Pharmacol Res︱于海杰/马丽娟课题组发现雷公藤红素抗癌作用新机制

撰文︱陈格尔责编︱王思珍，方以一编辑︱杨彬薇

雷公藤红素（celastrol）是一个具有多种生物活性的天然产物，提取于中药雷公藤的根皮部，具有抗氧化，抗炎，抗癌，抗血管增生，并且通过诱导癌细胞凋亡、细胞周期阻滞、细胞自噬等多个途径抑制癌细胞增殖[1]。雷公藤红素和青蒿素、辣椒素、姜黄素、雷公藤甲素，被《细胞》杂志列为最有可能被开发成为现代药物的5种传统天然药用化合物[2]。目前对雷公藤红素抗癌作用分子机制的研究多局限于它对相关信号通路的影响，研究人员致力于探索雷公藤红素抗癌机制的研究，从而推出更多有效的临床治疗方案。

2022年10月，澳门科技大学埃尔文内尔博士生物物理与创新药物实验室/中药质量研究国家重点实验室于海杰助理教授和马丽娟助理教授课题组在《Pharmacological Research》上发表了题为“Celastrol inhibits lung cancer growth by triggering histone acetylation and acting synergically with HDAC inhibitors ”的研究。文章第一作者是硕士研究生陈格尔和朱筱钰。该研究利用分子条形码标记的真核生物全基因组敲除文库，对雷公藤红素抗癌的作用机制在基因组层面进行研究。研究人员通过化学基因组学和生物信息学分析发现，与雷公藤红素作用相关的蛋白特异性的集中于组蛋白修饰和重塑这一生物过程，雷公藤红素可以影响组蛋白乙酰化、甲基化和磷酸化修饰。

为从基因组层面全局性研究雷公藤红素抗癌作用的分子机制，研究人员首先利用真核生物分子条码标记的全基因组基因敲除文库（Schizosaccharomyces pombe gene deletion library）[3]来研究雷公藤红素在细胞水平抑制细胞增殖的作用机制。通过分析雷公藤红素对基因敲除细胞的生长抑制指数以及生物信息学分析，研究人员发现，受雷公藤红素影响的基因特异性的集中在染色体组织（chromatin organization），组蛋白修饰（histone modification），组蛋白乙酰化（histone acetylation）等生物过程。其中tfg3、alp13、yaf9属于NuA4复合物，其功能是调节核内组蛋白乙酰化水平的动态平衡，属于组蛋白乙酰化转移酶（histone acetyltransferases，HAT）中的一种。另外7个基因，msc1、swr1、yaf9、swc2、pht1、rvb1和swc4属于swr1 复合物，已有研究证实swr1 复合物和NuA4 复合物在功能上具有相互依赖性，而且都与人类TIP60/p400复合物同源，特别是NuA4使H2A乙酰化能够独立启动swr1复合物掺入H2A.Z[4]。而gcn5是SAGA复合物的HAT催化亚基，这提示HAT可能与雷公藤红素的抑制细胞增殖作用机制相关。

由于细胞周期调控机制在进化上的保守性，在酵母细胞发现的雷公藤红素抑制细胞的增殖作用，是否可以应用到雷公藤的抗癌作用机制？研究人员在人类肺癌细胞上进行了一系列研究。首先，研究人员使用组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDACi）或组蛋白乙酰化转移酶抑制剂（HATi）使细胞内相应的酶失活，并与雷公藤红素组合使用。结果表明在多种癌细胞系（A549、H1299、LLC-1、HeLa细胞）中，雷公藤红素和HDACi联合应用时存在协同作用（图1A-D），相反的，雷公藤红素和HATi的联合应用是拮抗作用，这说明雷公藤红素能增强HDACi的抑制癌细胞增殖的作用，联药具有更优的抗癌效果，而非HATi。此外，雷公藤红素与HDACi的联用能提高诱导细胞凋亡的活性，促使癌细胞死亡（图1E,F）。

图1 雷公藤红素与HDACi或HATi在多种癌细胞系的联药作用

（图源：Geer Chen, et al., Pharmacol Res, 2022）

为进一步验证雷公藤红素能够调控组蛋白乙酰化，研究者利用蛋白质印迹实验（western blot）证实雷公藤红素可提高细胞内组蛋白H3，H4以及H4K16乙酰化水平（图2A）。最重要的是，在低浓度雷公藤红素的存在下，与MS275（I类HDACi）单药组相比，联药使细胞产生了更高水平的H3、H4和H4K16乙酰化，尤其在低浓度雷公藤红素与5μM MS275 联用时达到峰值（图2C）。这些结果表明雷公藤红素确实能影响组蛋白乙酰化，而雷公藤红素和I类HDACi联用诱发更强的组蛋白乙酰化水平为它们协同抑制癌细胞增殖提供了新的抗癌机制。

图2 雷公藤红素能够调控组蛋白乙酰化

（图源：Geer Chen, et al., Pharmacol Res, 2022）

图3 基于化学基因组学和生物信息学发现雷公藤红素通过调控组蛋白修饰发挥抗癌作用

（图源：Geer Chen, et al., Pharmacol Res, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望综上所述，该研究通过化学基因组学和生物信息学分析发现，组蛋白修饰的途径与雷公藤红素的抗细胞增殖作用密切相关。研究人员进一步将雷公藤红素和HDACi或HATi联合作用于人类多种癌细胞系，发现雷公藤红素与HDACi联合有协同抗癌作用，而与HATi没有协同抗癌作用，其潜在的抗癌机制与雷公藤红素使组蛋白乙酰化、甲基化和磷酸化上调的现象有关，这为癌症治疗研究提供重要的参考价值。本研究所揭示的雷公藤红素调控组蛋白修饰的机制属于首次报道。这一机制的发现，将雷公藤红素现有的抑制细胞增殖，引起细胞凋亡和自噬等抗癌机制研究在基因调控层面统一起来。并为未来癌症治疗的联合用药提供新策略。值得注意的是，雷公藤红素虽然可以影响组蛋白修饰，但是其可直接作用的靶点基因或复合物有待进一步确定（图3）。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.phrs.2022.106487

通讯作者：马丽娟（左），于海杰（右）

（照片提供自：马丽娟/于海杰团队）

通讯作者简介（上下滑动阅读） 

于海杰助理教授，马丽娟助理教授，澳门科技大学澳门科技大学埃尔文内尔博士生物物理与创新药物实验室/中药质量研究国家重点实验室助理教授，研究方向为中药有效成分的抗癌作用机制研究，离子通道新药开发，非整倍体与癌症等。欢迎广大生物医药背景的同学报考研究生，请访问实验室网页了解更多信息。

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参考文献（上下滑动阅读）

[1] Lim, H.Y., et al., Celastrol in cancer therapy: Recent developments, challenges and prospects. Cancer Lett, 2021. 521: p. 252-267

[2] Corson, T.W., and Crews C.M. Molecular Understanding and Modern Application of Traditional Medicines: Triumphs and Trials. Cell, 2007. 130(5): p769-774

[3] Han, T.X., et al., Global fitness profiling of fission yeast deletion strains by barcode sequencing. Genome Biol, 2010. 11(6): p. R60

[4] Altaf, M., et al., NuA4-dependent acetylation of nucleosomal histones H4 and H2A directly stimulates incorporation of H2A.Z by the SWR1 complex. J Biol Chem, 2010. 285(21): p. 15966-77

[5] Chou, T.C., Theoretical basis, experimental design, and computerized simulation of synergism and antagonism in drug combination studies. Pharmacol Rev, 2006. 58(3): p. 621-81

本文完