下细胞出现不同程度的皱缩,核分裂相减少,细
胞密度下降。荧光显微镜下染色质高度浓缩、边缘化,凝聚成明亮的团块,即凋亡小体。流式细胞仪G2期细胞的比
例增加。扫描杂交结果显示有 13条基因表达有差异,其中 chk1表达上调,PCNA,cyclinB1,cyclinD1,cyclinE1,
cdk4,cdk2,E2F1,DNAPK,DNATopoⅠ,mcl1,jNK,VEGF表达下调。结论:二氢青蒿素可以抑制K562细胞增殖,
作用机制与改变细胞周期某些调控物质的基因表达、诱导K562细胞凋亡等有关。
[关键词] 基因芯片;二氢青蒿素;细胞周期;细胞凋亡
[中图分类号]R285.5 [文献标识码]A [文章编号]10015302(2008)13158304
[收稿日期] 20070720
[基金项目] 天津市科委课题项目(05YFJMJC08200)
[通讯作者] 陈立军,Tel:(022)60578076,Email:chenlijun67@
eyou.com
  二氢青蒿素(dihydroartemisinin,DHA)是青蒿素
(artemisinin)重要的衍生物之一,是目前常用的抗疟
特效药。研究发现二氢青蒿素还具有抗肿瘤活
性[1,2],可以抑制人的卵巢癌细胞、喉癌细胞、乳腺癌
细胞和肺癌等细胞的生长。作者在前期研究中发现,
二氢青蒿素对 K562细胞生长具有明显的抑制作
用[3]。本研究拟利用基因芯片技术,从基因水平探讨
二氢青蒿素抑制肿瘤细胞周期作用的分子机制。
1 材料
1.1 细胞及细胞培养
人红白血病细胞株K562细胞培养于含10%胎
牛血清、80U·L-1庆大霉素的 RPMI1640(pH
70)培养基中,37℃,5%CO2恒温培养箱中孵育。
试验选取对数生长期的细胞。
1.2 药物
二氢青蒿素购自四川维康植化有限公司,批号
050417,纯度998%。
1.3 仪器 二氧化碳培养箱(Forma),倒置相差显微
镜(Olympus),UNOThermoblock(Biometra),核酸定
量 仪 (BIOCHRO),SpotArayASP7201点 样 仪
(PerKinElmer),GenePix4100A扫描仪(Axon),CL-
1000M紫外交联仪(UVP),HB-1000杂交炉(UVP)。
2 方法
2.1 二氢青蒿素处理K562细胞
配制二氢青蒿素浓度分别为 1×10-5,4×
10-5,16×10-5,64×10-5,256×10-5mol·L-1。调
整细胞数为1×105个/mL,加入以上药物05mL。
其终浓度为1×10-6,4×10-6,16×10-6,64×10-6,
256×10-6mol·L-1。再把细胞放于37℃,5%CO2
培养箱中孵育。分正常对照组和二氢青蒿素组,每
组设平行瓶。
2.2 细胞形态学观察
二氢青蒿素处理的各瓶细胞置于37℃,5%CO2培
养箱中孵育24h后,倒置光显微镜下观察细胞形态变
化。每个标本收集细胞后用Hoechst33342/PI双荧光
染色,荧光显微镜观察K562细胞变化。
2.3 流式细胞仪检测细胞周期变化
收集细胞,预冷的无水乙醇固定细胞,-20℃
储存,固定的细胞用PBS洗1次,加入 PI终浓度20
mg·L-1和 RnaseA终浓度50mg·L-1,37℃避光
染色30min,流式细胞仪进行检测。
2.4 总RNA提取及质控
2.4.1 TRIzol提取总RNA 药物作用24h后分别
收集细胞到离心管中,依次用 TRIzol、氯仿、异丙醇、
75%乙醇处理后得到总 RNA沉淀,加无 RNA酶水
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20μL溶解RNA沉淀,置于-80℃保存备用。
2.4.2 纯化、质控总 RNA 总 RNA用纯化柱后,
核酸定量仪测定总 RNA的浓度和吸光度(A260/
A280);变性胶电泳质检总RNA。
2.5 生成cDNA
总RNA反转录生成 cDNA,同时直接标记,然
后用纯化柱纯化。
2.6 构建基因芯片
在GeneBank中查找选取基因的mRNA序列,用
探针合成软件处理这些序列,利用Nucleotideblast数
据库,从中找出符合探针条件的mRNA序列,用Oligo
60设计探针。奥科生物有限公司合成探针。探针
溶解与定量后,将探针置于点样仪中,点制芯片。
2.7 杂交
先预杂交,然后将 cDNA于65℃烘干,加入18
μL杂交液溶解,混匀,将与芯片一起放入杂交舱中,
42℃杂交 16h。取出芯片,放入洗液 A中洗涤 3
min,然后放入洗液 B中洗涤3min,放入洗液 C中
洗涤15min。自然晾干。芯片放入Genepix4100A
扫描仪中,用532nm波长进行扫描。所得图像用
GenepixPro60进行数据分析,计算每个探针点的
信号值。根据内参照基因的信号值,对各个杂交阵
进行数据归一化处理。根据归一化的结果,计算出
各个基因的差异表达情况。
3 结果
3.1 倒置光显微镜观察K562细胞形态学变化
对照组细胞为悬浮生长类型,胞体圆形,细胞核
居中,细胞膜完整,折光性强,可见大量分裂相。二
氢青蒿素处理的 K562细胞出现不同程度的皱缩,
核分裂相减少,细胞密度下降,漂浮细胞增多,细胞
膜完整但出现发泡现象,细胞内可见多个折光性较
强的圆形小泡样结构和细胞出芽样改变。见图1。
图1 倒置光显微镜观察K562细胞形态变化(×200)
A对照组;B64×10-6mol·L-1二氢青蒿素处理组
3.2 荧光显微镜观察K562细胞
正常活细胞被染成蓝色,胞膜完整,细胞核结构
正常;死亡的细胞被染成红色,细胞核结构正常;凋
亡细胞被染成蓝色,染色质高度浓缩、边缘化,凝集
成明亮的团块,即凋亡小体。部分细胞形态不规则,
细胞变小,并有核碎裂现象;一些细胞被染成红色,
但可见明显的染色质凝集,即凋亡后继发死亡的细
胞。对照组大部分细胞被染成蓝色,细胞核结构正
常,二氢青蒿素处理的 K562细胞出现明显的细胞
凋亡和死亡细胞。见图2。
图2 荧光显微镜观察K562细胞形态变化(×200)
A对照组;B64×10-6mol·L-1二氢青蒿素处理组
3.3 流式细胞仪检测结果
16×10-6mol·L-1二氢青蒿素处理的 K562细
胞24h后的细胞周期分布:G12297%,S621%,
G2150%;对照组的细胞周期分布:G1249%,S
710%,G241%。经二氢青蒿素处理的 K562细胞
的G2期细胞数量增多。
3.4 TRIzol试剂提取总RNA质控
用紫外分光光度计检测RNA的含量(表1),均达
到实验要求,测定RNA在260nm和280nm处的A值,
A260/A280都在19~21,纯度较高,基本上没有蛋白质
和DNA的污染。电泳分析总RNA的完整性,电泳图
上可见清楚的28S和18S条带,且28S∶18S大约为2∶1,
表明提取的总RNA质量较好。见图3。
表1 不同浓度二氢青蒿素处理细胞后提取的
总RNA的浓度和纯度
二氢青蒿素/mol·L-1 总RNA/g·L-1 A260/A280
 1×10-6 233304 201
 4×10-6 118398 193
16×10-6 297978 198
64×10-6 234876 199
256×10-6 196764 199
对照 113598 197
3.5 构建基因芯片
找到可能与二氢青蒿素抑制肿瘤细胞周期有关
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图3 不同浓度二氢青蒿素处理细胞后提取的
总RNA电泳结果
  1.1×10-6mol·L-1二氢青蒿素;2.4×10-6mol·L-1二氢青
蒿素;3.16×10-6mol·L-1二氢青蒿素;4.64×10-6mol·L-1二
氢青蒿素;5.256×10-6mol·L-1二氢青蒿素;6.对照组
的基因16个:PCNA,cyclinA1,cyclinB1,cyclinC,cy
clinD1,cyclinD1,cyclinE1,cyclinG1,cdk4,cdk2,
cdc2,p16,p21,p53,E2F1,chk1,chk2;其他基因 19
个:参与 DNA损伤修复的主要基因:atm,DNAPK,
DNATopoⅠ,hTERT;与细胞凋亡主要相关基因:
bcl2,trail,mcl1,bax,bak1,brca1,caspase3;参与信
号转导的主要基因:erk,jnk,p38,cdc25A,fgd1,rac;
与血管生成相关的主要基因:vegf;管家基因β  
actin。Genebank中找出其 mRNA序列,利用 Nucle
otideblast数据库,从中找出符合探针条件的 mRNA
序列,用软件Oligo60设计探针。
3.6 基因芯片的检测结果
3.6.1 基因芯片的检测特异性与均一性测定结果
 从样品中任选一个总 RNA,按标准的操作流程,
重复转录标记、杂交2次,结果显示阳性对照和定位
基因荧光强度均较高,说明均一性较好,阴性对照均
无明显信号,说明特异性较好。
3.6.2 相关基因芯片的检测重复性的比较 从样
品中任选一个总 RNA,按标准的操作流程,重复转
录标记、杂交2次,计算2次杂交结果的相关度。相
关度为09871,结果稳定可靠,重复性较好,已达到
芯片分析的要求。
3.6.3 差异表达基因的检测 用 βactin作为管家
基因对结果扫描后的信号值进行了归一化处理,并
确定同对照信号值比值大于20或小于05作为差
异的标准,据此标准,统计药物作用后上调和下调的
基因共13个。见表2。
4 讨论
表2 不同浓度二氢青蒿素处理细胞后表达有变化的基因
二氢青蒿素/mol·L-1 下调基因 上调基因
 1×10-6 PCNA(0344),cdk4(0389),cdk2(0454),DNAPK(0268),DNATopoI(0438),mcl1(0394)  
 4×10-6  cyclinD1(0062),cyclinB1(0372),cdk4(0469),E2F1(0411),VEGF(0235),mcl1(0315),  
  jNK(0209)  
16×10-6 pcna(0337),cyclinB1(0453),cyclinE1(0485),DNAPK(0395),EGF(0491) chk1(2217)
64×10-6 cyclinD1(0306),VEGF(0255)  
256×10-6 cyclinB1(0394)  
  基因芯片又称DNA微阵列、DNA芯片,通过微
加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建成的微
型生物化学分析系统,能够检测基因的丰度来确定
基因的表达模式和表达水平。基因芯片在研究基因
差异表达上与传统方法相比具有无法比拟的优
势[4,5]。本实验中,根据文献选择与二氢青蒿素的
抑癌作用机制密切相关的五类34个基因,设计、合
成寡核苷酸探针,点制基因芯片,利用该芯片检测经
二氢青蒿素处理的 K562细胞的细胞周期、DNA损
伤与修复、细胞凋亡、信号转导和血管生成等基因表
达变化,分析二氢青蒿素抗肿瘤作用的可能机制。
很多研究发现了二氢青蒿素的抗肿瘤作用,林
芳等人发现二氢青蒿素对人乳腺癌 MCF7细胞也
有很强的抑制作用[6]。陈卫强等人研究发现二氢
青蒿素对人肺癌细胞也有明显抑制作用,且有剂量
依赖效应[7]。本试验中,K562细胞经二氢青蒿素处
理24h后,细胞生长受到抑制。荧光显微镜下可见
明显的凋亡小体,芯片检测时发现 mcl1基因表达
下调,而mcl1基因编码的蛋白具有抗凋亡作用,其
表达下表,可能会引起相应蛋白产物的相对减少,促
进了细胞凋亡。说明二氢青蒿素可以通过诱导
K562细胞凋亡而抑制其增殖。
实验中荧光显微镜下除可见明显细胞凋亡,还有
大量死亡细胞,而且通过流式细胞仪的检测,发现处
在G2期细胞的比例增加。芯片检测时发现与细胞周
期相关基因有很多表达发生变化,如:cyclinB1,cy
clinD1,cyclinE1,cdk4,cdk2,E2F1,PCNA表达下调,
chk1表达上调。CyclinB1是 G2/M期的重要调控因
素,如果cyclinB1下调,其蛋白的表达量可能减少,不
足够与Cdc2结合形成MPF(maturationpromotingfac
tor,成熟促进因子),而MPF是驱动细胞从G2期向M
期运行的重要因素。因为二氢青蒿素的作用,间接使
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MPF的生成量减少,所以肿瘤细胞表现出G2期向M
期运行受抑制。cyclinD1和CDK4表达下调,影响了
CyclinD1蛋白与 CDK4或 CDK6的结合。CyclinD1
CDK4/CDK6复合物可磷酸化 Rb蛋白,使其失去抑
制活性。如果该复合物形成减少则影响了肿瘤细胞
周期的转换。cyclinE1和cdk2表达下调,抑制了Cy
clinE1蛋白与CDK2蛋白的结合,影响了肿瘤细胞的
G1/S期的转换,出现了细胞周期运行受抑制。Chk1
(Checkpointkinase1)表达上调,促进 Chk1引起
CDC25的Ser216磷酸化,通过抑制 CDC25的活性,抑
制M期CDK的活性,使细胞周期中断。因此推断,二
氢青蒿素可能是通过综合调控这些细胞周期相关基
因的表达来阻滞K562细胞周期正常运行的,从而表
现出对肿瘤细胞生长的抑制。
本实验中还发现 DNAPK,jNK,VEGF表达下
调,说明二氢青蒿素可能通过影响这些基因的表达
来抑制K562细胞的增殖。如 DNAPK表达下调影
响了 DSBs修复,进而激活细胞周期阻滞机制或发
出细胞死亡信号,从而抑制肿瘤生长。VEGF表达
下调,其蛋白产物不能与内皮细胞跨膜酪氨酸激酶
特异受体KDR/FIK1充分相互作用,抑制了血管内
皮细胞有丝分裂,降低了血管通透性,使肿瘤细胞得
不到充分的营养,表现出生长受到抑制。
利用基因芯片分析二氢青蒿素抗肿瘤作用机
制,发现该药物可以调节很多与细胞增殖、细胞周
期、细胞凋亡、血管生成密切相关的基因的表达,这
很可能就是二氢青蒿素可以抑制肿瘤生长的重要原
因。但是由于二氢青蒿素作用的复杂性,很多具体
作用机制还需进一步研究。
[参考文献]
[1] BeekmanAC,WoerdenbagHJ,VanUdenW,etal.Stabilityof
artemisinininaqueousenvironments:impactonitscytotoxicaction
toEhrlichascitestumourcels[J].PharmPharmacol,1997,49
(12):1254.
[2] SinghNP,LaiHC.Synergisticcytotoxicityofartemisininandso
diumbutyrateonhumancancercels[J].AnticancerRes,2005,
(6B):4325.
[3] 樊 嵘,谢 红,杨 磊,等.青蒿素及其衍生物抑制 K562细
胞生长作用比较[J].武警医学院学报,2006,15(3):199.
[4] CrowtherDJ.Applicationsofmicroaraysinthepharmaceutical
industry[J].CurOpinPharmacol,2002,2(5):551.
[5] NambiarS,MirmohammadsadeghA,BarA,etal.Applicationsof
araytechnology:melanomaresearchanddiagnosis[J].Expert
RevMolDiagn,2004,4(4):549.
[6] 林 芳,钱之玉,丁 健.二氢青蒿素对人乳腺癌 MCF7细胞
的体外抑制作用[J].中国新药杂志,2002,11(12):934.
[7] 陈卫强,戚好文,吴昌归,等.双氢青蒿素抗人肺腺癌 A549细
胞生长的实验研究[J].中国肺癌杂志,2005,8(2):85.
Analyzinganticanceractionmechanismsofdihydroartemisininusinggenechip
YAOLi,XIEHong,JINQiuyue,HUWenliang,CHENLijun
(DepartmentofBiochemistry,MedicalColegeoftheChinesePeople'sArmedPoliceForces,Tianjin300162,China)
  [Abstract] Objective:TounderstandtheactionmechanismsofartesunateoninhibitingleukaemiacellineK562onthemolec
ularlevel.Method:ThegenechipwasusedtodetecttheexpressionpanelofgenesofleukaemiacellineK562treatedbydihydroarte
misinin.K562celsweretreatedwith1×10-5,4×10-5,16×10-5,64×10-5,256×10-5mol·L-1dihydroartemisininfor24h,
andthenstudiedthemodalitychangesbyinvertmicroscope.ThemorphologicalchangesofthenucleonswereobservedbyHo
echst33342/PIstaining.Thecelcyclewereexaminedbyflowcytometryanalysis(FCM).TotalRNAsampleswereobtainedbyTRIzol
andwerereversetranscribedtothecDNA.ThecDNAsampleswerehybridizedtoourgenechips.Hybridizationsignalwerecolected
andanalyzedfolowingscanningbyGenePix4100A.Result:Thenumbersofdriftcelswereincreasedandthedensityofcelswasde
creasedunderinvertmicroscopeafterK562celsweretreatedwithdihydroartemisininfor24h.Morphologicalchangesofcelapoptosis
suchaskaryopyknosisandconglomerationwereobservedbyHoechst33342/PIstaining.Flowcytometricanalysisshowedthatcels
werearestedinG2phase.Therewere13diferentialyexpressedgenesidentified.Hybridizationanalysisshowedupregulationofchk1
anddownregulationofPCNA,cyclinB1,cyclinD1,cyclinE1,cdk4,cdk2,E2F1,DNAPK,DNATopoⅠ,mcl1,jNK,VEGFin
thedihydroartemisinintreatedK562cels.Conclusion:DihydroartemisinincanInhibittheleukaemiacellineK562andexertitsanti
cancerefectbyalteringtheexpressionofthesegenesinvolvedincelcycle;dihydroartemisininmayactviaapoptosispathway.
[Keywords] genechip;dihydroartemisinin;celcycle;apoptosis [责任编辑 古云侠]
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