背景:迷迭香含有丰富的植物化学物质,最近在欧盟被批准为抗氧化食品防腐剂。迷迭香的安全性已被证实,然而,对胃肠道健康的益处却鲜为人知。我们的总体假设是,当我们在饮食中食用迷迭香中的植物化学物质,包括肌醇,有可能通过激活抗氧化剂sestrin-2来促进胃肠道健康。
方法:用肌醇处理结肠细胞HCT116和SW480,并通过MTT、免疫荧光、ELISA和Western blot分析了解PERK/Nrf2/Sestrin-2通路的调控。
结果:Carnosol可调节PERK,增加核Nrf2浓度。此外,Nrf2表达的下游标记Sestrin-2被显示上调。
结论:基于这些观察,肌酚调节PERK和Nrf2通路,同时增加sestrin-2的表达,sestrin-2是一种已知的应激诱导抗氧化剂。
肌肽,结肠癌,HCT116, SW480, nrf2, sestrin, PERK,内质网应激,UPR
大量的研究来自在体外流行病学研究报告了地中海饮食的好处[即低饱和脂肪,高多不饱和脂肪酸,增加生水果和蔬菜的摄入量,草药包括迷迭香(迷迭香属officinalis促进整体健康[1-3]。地中海饮食在促进健康方面有一个被低估的成分,包括迷迭香、罗勒、牛至和鼠尾草。众所周知,地中海饮食富含植物化学物质,在心血管功能、糖尿病、炎症和癌症的研究模型中具有积极的结果[5,6]。迷迭香提取物标准为二萜鼠尾草酸和鼠尾草醇,已在欧盟(EU)被批准为抗氧化食品防腐剂,在美国被批准为GRAS(公认安全)的食品成分[4,7]。迷迭香的抗癌特性被认为是由于其主要的多酚成分,鼠尾草酸和鼠尾草醇[8]。迷迭香中含有许多植物化学物质,但据报道,鼠尾草酸和鼠尾草醇的抗氧化活性高达90%[9]。鼠尾草酸是最丰富的二萜,很容易被氧化为鼠尾草醇,可能是鼠尾草酸[10]的活性代谢物。肌肽已被证明具有许多药理学特性,可能有助于调节癌细胞中未被调节的细胞信号通路[3,11,13]。
越来越多的证据表明氧化应激是包括癌症和炎症在内的疾病病因的重要组成部分。在对细胞应激的反应中,人体有能力通过先天抗氧化反应网络提供防线,该网络由启动子区含有抗氧化反应元件(AREs)的基因调节。研究最多的AREs之一是在nf - e2相关因子-2 (Nrf2)基因中,该基因是bZIP转录因子cap ' n ' collar家族的成员[15,16]。Sestrin-2的表达对缺氧、DNA损伤和氧化应激反应敏感,可能对各种应激具有细胞保护活性。最近的一项研究表明,Nrf2/ARE通路调节sestrin-2基因的表达,以对抗各种应激,包括缺氧、DNA损伤和氧化应激[17]。Sestrin 2,也被称为Hi95,是与肿瘤抑制p53相关的Sestrin家族的一员。有趣的是,sestrin 2的低表达与人类结直肠癌有关。此外,Sestrin低表达与肿瘤分期、淋巴浸润、转移、血管浸润、肝转移和生存率降低有关。从临床角度来看,sestrin 2缺乏与化疗药物敏感性降低有关。
鉴于鼠尾草酸可以在生物系统中被氧化为包括鼠尾草醇在内的代谢物,我们测试了我们的假设,即最丰富的代谢物鼠尾草醇能够诱导结肠癌细胞中的Nrf2网络。更具体地说,我们评估了Nrf2调节sestrin 2表达的作用。
肌醇,试剂盒和抗体
Carnosol来自Cayman Chemical Co. (Ann Arbor, MI. Lot: 127606-37,纯度≥99%)。所有用于western blot分析和cleaved caspase-3 ELISA试剂盒的抗体均来自Cell Signaling Technology (Danvers, MA)。DeadEnd™荧光TUNEL系统来自Promega公司(Madison, WI)。BCA蛋白检测试剂盒、化学发光、NE-PER核和细胞质提取试剂均来自Pierce (Rockford, IL)。免疫荧光Nrf2抗体(sc-722)来自Santa Cruz生物技术公司(Santa Cruz, CA)。异硫氰酸荧光素(FITC)偶联山羊抗兔抗体来自Pierce (Rockford, IL)。从Cell Signal Technology购买的抗体,其目录编号列在括号中:Nrf2 (12721P), Erk (9911), Sestrin-2 (8487S), GPX1 (3206S), GSTP1 (3369S), SOD1 (2770S), PERK (5638P), p-PERK (3179S)和HO-1 (5853S)。一步RT-PCR试剂盒来自Life Technologies (Grand Island, NY)。用于RNA提取的RNeasy迷你试剂盒和RNase-Free DNase试剂盒来自QIAGEN (Santa Clarita, CA)。TransIT-siQUEST转染试剂来自Mirus Bio LLC. Nrf2 siRNA(h)和Control siRNA- a来自Santa Cruz Bio, Inc.。
细胞培养和处理
HCT116和SW480细胞来自美国型培养集合(马纳萨斯,弗吉尼亚州).HCT116细胞在McCoy’s 5A中培养,加入l -谷氨酰胺+ 10%胎牛血清(FBS)和1%青霉素/链霉素。SW480细胞在添加10%胎牛血清和1%青霉素/链霉素的MEM中培养。细胞在添加一定浓度的肌醇的培养基中培养所需时间。用二甲基亚砜(DMSO)溶解肌醇,最终DMSO浓度为0.1%。所有实验均采用车辆控制。
细胞生存能力
细胞活力由3-(4,5 -二甲基噻唑-2-基)- 2,5 -二苯基溴化四唑(MTT)测定,如前所述[11]。HCT116和SW480细胞的播种密度均为2×104在每一个。细胞在添加不同浓度肌醇(0、10、20、30、40、50、75和100 M)的培养液中培养24、48和72 h。
ELISA
根据制造商的方案[12],ELISA检测Cleaved Caspase-3水平。HCT116和SW480细胞的播种密度为4×106和8×106分别在每10厘米2盘子里。细胞在添加肉精(0、40、50和75 μ M)的培养基中培养24或48 h。
免疫荧光染色
将细胞置于载玻片中,37℃孵育24 h。然后用60µM肉肉醇孵育24 h, 4%多聚甲醛固定,仔细播种于聚l -赖氨酸包被的盖玻片上。用0.3% Triton X-100渗透细胞,3%牛血清白蛋白阻断细胞,用sestrin-2抗体(稀释1:200)在4℃孵育过夜。用异硫氰酸荧光素(FITC)偶联山羊抗兔抗体孵育细胞,DAPI染色细胞核,[13]荧光显微镜检查载玻片。HCT116和SW480细胞的播种密度为2.5×105和5×105分别在每口井中。细胞在添加肉肌醇(60 μM)的培养基中培养24小时。
西方的屁股
从处理过的细胞中制备全细胞裂解物,如前所述[13]。根据生产说明书,使用BCA法定量裂解物。简单地说,裂解物被装载到每个12%的预浇注凝胶孔(Bio-Rad, Hercules, CA)。转移后,封膜,4℃一抗(1:1000)孵育过夜,短暂冲洗,室温二抗(1:2000)孵育1小时。膜被清洗,与基质孵育,并在氟化E成形仪(ProteinSimple, Santa Clara, CA)中暴露[11,13]。HCT116和SW480细胞的播种密度为4×106和8×106分别在每10厘米2盘子里。细胞被添加不同浓度的肉精(0、40、50和75 μ M)培养24小时。用至少三种不同的裂解物进行Western blot。分离的裂解物进行三次western blot分析以证实结果。
转染与核
HCT116或SW480细胞在10cm处接种2盘子和在培养基中生长。在50-60%的汇合时,使用TransIT-siQUEST转染试剂在1mL转染培养基中转染靶向Nrf2或ctrl-siRNA的所需小干扰RNA (siNrf2)。24小时后,将培养基更换为新鲜培养基,细胞再培养24小时,然后用一定浓度的肌醇处理24小时。然后制备细胞裂解物,量化并准备进行western blots。HCT116和SW480细胞的播种密度为4×106和8×106,分别在每10厘米2盘子里。
统计分析
所有统计分析均使用VassarStats软件进行。所有组的数据均以均值和标准差表示。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和Tukey's HSD检验(multiple比较)确定对照组和治疗组之间所有测量值的差异有统计学意义。根据需要,使用学生配对t检验进行成对分组比较。所有统计学检验均为双侧检验,P<0.05为差异有统计学意义。
肉诺松可降低结肠癌细胞活力,诱导细胞凋亡
使用MTT法,我们评估了肌醇对细胞活力的影响,并观察到肌醇以剂量依赖性的方式降低了HCT116和SW480细胞活力(图1A)。TUNEL染色检测DNA碎裂,结果显示肌醇促进了HCT116细胞的DNA碎裂(图1B)。在SW480细胞中,这种作用没有那么明显,因为SW480细胞具有与防止凋亡有关的致癌基因(如myc、ras、fos)。在HCT 116中,24小时后,在75 μM时,Carnosol显著增加了裂解caspase-3 (p<0.01)(图1C)。SW480细胞的表达略有增加(p<0.05)。
图1所示。肉诺松降低了HCT116和SW480结肠癌细胞的活力。(A)为了评估细胞活力,HCT116和SW480细胞用指定剂量的肉魂醇处理72小时,然后进行MTT试验。(B)末端脱氧核苷基转移酶介导的dUTP尼克端标记(TUNEL)法观察处理结肠细胞的细胞凋亡情况。(C) cleaved caspase-3酶联免疫吸附试验,细胞用所需剂量的肌肽处理24小时。制备细胞裂解物,用ELISA法检测裂解的caspase-3水平。被处理的HCT116和SW480细胞的caspase-3水平被切断。这些实验用平均数以及与对照细胞比较的标准偏差表示,*P < 0.05,**P < 0.01。
肌肽可增加结肠癌细胞Nrf2的表达
一个解释Nrf2作用的模型规定,在正常情况下,它存在于一种不活跃的细胞质定位状态。在受到外源性生物制剂、亲电试剂或氧化应激产生剂的细胞刺激后,细胞质保留机制被灭活,Nrf2被运输到细胞核,激活靶基因转录[16,18]。因此,我们研究了肉诺松是否促进了Nrf2的激活。HCT 116和SW480细胞均用增加浓度的肉诺醇处理,全细胞裂解物与抗nrf2抗体孵育。Carnosol分别在50 μM和40 μM处增加了HCT116和SW480细胞中Nrf2蛋白的积累(图2A)。正如之前其他人报道的,Erk的激活是Nrf2核定位所必需的,并且在用肉诺松处理后被上调。已知Nrf2与抗氧化反应元件(ARE)相互作用,已被证明可以调节数百个基因,包括sestrin-2, GPX1, GSTP1和SOD1。在两种细胞系中都观察到sestrin-2的显著上调。有趣的是,HCT116中GPX1、GSTP1和SOD1的变化不大,而SW480没有变化。
western blot检测Nrf2蛋白的积累情况
Nrf2的激活将导致从细胞质到细胞核的易位,这将导致后续的基因表达。为了研究肉诺松处理是否影响核室Nrf2蛋白水平,我们从细胞中提取核和细胞质部分并进行免疫印迹分析。如图2B所示,肉糖醇显著诱导Nrf2在HCT116和SW480细胞的核组分中积累,分别增加了40 μM和50 μM。24小时处理后可通过免疫荧光进一步观察(图2C)。
图2。(A)在经过24小时处理的HCT116和SW480细胞中进行选定蛋白的表达。(B)在肉多糖处理的HCT116和SW480细胞经过24小时处理后,用Western Blot检测其细胞质和核Nrf2的表达。(C)在HCT116和SW480细胞经肌醇24小时处理后,通过免疫荧光观察Nrf2的表达。条形比例尺代表50像素。
肌肽可调节HCT116和SW480细胞中的PERK/Nrf2/sestrin-2通路
Nrf2已被证明是蛋白激酶(PKR)样内质网激酶(PERK)的直接底物,磷酸化的PERK负责触发Nrf2/Keap1复合体的解离,并抑制Nrf2/Keap1[19]的再结合。在此之前,我们已经报道了使用含有肉魂醇等二萜的迷迭香提取物调节前列腺癌细胞中包括PERK在内的未折叠蛋白反应途径[16,20]。根据这一推理,研究结肠细胞中PERK的潜在激活是合理的。在HCT116和SW480细胞经肌醇处理后,都观察到PERK和磷酸化PERK表达增加(图3A)。在免疫荧光显微镜下,可以看到HCT116和SW480细胞中PERK和sestrin-2蛋白表达上调(图3B和4A)。
图3。肌肽可促进结肠癌细胞中PERK、p-PERK、sestrin-2和HO-1的表达。HCT116和SW480细胞用增加剂量的肉诺醇处理24小时。制备细胞裂解液,western blot检测内质网应激蛋白和抗氧化酶的表达。(A) Western blot检测PERK、磷酸化PERK、sestrin-2和HO-1的表达。(B)肌多糖处理的HCT116和SW480细胞中PERK的细胞内免疫荧光染色。左列,dapi染色的细胞核呈蓝色;中柱:fitc染色细胞呈绿色,显示PERK表达;右列:DAPI与FITC合并图片。条形比例尺代表50像素。
siRNA沉默Nrf2阻止肌醇诱导sestrin 2
为了进一步确定肌醇在诱导Nrf2/sestrin-2信号通路中的作用,我们使用siRNA对Nrf2进行了更有针对性的抑制(图4B)。与单独使用异鸢尾皂苷元处理的细胞相比,肉精和Nrf2-siRNA的联合作用导致HCT116细胞中sestrin 2的表达降低。这些结果表明,肉诺醇通过激活Nrf2通路诱导sestrin-2的表达。有趣的是,在Nrf2 siRNA处理后并没有发生sestrin 2的完全沉默,这表明其他机制可能有助于sestrin 2的表达。
图4。肌肽调节结肠癌细胞Nrf2/Sestrin-2通路。(A)肌酚处理的HCT116和SW480细胞中sestrin-2的细胞内免疫荧光染色。左列,dapi染色的细胞核显示为蓝色;中柱:fitc染色细胞呈绿色,显示sestrin-2表达;右列:DAPI与FITC合并图片。条形比例尺代表50像素。(B)用Nrf2-siRNA处理细胞,加或不加肌醇24小时。制备细胞裂解液并进行Western blot分析。减号和加号表示所指示的代理人的缺席和在场。
图5。该图描述了迷迭香中的肌醇与Keap1/Nrf2直接相互作用并从Nrf2释放Keap1的作用。这种作用阻止了Nrf2的泛素化和快速降解,从而积累和转移到细胞核转录解毒和抗氧化酶(如Sestrin-2, GST, SOD, HO-1)。据报道,类似肉魂油的二萜也可以激活UPR通路,导致PERK的磷酸化,这可以作为Nrf2释放Keap1的直接底物。
总之,我们观察到肌醇在两种不同的癌细胞系(即HCT116和SW480)中促进Nrf2信号网络的激活。一个有趣的观察结果是未折叠蛋白反应通路的激活与Nrf2之间可能存在联系。更具体地说,Nrf2已被其他研究人员证明是PERK的直接底物,这表明与Keap1/Nrf2复合体直接相互作用不同的另一种可能的机制可以发生[18]。PERK的磷酸化将触发Nrf2/Keap1复合体的分离,并抑制它们的结合[19]。除了其他提出的机制外,这些初步数据为激活Nrf2提供了另一种解释。肌醇的一种被提出的机制是转化为醌,允许与Nrf2/Keap1机制发生亲电反应[21,22]。这一机制是由Keap1蛋白的关键半胱氨酸硫醇被嗜电性的醌型肌酸或肌醇的s -烷基化引发的。或者,通过调节PERK,肌醇可以间接与Keap1蛋白相互作用,从而释放Nrf2。此前,Valdez等人已经证明PERK可以在转录组水平上被调节,但我们提供的证据表明,肉糖醇促进了PERK的调控,并增加了HCT116和SW480细胞[23]中PERK的磷酸化。从我们的研究和其他研究可以明显看出,肉诺醇直接和间接地与Nrf2机制相互作用,以调节抗氧化基因的表达(如sestrin-2)。 Interestingly, silencing of Nrf2 did not seem to block the expression of sestrin 2 suggesting that alternative pathways should be explored for activation of sestrin-2. Shin et al. reported that the oxidative stress defense pathway Nrf2-ARE regulates induction of sestrin-2 expression [17]. Recently, Wei et al. reported that decreased expression of sestrin-2 predicts unfavorable outcome in colorectal cancer [24]. The implications of these results extend beyond cell culture and may further our understanding about the potential of carnosol and other compounds from rosemary (迷迭香属officinalis),促进肠胃健康。
随着消费者对天然替代品需求的不断增长,食品防腐剂的使用是一个价值数十亿美元的产业。包括迷迭香提取物在内的天然食品防腐剂在欧盟和美国广泛使用,可能对胃肠道健康带来意想不到的好处。当其他研究报告的浓度低至5 μM时,使用接近40 μM的肉精浓度可能会影响基因[25]的表达。有充分证据表明,二萜被很好地吸收,多篇论文报道了分别口服90 mg/kg和64.3 mg/kg后,血浆鼠尾草酸浓度分别为105 μM和126 μM[26,27]。另一项药代动力学研究报告称,给药含有肌醇的迷迭香提取物(即等效剂量为15mg/kg口服)可使血浆水平达到18.2 μM[28]。根据我们之前描述的FDA剂量缩放指南,在大鼠中剂量为15 mg/kg,在一个60公斤重的成人中剂量为146 mg[29-31]。在SW480细胞系中,PERK的磷酸化和sestrin-2的表达在40 μM下被观察到,考虑到激活程度可能在较低浓度的肌醇中达到。二萜经口服吸收良好,估计其生物利用度高达60%[28,32]。我们还需要进一步的研究,以了解从动物(如大鼠)到人类的剂量变化的复杂性,然而,我们的研究结果结合药代动力学结果,似乎有希望了解天然抗氧化食物防腐剂通过激活细胞抗氧化剂sestrin-2促进胃肠道健康的潜在益处。
综上所述,这些结果表明,肌醇可增加Nrf2活性,从而诱导sestrin 2的产生。这些结果似乎是有希望的,因为很少有化合物已被报道激活结肠细胞中的sestrin 2。这是非常重要的,因为低sestrin 2表达与特定的结肠癌相关,是改善胃肠道健康的一种促进策略。
本研究的部分工作得到了美国国家粮食和农业研究所(奖励号#:2017-67017-26364,提案号#:2016-09958,加入号#:1011859)对J.Johnson的支持。国家自然科学基金项目(No. 81202985)和国家奖学金委员会项目(No. 201208430206)资助的苗岩项目。
作者声明没有利益冲突。
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