肝癌是我国常见的一种消化系统恶性肿瘤,也是癌症患者死亡的常见原因之一,其中肝细胞癌(HCC)占原发性肝癌的70%~80%
[1-3]。大多数肝癌患者由于确诊时就已经处于中晚期,故治疗效果和预后相对较差。因此,寻找影响HCC发生、发展的潜在生物学标记物,并以其为靶点进行治疗是改善肝癌患者治疗和预后的重要策略。
自噬是机体重要的生物学过程,不仅在细胞调节中发挥蛋白质降解、维持细胞器稳态、代谢稳态等作用
[4],也和肿瘤的发生发展息息相关,调控自噬可作为癌症治疗的重要方法之一
[5]。PI3K/Akt/mTOR通路不仅影响细胞增殖、分化、凋亡、转移和血管生成,也是调节肿瘤细胞自噬的重要途径之一,常被作为肿瘤治疗的关键信号途径
[6-9]。溶质载体第7家族成员11(SLC7A11)也被称为xCT,是一种细胞跨膜蛋白,组成xc-系统的轻链,负责将细胞外胱氨酸转运至胞内,用于产生半胱氨酸,参与谷胱甘肽的生物合成
[10]。SLC7A11在各种人类癌症高表达,并调节肿瘤的发展、增殖、转移、微环境和治疗耐药性
[11, 12],被认为是癌症治疗的一个潜在靶点
[13]。它下游的调节因子谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)作为胞内的一种非常重要的抗氧化酶,在细胞存活和功能中发挥关键作用
[14],抑制GPX4也已被证明是一种很有前途的癌症治疗方法
[15]。如天然产物姜黄素通过激活自噬途径,下调GPX4和SLC7A11的表达,抑制非小细胞肺癌的增殖
[16]。
金盏花苷E(CE)作为一种天然五环三萜皂苷,具有抗炎、缓解缺血再灌注损伤和非酒精性脂肪肝等作用
[17-19]。我们已有的研究表明,金盏花苷E能够抑制肝癌HepG2细胞的增殖和迁移
[20],但金盏花苷E调控肝癌进展的分子机制尚需进一步探明。在本研究中,我们发现金盏花苷E能够通过下调Akt/mTOR信号途径,促进肝癌细胞自噬,增强GPX4和SLC7A11蛋白降解,抑制肝癌细胞增殖和迁移。
1 材料和方法
1.1 主要药品和抗体
金盏花苷E(CE,HPLC≥95%,上海源叶生物科技有限公司),兔单克隆抗体β-actin(1∶3000)、辣根过氧化物酶标记的山羊抗兔(鼠)IgG(H+L)抗体(1∶10000)(ABclonal),p-Akt(Ser473)(1∶1000)、p-mTOR(Ser2448)(1∶500)、SQSTM1/P62(1∶500)以及GAPDH(1∶1000)单克隆抗体(Cell Signaling Technology),SLC7A11(1∶1000)以及GPX4(1∶1000)抗体(BOSTER),LC3(1∶500)抗体(Sigma),环己酰亚胺(CHX,MCE),自噬激活剂(Rapamycin,Selleck Chemicals),自噬抑制剂LY294002和细胞裂解液(RIPA)(碧云天),自噬双标慢病毒mRFP-GFP-LC3和助转剂polybrene(通用生物),CCK-8试剂盒(迈珂生物),EdU检测试剂盒(锐博生物),Transwell小室(Falcon),总RNA提取试剂盒(天根生化),cDNA合成及qPCR检测试剂盒(百时美生物)。
1.2 细胞培养
Huh7肝癌细胞购自中国科学院细胞库,用含10%胎牛血清(Lonsera),1%青霉素-链霉素(碧云天)的DMEM完全培养基,HepG2肝癌细胞(赛库生物)用含10%胎牛血清(Lonsera),1%NEAA(碧云天),1%青霉素-链霉素(碧云天)的MEM完全培养基,置于37 ℃,5% CO2条件下培养。
1.3 CCK-8检测细胞活力
将Huh7细胞按1×104/孔接种于96孔板,细胞贴壁后使用不同浓度金盏花苷E处理细胞并设置空白对照(无细胞的完全培养基),金盏花苷E作用24 h后加入CCK-8工作液10 µL/孔,置于37℃,5% CO2培养箱中反应2 h,使用全波段酶标仪在450 nm波长处测量每孔A值,并根据如下公式计算细胞存活率。存活率(%)=(A实验组-A空白组)/(A对照组-A空白组)×100%。
1.4 RT-qPCR检测SLC7A11和GPX4 mRNA的表达水平
提取肝癌细胞Huh7、HepG2和正常肝细胞HL-7702中的总RNA,先通过逆转录合成cDNA,之后进行qPCR,具体操作根据cDNA合成及qPCR检测试剂盒说明书进行。热扩增条件如下:首先95 ℃预变性30 s,然后进行循环扩增,95℃变性10 s,60℃退火和延伸30 s,共40个循环,2
-ΔΔCT法进行结果分析。qPCR中所需的SLC7A11、GPX4以及GAPDH上下游引物如
表1所示。
1.5 Western blotting检测蛋白表达量
分组处理Huh7和HepG2细胞后,弃去培养基,预冷PBS清洗1遍,加入含有PMSF预冷的RIPA细胞裂解液,4 ℃摇床裂解10 min,12 000 r/min,4 ℃离心10 min,收集细胞裂解上清,加入2×Loading buffer 100 ℃金属浴煮沸5 min。取等量蛋白进行SDS-PAGE,将电泳后的蛋白转移至聚偏二氟乙烯膜(PVDF)膜上,用5%脱脂奶粉室温封闭2 h,1×TBST清洗3次,相应一抗4 ℃摇床孵育过夜。次日1×TBST清洗3次后,加入对应二抗后室温孵育2 h,1×TBST清洗后加入化学发光液和底物孵育后,使用化学发光成像系统(上海勤翔)进行结果检测, Image J进行吸光度分析。
1.6 mRFP-GFP-LC3慢病毒感染
将状态良好的Huh7和HepG2细胞接种到6孔板,接种密度保证在第2天进行病毒感染的时候细胞汇合率介于30%~50%,放37 ℃,5% CO2 培养箱中培养过夜。感染前从冰箱取出并在冰上慢慢融化病毒,吸去细胞原有培养基,加入5 TU/mL的病毒以及5 µg/mL polybrene进行感染,感染后第2天(24 h),弃去含有病毒的培养液,换上新鲜的完全培养液并使用20 µg/mL 以及15 µg/mL 金盏花苷E分别刺激Huh7 和HepG2细胞24 h,通过荧光显微镜观察并拍照。
1.7 EdU检测细胞的增殖能力
将Huh7以及HepG2细胞接种于24孔板,待细胞贴壁后使用20 µmol/L Rapamycin和30 µmol/L LY294002分别预处理细胞1 h,再用20 µg/mL以及15 µg/mL 金盏花苷E分别刺激Huh7 和HepG2细胞24 h,之后进行EdU实验检测细胞增殖能力。实验操作按试剂盒说明书进行,荧光倒置显微镜(Olympus)观察并拍照。使用Image J软件分析EdU阳性染色细胞(红色荧光)与Hoechst染色细胞(蓝色荧光)数量,并计算EdU阳性染色细胞在总细胞中所占的比例。
1.8 Transwell实验检测细胞的迁移能力
细胞分组及处理同1.6部分。处理后的细胞分别使用无血清的DMEM以及MEM培养基重悬,取细胞悬液200 µL接种于Transwell小室上层,500 µL含有20%胎牛血清的完全培养基置于Transwell小室下层,置于37 ℃,5% CO2培养箱中培养24 h。取出小室,用脱脂棉签轻轻擦去小室上层细胞,之后将小室放入4%多聚甲醛中固定30 min,PBS清洗1遍后放入0.1%结晶紫中室温染色15 min,PBS清洗3次,使用荧光倒置显微镜观察并拍照。
1.9 统计学分析
所有数据以均数±标准差表示。通过SPSS 17.0 软件进行数据分析,Student's t检验进行两组之间的比较,使用单因素方差分析进行多组间比较,P<0.05表示差异具有统计学意义 。
2 结果
2.1 金盏花苷E对肝癌细胞活力的影响
本研究选取Huh7肝癌细胞为研究对象,金盏花苷E≥10 μg/mL作用Huh7细胞24 h,细胞活力被明显抑制;选取浓度为10、15和20 μg/mL的金盏花苷E处理Huh7细胞(
图1,
P<0.05)。
2.2 GPX4和SLC7A11在肝癌组织和细胞中的表达及其与肝癌患者存活之间的关系
TCGA数据库分析发现,GPX4和SLC7A11在肝癌组织中的表达均显著高于正常肝组织(
图2A);它们的表达水平与肝癌患者存活之间的相关性分析显示,GPX4和SLC7A11高表达的患者,其存活时间和存活率均显著降低(
P<0.001,
图2B)。检测肝癌细胞和正常肝细胞HL-7702中GPX4和SLC7A11的表达显示,无论是mRNA水平还是蛋白水平,两者在肝癌细胞系中的表达均显著高于正常肝细胞(
P<0.01,
图2C、D)。
2.3 金盏花苷E对GPX4和SLC7A11表达的影响
金盏花苷E刺激肝癌细胞24 h后,Western blotting检测GPX4和SLC7A11蛋白水平显示金盏花苷E可浓度依赖性的抑制上述蛋白的表达(
P<0.01,
图3)。
2.4 金盏花苷E对GPX4和SLC7A11降解的影响
检测金盏花苷E对GPX4和SLC7A11蛋白降解的影响,与CHX单独处理组相比,金盏花苷E能够明显促进GPX4和SLC7A11蛋白的降解(
P<0.05,
图4)。
2.5 金盏花苷E对自噬途径的影响
检测金盏花苷E对自噬途径的影响,使用不同浓度的金盏花苷E处理肝癌细胞24 h,自噬标志蛋白LC3Ⅱ的表达明显增强;Akt和mTOR的磷酸化被显著抑制,但P62的表达并未受明显影响(
图5)。mRFP-GFP-LC3慢病毒转染结果显示,金盏花苷E作用24 h后自噬体(黄色斑点)明显增加,自噬溶酶体(红色斑点)无明显变化(
图6)。
2.6 自噬途径抑制或激活对金盏花苷E下调GPX4和SLC7A11表达的影响
使用自噬抑制剂LY294002和自噬激活剂Rapamycin分别与金盏花苷E联合处理肝癌细胞,发现与金盏花苷E单独处理组相比,Rapamycin预处理能够进一步下调SLC7A11的表达;而LY294002预处理组则能够逆转金盏花苷E对GPX4和SLC7A11的抑制作用。而且LC3Ⅱ的表达水平也进一步证明了Rapamycin对自噬途径的激活作用,以及 LY294002对自噬途径的抑制作用(
图7)。
2.7 自噬途径抑制或激活对金盏花苷E抑制肝癌细胞增殖和迁移的影响
检测Rapamycin和LY294002与金盏花苷E联合作用对肝癌细胞增殖和迁移的影响,结果显示,金盏花苷E单独处理的肝癌细胞,EdU阳性染色细胞占比明显低于对照组;Rapamycin与金盏花苷E联合作用,EdU阳性染色细胞数量显著低于金盏花苷E单独处理组,而LY294002与金盏花苷E联合处理组EdU阳性染色细胞数量较金盏花苷E组明显增加(
图8A、C)。Transwell实验发现金盏花苷E单独处理的肝癌细胞迁移能力与对照组相比显著降低。与金盏花苷E处理组相比,Rapamycin与金盏花苷E联合处理能够进一步抑制肝癌细胞的迁移能力;而LY294002则逆转了金盏花苷E对肝癌细胞迁移的抑制作用(
图8B、D)。
3 讨论
肝癌作为消化系统常见的恶性肿瘤,发病率和死亡率均较高。虽然已有研究表明,在肝癌HepG2细胞中,天然活性产物金盏花苷E能够通过下调HMGB1的表达抑制肝癌细胞增殖和迁移
[20]。鉴于肿瘤发生、发展在分子机制方面的复杂性,本文以两种肝癌系HepG2和Huh7为研究对象,深入探讨了金盏花苷E抑制肝癌细胞增殖和迁移的新机制。本研究结果表明,金盏花苷E通过激活自噬途径促进GPX4和SLC7A11蛋白降解,抑制肝癌细胞的增殖和迁移。
本研究在肝癌细胞系Huh7中,通过CCK-8实验验证了金盏花苷E对肝癌细胞活力的抑制作用。该结果不仅进一步证明了我们前期结果的可靠性,也证明了金盏花苷E对肝癌的抑制作用并非HepG2细胞特异性的,但是金盏花苷E抑制肝癌细胞增殖和迁移的分子机制尚不完全清楚。
越来越多的研究表明,抑制GPX4和SLC7A11可达到治疗肿瘤的目的
[21-23]。本研究通过TCGA数据库分析和细胞水平检测均发现,GPX4和SLC7A11在肝癌组织和肝癌细胞中均显著高表达,且它们的表达水平与肝癌患者存活呈现明显负相关。金盏花苷E能否通过影响GPX4和SLC7A11的表达,抑制肝癌细胞的增殖和迁移呢? 金盏花苷E处理的肝癌细胞中GPX4和SLC7A11蛋白表达被明显抑制。然而,我们在转录水平并未获得和蛋白水平一致的实验结果。我们猜想,金盏花苷E可能通过调控蛋白降解途径抑制GPX4和SLC7A11的表达。本研究结果显示,金盏花苷E和CHX联合处理的肝癌细胞,无论是GPX4还是SLC7A11蛋白降解速度均明显高于CHX组。该结果意味着金盏花苷E能够通过促进蛋白降解下调GPX4和SLC7A11的表达。
自噬降解途径是体内蛋白降解的主要方式之一
[24, 25], Akt/mTOR是调节自噬的重要信号途径,参与肿瘤发生、发展的一系列病理学过程,且很多研究证明天然产物能够通过靶向Akt/mTOR介导的自噬抑制肿瘤的增殖
[26]。因此,靶向Akt/mTOR介导的自噬是许多肿瘤治疗的重要策略
[27, 28]。本研究结果显示,金盏花苷E处理肝癌细胞24 h能够明显抑制Akt和mTOR的磷酸化,并显著诱导自噬标志蛋白LC3Ⅱ的表达,但不影响P62的表达水平。自噬发生时,定位在胞浆的LC3Ⅰ与磷脂酰乙醇胺(PE)结合形成LC3Ⅱ,P62与泛素化的蛋白质结合,再与LC3Ⅱ蛋白形成复合物,在自噬溶酶体内降解。当自噬流畅通的时候, LC3Ⅱ增加,P62降低。但我们的结果显示,金盏花苷E作用肝癌细胞后LC3Ⅱ表达增加,但P62并无明显改变。造成该现象的原因可能是金盏花苷E仅影响自噬体的形成,对自噬溶酶体的形成并无明显作用。
CQ和3-MA 是经典的自噬抑制剂,CQ主要通过影响自噬溶酶体的形成,3-MA作为PI3KⅢ家族的特异性抑制剂,通过阻断自噬体的形成,发挥自噬抑制作用。LY294002是一种非特异性的PI3K抑制剂,可广泛阻断细胞内PI3K信号通路的磷酸化过程,从而抑制自噬体的形成。已有研究表明, LY294002能够阻断 HER2 阳性的胃癌细胞中 T-DM1 诱导的自噬
[29];LY294002能够逆转紫胶桐酸对HepG2 细胞自噬的诱导作用
[30];LY294002通过抑制自噬参与 gracillin的抗黑色素瘤作用
[31]。本实验证明金盏花苷E处理后显著诱导LC3Ⅱ的表达,但不影响P62的表达水平,意味着金盏花苷E主要影响自噬体的形成。因此,本文选取LY294002作为自噬抑制剂进行后续研究。
为进一步证明自噬途径在金盏花苷E抑制GPX4和SLC7A11表达中的作用,本研究采用了自噬激活剂Rapamycin
[32]和自噬抑制剂LY294002
[33]联合金盏花苷E处理肝癌细胞,检测GPX4和SLC7A11蛋白的表达。结果显示,Rapamycin确实能够进一步增强金盏花苷E对GPX4和SLC7A11蛋白的抑制作用,而LY294002则明显逆转了金盏花苷E的上述效应。为证明自噬途径在金盏花苷E抑制肝癌细胞增殖和迁移中的作用,我们通过EdU和transwell实验检测自噬抑制剂和激活剂对金盏花苷E调控细胞增殖和迁移的影响,结果同样支持金盏花苷E通过激活自噬途径抑制肝癌细胞增殖和迁移的结论。
总之,本研究在肝癌HepG2和Huh7细胞中证明,金盏花苷E通过增强自噬途径介导的GPX4和SLC7A11降解,抑制肝癌细胞的增殖和迁移。本研究不仅在另一肝癌细胞系中验证了金盏花苷E对肝癌细胞增殖和迁移的抑制作用,还提示了金盏花苷E发挥抗癌作用的新机制。
由于GPX4和SLC7A11是铁死亡的重要负性调节因子
[22, 34, 35],而铁死亡作为2012年发现的一种新型细胞死亡形式,已经成为很多肿瘤治疗的重要策略
[36, 37]。在本研究中,金盏花苷E能够抑制GPX4和SLC7A11的表达提示我们,铁死亡可能在金盏花苷E抗肿瘤作用中发挥一定的作用。我们接下来的工作将重点关注金盏花苷E对肝癌细胞铁死亡的影响及可能的分子机制。