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世界华人消化杂志. 2005-07-28; 13(14): 1744-1746
在线出版日期: 2005-07-28. doi: 10.11569/wcjd.v13.i14.1744
丁酸钠抗肿瘤作用的新进展
崔路佳, 高善玲, 裴凤华
崔路佳, 高善玲, 裴凤华, 哈尔滨医科大学附属第二医院消化科 黑龙江省哈尔滨市 150086
基金项目: 省教育厅科学技术研究项目计划, No. 10541142.
通讯作者: 裴凤华, 150086, 黑龙江省哈尔滨市, 哈尔滨医科大学附属第二医院消化科.
电话: 0451-86605143
收稿日期: 2005-03-31
修回日期: 2005-04-05
接受日期: 2005-04-09
在线出版日期: 2005-07-28

丁酸钠作为一种去乙酰化酶(HDAC)抑制剂, 主要通过改变组蛋白的乙酰化程度来改变染色质结构, 参与多种基因的表达; 可抑制多种肿瘤细胞生长, 诱导细胞成熟分化, 诱导癌细胞发生凋亡, 达到治疗肿瘤的目的. 因此探索丁酸钠抗肿瘤的作用机制能够为肿瘤的治疗提供新的思路.

关键词: N/A
引文著录: 崔路佳, 高善玲, 裴凤华. 丁酸钠抗肿瘤作用的新进展. 世界华人消化杂志 2005; 13(14): 1744-1746
N/A
N/A
Correspondence to: N/A
Received: March 31, 2005
Revised: April 5, 2005
Accepted: April 9, 2005
Published online: July 28, 2005

N/A

Key Words: N/A
0 引言

丁酸钠(sodiumbutyrate, NaBT)是膳食纤维在肠道中酵解后产生的一种无毒的四碳短链脂肪酸, 丁酸及其稳定的衍生物能够影响多种生理过程[1]. 最近的研究证明, 丁酸钠可以诱导结肠癌[2-3]、食管癌[4]、肝癌[5]、骨髓瘤[6]等多种肿瘤细胞凋亡, 尤其在消化系统肿瘤的诱导分化和凋亡疗法中成为研究的热点之一. 丁酸钠对肿瘤细胞的作用机制较复杂, 现就主要作用机制作一综述.

1 组蛋白乙酰化/去乙酰化与肿瘤的关系
1.1 组蛋白乙酰化/去乙酰化在基因转录调控中的作用

基因有序的转录调控是机体细胞维持正常功能的前提, 如果基因转录调控功能紊乱, 细胞可能发生癌变. 核心组蛋白的乙酰化和去乙酰化与基因调控密切相关, 负责组蛋白乙酰化和去乙酰化的是一对功能相互拮抗的蛋白酶-组蛋白乙酰化转移酶(HAT)和组蛋白去乙酰化酶(HDAC).HAT乙酰化组蛋白氨基末端(从核小体向外伸展的氨基末端是进行转录后乙酰化修饰的部位), 除与DNA结合外, 还与非组蛋白的调控蛋白和多蛋白复合物间相互作用, 这种作用使氨基末端形成特定的二级结构, 对核小体排列及染色质浓缩有重要作用. 乙酰化修饰通过瓦解氨基末端的二级结构并中和组蛋白所带的正电荷以及疏水的乙酰基团产生的空间阻力, 降低组蛋白与DNA的亲和力, 舒展核小体结构, 从而激活基因转录; 而HDAC的功能相反, 抑制基因转录[7]. 特定基因的表达状态取决于被转录因子定位在靶基因启动子上的HAT和 HDAC间的动态平衡. HDAC作为调控基因的关键蛋白酶, 其功能异常被证实与肿瘤的发生发展有直接关系[8]. 因此, 通过对HDAC功能的抑制, 可以达到治疗肿瘤的目的[9].

1.2 HAT和HDAC对肿瘤治疗的启迪

高等生物体内最早发现的HAT包括CBP/p300、P/CAF、TAFⅡ250等. 编码具有HAT内源活性的CBP基因的突变与肿瘤的发生密切相关, CBP基因的缺失和突变在大肠癌、胃癌患者中发生率较高. 病毒癌蛋白(E1A)可与CBP/p300结合, 揭示了HAT活性与癌症之间的关系. E1A 与CBP/p300结合后破坏了CBP/p300与P/CAF间的相互作用. 而E1A对细胞的转化需要E1A和CBP/p300的相互作用, 这一相互作用可能使CBP/p300失活[10].

组蛋白乙酰基化是由HAT和HDAC共同调节的, 高乙酰基化的染色质与转录激活基因有关, 低乙酰基化的染色质则与转录抑制基因有关. 抑制HDAC的活性能够抑制基因的转录, 促进细胞分化. 在白血病中, 几种转录因子由于异常招募HDAC而抑制特定基因的表达. 例如, 来源于急性粒细胞白血病(APL)患者的细胞系中由于染色体易位产生的融合癌基因产物通过招募HDAC而抑制转录. 已经报道了APL中4种基因与视黄酸受体a(RARa)基因相融合产生融合蛋白, 这4种基因分别是前髓细胞基因(PML)、卵核质蛋白基因(NPM)、前髓细胞白血病锌指基因(PLZF)和核有丝分裂器基因(NuMA). 在ALP中RARa的融合蛋白招募HDAC, 从而导致组蛋白低乙酰化, 结果在癌细胞中出现转录异常[11].

1.3 丁酸钠在组蛋白去乙酰化方面的作用机制

丁酸钠是一种组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制剂, 属非细胞毒类抗癌化合物. 已知丁酸钠会引起细胞核内多种变化, 包括组蛋白的超乙酰化、DNA的甲基化及非组蛋白的修饰. 其中以组蛋白的超乙酰化最为重要, 与基因表达和抑制细胞生长有关. 组蛋白的作用是将DNA包装成核小体, 而组蛋白超乙酰化则会导致DNA和组蛋白分离, 使转录因子激活特异基因[12]. 丁酸钠使组蛋白超乙酰化后, 激活一些转录因子, 使转录因子结合并激活某些基因, 最终可抑制细胞生长, 又诱导细胞分化. 最近哈佛大学医学院的一个研究小组的实验结果表明, 丁酸钠主要通过两个途径抑制人大肠癌细胞生长, 其一是通过组蛋白的超乙酰化, 诱导p53非依赖性p21WAF1的表达[13], 而p21WAF1是细胞周期素依赖的蛋白激酶的抑制剂, 丁酸钠可使p21WAF1的表达水平升高[14];其二是通过表皮生长因子(EGF)反应途径.

组蛋白去乙酰化与DNA的甲基化对基因转录均有抑制作用. 近年研究发现, 二者对基因表达的调控作用有密切联系. 甲基化可诱导局部组蛋白去乙酰化, 使染色质乙酰化水平降低, 且甲基化的序列可募集甲基CpG结合蛋白(MeCP)与组蛋白去乙酰化酶复合物(MeCP-HDAC)发挥对基因表达的抑制作用. MeCP可与HDAC形成复合物的研究报道提示, HDAC参与对p16基因的抑制可能是通过与高甲基化有关的途径, 即去甲基化改变基因局部的甲基化状态, 影响了MeCP在启动子区的结合, 丁酸钠作用于MeCP-HDAC复合物, 抑制复合物活性, 从而使基因恢复表达[15].HDAC抑制剂对去甲基化制剂的这种协同作用提示HDAC参与了甲基化抑制p16基因表达的过程. 可见, 丁酸钠可通过增加组蛋白乙酰化水平, 诱导一些基因的转录活性.

组蛋白乙酰化可通过改变染色体结构参与基因表达的调控, 抑制肿瘤细胞增殖, 诱导分化[16]. 丁酸钠是一种细胞分化诱导剂, 而丁酸能够诱导人白血病细胞株HL-60(早幼粒阶段)走向成熟阶段分化. 肿瘤细胞在丁酸钠诱导下发生分化, 分化过程中可引起细胞微细胞结构、蛋白质及核酸等变化, 有的出现类似正常细胞的表型, 有的甚至恢复了正常细胞的某些功能. 李丰et al[17]应用丁酸钠对低分化人大肠癌细胞Clone-A进行诱导分化, 结果显示, 电镜下, 细胞表面由原来比较光滑变成表面丝状突起及囊泡明显增多. 多数细胞内质网数量、密度明显增加, 内质网形态变长, 结构趋于正常. 小剂量丁酸钠诱导后细胞形态明显向正常细胞分化.

2 丁酸钠诱导肿瘤细胞凋亡

大量研究表明, 肿瘤不仅是细胞增殖和分化异常的疾病, 也是细胞凋亡异常的疾病, 多种肿瘤的发生与细胞凋亡障碍有关[18]. 已有研究证实丁酸钠能抑制多种体外培养的肿瘤细胞生长、诱导肿瘤细胞衰老和凋亡, 被认为是一种基因表达的调控剂. 流行病学研究发现高纤维膳食可降低致癌剂所诱发的胃肠道肿瘤发生. 膳食纤维进入结肠后经细菌发酵产生短链脂肪酸, 包括丁酸、乙酸和丙酸. 丁酸不仅是结肠上皮细胞主要的能量来源, 而且许多体内和体外试验证实丁酸钠能促进结肠癌细胞的凋亡, 对正常肠上皮细胞则具有促进增生, 抑制凋亡的保护作用[19]. 结直肠癌的发生与肠上皮细胞的增殖与凋亡失衡有关. 邵荣江et al[20]观察丁酸钠对体外培养的人肝癌细胞SMMC-7721的促凋亡作用. 采用流式细胞仪检测发现在G0/G1峰前有一亚二倍体凋亡峰, 该峰随丁酸钠作用时间和剂量增加而增高;DNA电泳进一步证实细胞DNA降解为180-200 bp的寡核苷酸片段, 形成典型梯状电泳带; 透射电镜从形态学角度证实了丁酸钠处理后的细胞发生了凋亡. 布立民et al[21]细胞毒性试验证实, 单独应用丁酸钠作用于大肠癌细胞HCT-8, 丁酸钠各组随着剂量的增加, 细胞抑制程度逐渐明显, 电镜下可见细胞核固缩、染色质浓缩等典型凋亡表现, 认为丁酸钠诱导凋亡的能力可能是高纤维饮食能预防大肠癌发生的机制之一. 刘薇et al[22]对丁酸钠作用下的体外培养卵巢癌细胞3AO的凋亡相关指标进行了检测, 其中形态学变化是判断凋亡有无发生的基础, 阶梯形DNA降解模式是鉴定凋亡的特异性生化指标. 研究发现, 细胞经一定浓度的丁酸钠作用一定时间, 光镜下可见核浓缩等形态学改变, 琼脂糖凝胶电泳中可见典型的DNA梯形条带, 提示丁酸钠通过诱导3AO细胞凋亡影响其生长. 对于不同的细胞系, 丁酸钠诱导其凋亡的机制并不完全相同, 相关研究提示丁酸钠有可能作用于细胞周期检查点, 尤其是G1检查点, 抑制细胞周期通过该检查点进入S期. 肿瘤发生过程中, 细胞周期检查点的调节发生改变, 特别是G1检查点失控, 导致肿瘤不断进行分裂增殖[23]. 丁酸钠诱导细胞凋亡与细胞周期S期和G1期的改变密切相关, 丁酸钠使细胞周期阻滞于G1期, 不能顺利进入S期, 从而抑制细胞的增殖. G1期阻滞可能是丁酸钠诱导凋亡的机制之一, 但细胞周期改变是否是一个独立事件, 尚需进一步研究. 通过灭活细胞周期检查点, 可增强细胞凋亡敏感性, 达到调节肿瘤治疗敏感性的目的[24-25].

细胞凋亡径路大致有三条: (1)死亡受体通路; (2)线粒体通路; (3)内质网通路. Nakagawa et al[26]认为, 丁酸钠引起细胞凋亡的机制是丁酸作用于内质网, 由半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶(Caspases)级联活化所致. 内质网在蛋白质脂类合成、物质运输等方面均起着重要作用, 在细胞内膜系统中占有中心地位. Caspase-12存在于内质网, 丁酸钠可引起内质网功能失调, 激活Caspase-12, 进而剪切Caspase-3, 引发细胞凋亡. Desagher et al[27]发现, Caspase-3活化可能与抑癌基因Fas的过度表达有关, Fas配基(FasL)与Fas结合后与胞质中的Fas相关死亡结构域蛋白(FADD)形成三聚体, FasL-Fas-FADD复合物激活Caspase-8;p53通过上调bax的表达, 促进线粒体细胞色素C释放, 激活Caspase-9; 被激活的Caspase-8、 Caspase-9使Caspase-3酶原水解形成具有分解蛋白质活性的Caspase-3, 可导致多种细胞死亡, 又称为"凋亡蛋白酶", 故Caspase-3的活化在丁酸钠诱导的细胞凋亡中起重要作用.

线粒体功能改变在细胞凋亡的发生中起关键性作用, 其证据是: 抑制线粒体的三羧酸循环功能即可引起细胞调亡. 线粒体跨膜电位(Dym)是三羧酸循环产生的能量传递给电子, 电子传递过程中释放能量, 将质子从基质泵入膜间腔而形成. Dym 是衡量线粒体功能是否正常的一个重要指标, 他的下降是凋亡的一个早期特征. 刘薇et al在用丁酸钠诱导3AO细胞凋亡的过程中, Dym下降, 推测丁酸钠作用使线粒体膜通透性增加, 从而导致Dym降低, 促凋亡物质释放, 当作用达一定时间, Dym崩解, 活化链反应, 细胞便进入不可逆的凋亡过程. 线粒体通路和内质网通路既各自独立, 又相互联系, Bcl-2家族在各通路的调控中发挥重要作用, 其中Bcl-2/Bax是Bcl-2家族两个具有代表性的重要成员, 分布于线粒体和内质网膜上, Foyouzi-Youssefi et al[28]研究表明, Bcl-2过表达可使两条通路诱导的凋亡受到抑制; 而Bax过表达则可导致Dym丢失, Bcl-2的过表达不能阻止Bax介导的凋亡, 从而促进线粒体通路诱导的凋亡. 研究显示丁酸钠作用后, Bcl-2表达降低, Bax表达升高, 他们参与了细胞凋亡的调节.

总之, 组蛋白乙酰化/去乙酰化与肿瘤密切相关, 丁酸钠作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂之一, 已广泛应用于肿瘤研究中, 对丁酸钠抗肿瘤作用机制的进一步研究将为肿瘤的防治提供新的思路.

编辑:张海宁

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