饮食植物化学与癌症预防培训讲义

1、饮食植物化学与癌症预防：阻止癌症的起始和开展中核因子相关因子-2信号，表观遗传学，以及细胞死亡机制姓名：郭林峰学号： 2120707717专业：药物化学论文目录n 癌症的发生：饮食植物化学介导的氧化应激和防御系统n 3.阻止癌症的开展：饮食植物化学物质激活信号通路n 植物化学物质和核转录相关因子(NF-E2)的药物基因组学n 5.核转录相关因子(NF-E2)的敲除模型n 核转录相关因子(NF-E2)的基因突变论文背景n 植物化学物质：植物中除了含有维生素和矿物质，还含有一些植物性化学物phytochemicals，对人体健康具有重要的作用。n 目前的植物化学物主要有：膳食纤维、植物多糖、植物甾

2、醇、酚类化合物、萜类化合物及有机硫化合物等。n 大量的流行病学调查结果证明， 在蔬菜和水果中含有一些生物活性物质，它们具保护人类预防诸如心血管疾病和癌症等慢性病的作用，因此又重新引起了营养科学工作者对植物化学物的兴趣。n 植物化学物质的癌症化学预防机制已成为关注的热点。 论文内容n 1.前言 Introductionn 伴随着细胞、分子基因组学的开展以及体内转基因和基因敲除动物模型的出现，近年来涌现出大量有关植物化学物质在实验动物模型体内及体外的生物活性研究，这些植物化学物质在进入细胞后，具有直接去除自由基的作用，也可以产生“化学电压力信号 ，触发相关的细胞蛋白转导通路信号。其中包括活化核因子

3、相关因子2Nrf2，Keleh样ECH联合蛋白1等。n 进而激活诱导的细胞防御机制，包括II相阶段解毒酶，III相转运，抗氧化应激蛋白，和其他应激-防御分子，从而保护正常细胞不被活性氧ROS和活性氮 RNS和反响活性代谢物损伤。2.阻止阻止癌症的发生癌症的发生：饮食：饮食植物化学介导的氧化应激植物化学介导的氧化应激和防御系统和防御系统n 2.1 2.1 氧化应激与癌症氧化应激与癌症n 氧化应激指的是细胞呼吸在利用氧产生氧化应激指的是细胞呼吸在利用氧产生ATPATP时时, ,氧衍生的氧衍生的自由基或活性氧自由基或活性氧(reactive oxygen species,ROS)(reactive

4、oxygen species,ROS)的产生及其的产生及其作用超过了对其去除的能力作用超过了对其去除的能力, ,这种因氧化复原失衡对组织、细这种因氧化复原失衡对组织、细胞造成的损害称为氧化应激。胞造成的损害称为氧化应激。n 活性氧和活性氮的产生是人体维持平衡的重要的代谢过活性氧和活性氮的产生是人体维持平衡的重要的代谢过程，癌症的发病机制与反响性氧分子及自由基的存在有关，当程，癌症的发病机制与反响性氧分子及自由基的存在有关，当这种平衡被破坏是，这种平衡被破坏是，ROSROS可引起细胞内脂质过氧化反响可引起细胞内脂质过氧化反响, ,影响细影响细胞膜通透性和流动性胞膜通透性和流动性, ,进一步引起蛋

5、白变性和进一步引起蛋白变性和DNADNA损伤等。损伤等。n 正常细胞开展到恶性肿瘤细胞的整过过程n 2.2 核因子相关因子2， Kelch样ECH相关蛋白1， II相解毒酶和抗氧化酶n 越来越多的研究说明,核转录相关因子(NF-E2)-related factor 2作为机体重要的防御转录因子,在氧化应激等刺激下可与Keleh样ECH联合蛋白1(Kelch-like ECH associated protein 1 ，Keap1)解离进入胞核,启动II 相解毒酶及抗氧化酶基因的表达,抵抗氧化应激、有毒物质等侵害,增强肝细胞解毒和抗氧化的能力,进而发挥保护肝脏正常结构和功能的作用。n 核因子相关

6、因子(NF-E2)-related factor 2作为新近发现的转录因子,几乎存在于各种细胞中,研究说明，该因子通过调节肝内细胞抗氧化酶和II 相解毒酶,如NADPH醌氧化复原酶l等的表达来发挥抗氧化应激、减轻肝脏炎症、抗肝细胞凋亡等作用。n 丝裂原活化蛋白激酶信号级联n 丝裂素活化蛋白激酶 (MAPKs) 作为各种胞外信号转换通过串行磷酸化的级联和激活的转录因子，转换成各种细胞外信号到细胞内反响。MAPKs 参与了细胞增殖、 分化、细胞凋亡的调控。 n2.4-2.5核转录相关因子(NF-E2)活性及调节，植物化学物质介导调节核转录相关因子(NF-E2)活性n 核转录相关因子(NF-E2)调

7、节机制正常情况下，NF-E2的半衰期较短,在胞浆中会因泛素化而被降解。其中Keap1介导了NF-E2在胞浆及胞核间的循环及泛素化降解,它是维持NF-E2在胞浆内的低浓度及低转录活性重要调节因子Keap1位于胞浆中,是一个富含半胱氨酸的胞浆蛋白,生理状态下，Keap1通过与NF-E2的Neh2结构域相偶连,形成Cul3-Rbx-Keap1复合体,并将NF-E2带往蛋白酶体进行特异性泛素化降解,使得N成受到抑制,处于低转录活性状态。n 饮食植物化学物质诱导的三条激酶通路以及通路中的可能产生的影响细胞增殖、分化、凋亡n2.6 糖原合酶激酶-3 信号级联和核因子相关因子2活性调节n 糖原合成酶激酶3G

8、SK - 3调节激酶蛋白质周转细胞的信号转导，最终调节多种细胞生化过程，包括细胞增殖，分化，凋亡，以及炎症和肿瘤。n2.7 转录-3信号级联中的信号转导和化学预防n 信号转导和转录激活- 3STAT 3是 STAT 家族中的一员，另外还有 STAT1、STAT2、STAT4 、STAT5A、STAT5B、STAT6。STAT3是EGFR、IL 6/JAK、Src等多个致癌性酪氨酸激酶信号通道的会聚的焦点，在多种肿瘤细胞中均发现有持续性过度激活。STAT3过度激活后诱导上述与细胞增殖、分化、凋亡密切相关的关键基因的异常高表达，通过各种途径促进细胞增殖、恶性转化、阻碍细胞凋亡，表现出致癌作用。饮食

9、植物化学物质如厚朴，姜黄素，白藜芦醇都可以抑制STAT3的过度激活，从而预防癌症。n 3.阻止癌症的开展：饮食植物化学物质激活信号通路n 3.13.2 细胞凋亡的两种途径和c-JUN氨基末端蛋白激酶的调控 n 在开始阶段又可分为两个途径:外始式和内始式。n 外始式途径: 外始式途径是通过TNF受体家族(如 CD95)的受体与配体结合开始的。这些配体有癌症坏死因子TNF,和其他细胞因子,后者可以由如T淋巴细胞分泌。 在FADD (Fas偶联死亡区域蛋白Fas-associated death domain protein)的协助下，受体不断在细胞质中收集Procaspase8。后者通过高密度自催

10、化激活自身。n 内始式途径: 内始式途径始于肿瘤抑制基因如p53,一个转录因子,它会受DNA损伤激发。P53能刺激Bcl-2家族中于细胞凋亡前起作用的成员(如Bax, Bad)的表达。这将导致线粒体内外膜间的物质释放，如细胞色素C和Smac/DIABLO，它们都是作用于细胞凋亡前的物质。 细胞色素C和胞质中的Apaf-1以及Procaspase 9共同组成所谓的凋亡体，其实就是Caspase 9的活化形式。它和Caspase 8一样引起Caspase级联反响。n 大量研究说明：某些植物化学物质如茶素 3没食子酸(EGCG)、苯乙基异硫氰酸酯(PEITC)、姜黄素、萝卜硫素SFN等具有诱导细胞凋

11、亡作用、抗癌作用。n 4.饮食植物化学物质和核转录相关因子(NF-E2)的抗氧化作用n 机体有两类抗氧化防御体系，包括酶类反响系统和非酶类系统，酶类反响系统包括SOD、GSH-Px、CAT和转化活性物质的相酶；非酶类系统主要为小分子物质，如巯基化合物、VC 及VE 等小分子物质。酶类反响系统可发挥慢速、长效的抗氧化和解毒作用，非酶类系统那么可起到短效而迅速的抗氧化和解毒作用，两者联合作用可有效去除氧自由基、稳定细胞环境和预防组织器官受到氧化损害。n 食品中的亲电物质那么是高效低毒的Nrf2 诱导剂，如异硫氰酸酯(盐)特别是主要化合物莱菔硫烷、姜黄素、依布硒(Ebselen)、二烯丙基硫化物、酚

12、类化合物、类胡萝卜素、奥替普拉(oltipraz)。 Nrf2 被激活与Keap1 解离进入胞 质， N r f 2 与 M a f 蛋 白 形 成 异 二 聚 体(heterodimer)，然后该异二聚体主要与抗氧化反响元件 (antioxidant response element，ARE)或类似亲电子反响元件electrophile esponse element，EpRE) 结合，诱导编码抗氧化蛋白和相解毒酶的表达，在细胞的防御保护中发挥重要作用n 饮食植物化学物质调控核转录相关因子(NF-E2)的药物基因组学.n 基因敲除是将细胞基因组中某基因去除或使基因失去活性的技术。广义的基因敲

13、除包括某个或某些基因的完全敲除、局部敲除、基因调控序列的敲除以及成段基因组序列的敲除。n 在氧化应激源作用下，Nrf-2与Keap1解偶联后转入细胞核内，通过与抗氧化反响元件(antioxidant response elements,ARE)结合,调控抗氧化酶及相解毒酶的基因表达,其中包括NADPH醌氧化复原酶1、谷胱甘肽-S-转移酶(glutathione-S-transferase,GST),血红素加氧酶-1(heme oxygenase-1,HO-1)等,进而发挥诸如抗肿瘤、神经保护、抗炎症、抗细胞凋亡等作用。n Nrf2作为结合在-珠蛋白基因启动子NF-E2重复序列的因子被克隆出，属

14、于转录因子CNC家族，含有亮氨酸拉链结构。Nrf2的活性由负性调节蛋白Kelch-like ECH-associated protein 1(Keap1)精确调控，Keap1与肌动蛋白细胞骨架结合将Nrf2固定在细胞质，进一步通过Keap1-Cul3途径介导了Nrf2的泛素化和蛋白酶降解。当细胞暴露于氧化应激或者化学预防剂时，Nrf2从Keap1中解离，易位进入细胞核，与Maf结合成异二聚体，最终激活了ARE介导的下游基因的表达。n Nrf2的激活能够保护细胞免受外源性刺激，在预防肿瘤发生中发挥重要作用。然而，近来的一系列研究发现Nrf2在肿瘤中主要定位于细胞核，并且表达上调，在肿瘤发生及耐药

15、中发挥作用。进一步研究发现，肿瘤中Keap1常发生突变，导致Keap1的失活或低表达，失去对Nrf2的负性调节，从而导致了Nrf2的核定位、表达上调及下游基因的转录激活。KWEON等报道Nrf2依赖的HO-1的高表达是肺癌A549细胞对表没食子儿茶素没食子酸酯治疗耐受的主要原因，KIM等也证实HO-1在MAPK-Nrf2信号途径调节下降低肺癌A549细胞对顺铂的敏感性。因此，Nrf2-HO-1途径可作为肿瘤治疗的新靶点。n 7.癌症中的表观遗传学改变n 表观遗传学改变(DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNAs如miRNAs)对表观基因组基因表达的调节，这种调节不依赖基因序列的改变且可遗传。表观

16、遗传学因素如DNA甲基化、组蛋白修饰和iRNA是对环境刺激因素变化的反映，这些表观遗传学因素相互作用以调节基因表达，控制细胞表型，所有这些表观遗传学因素都是维持机体内环境稳定所必需的，有助于正常生理功能的发挥。某些植物化学物质如茶素 3没食子酸(EGCG)、苯乙基异硫氰酸酯(PEITC)、姜黄素、萝卜硫素SFN可参与表观遗传改变。n 7.17.1脱氧核糖核酸甲基化脱氧核糖核酸甲基化DNADNA甲基化甲基化n DNA DNA甲基化是由甲基化是由DNADNA甲基转移酶催化甲基转移酶催化S S腺苷甲硫氨酸作腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，将胞嘧啶转化为为甲基供体，将胞嘧啶转化为5-5-甲基胞嘧啶的反响。甲

17、基胞嘧啶的反响。CGCG二二核苷酸是最主要的甲基化位点，人类的核苷酸是最主要的甲基化位点，人类的CpGCpG以两种形式存以两种形式存在，一是分散于在，一是分散于DNADNA中，另一种是中，另一种是CpGCpG结构高度聚集的结构高度聚集的CpGCpG岛。正常组织中分散于岛。正常组织中分散于DNADNA中的中的CpG 70CpG 70一一9090的位点通的位点通常是甲基化的，而位于基因启动子区的健康人基因组中常是甲基化的，而位于基因启动子区的健康人基因组中CpGCpG岛处于非甲基化的状态，岛处于非甲基化的状态，CpGCpG岛的甲基化可直接导致相岛的甲基化可直接导致相关基因的沉默。关基因的沉默。DN

18、ADNA甲基化一般与基因沉默有关，而去甲甲基化一般与基因沉默有关，而去甲基化与基因活化有关。甲基化能改变基因的构型，从而影基化与基因活化有关。甲基化能改变基因的构型，从而影响转录因子的转录，而影响该基因的表达。响转录因子的转录，而影响该基因的表达。CpGCpG岛异常甲岛异常甲基化例如基化例如P53P53的高度甲基化与肿瘤的发生可能有关，尤其的高度甲基化与肿瘤的发生可能有关，尤其是恶性肿瘤常有一个或多个肿瘤抑制基因是恶性肿瘤常有一个或多个肿瘤抑制基因CpGCpG岛的甲基化岛的甲基化。CpGCpG岛尤其岛尤其P16P16基因高度甲基化导致肿瘤细胞增生失控在基因高度甲基化导致肿瘤细胞增生失控在肿瘤的

19、发生开展中起重要作用。肿瘤的发生开展中起重要作用。n 7.2 7.2 组蛋白修饰组蛋白修饰n 组蛋白是真核细胞染色体的结构蛋白，与组蛋白是真核细胞染色体的结构蛋白，与DNADNA共同组成核小体，组共同组成核小体，组蛋白共有蛋白共有5 5种，它们是种，它们是H1H1、H2AH2A、H2BH2B、H3H3、H4H4，这些组蛋白带有正电，这些组蛋白带有正电荷，能与带负电荷的荷，能与带负电荷的DNADNA磷酸基相互作用形成较紧密的结构，其中磷酸基相互作用形成较紧密的结构，其中H2H2、H3H3、H4H4是功能性组蛋白，是功能性组蛋白，H1H1只在核小体间起连接作用。组蛋白修饰只在核小体间起连接作用。组

20、蛋白修饰包括组蛋白的乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化、组蛋白的磷酸包括组蛋白的乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化、组蛋白的磷酸化及泛素化，这些修饰因素单一或共同作用来调节基因的表达与功能化及泛素化，这些修饰因素单一或共同作用来调节基因的表达与功能的发挥。的发挥。n 组蛋白乙酰化酶最常见的是组蛋白乙酰化酶最常见的是CBPCBPP300P300，而去乙酰化酶那么有四，而去乙酰化酶那么有四类：第一类：类：第一类：HDAClHDACl、2 2、3 3、8 8；第二类：；第二类：HDAC4HDAC4、5 5、6 6、7 7、9 9、1010；第三类：是沉默调节因子，包括第三类：是沉默调节因子，包括Si

21、rtl-7Sirtl-7；第四类：；第四类：HDAC1HDAC1。组蛋白的。组蛋白的修饰主要发生在修饰主要发生在N N端的赖氨酸与精氨酸，组蛋白多种修饰构成了组蛋端的赖氨酸与精氨酸，组蛋白多种修饰构成了组蛋白对基因特异性表达的调控，称之为组蛋白密码白对基因特异性表达的调控，称之为组蛋白密码(Histone code)(Histone code)，也，也构成了表观遗传学的重要标志。构成了表观遗传学的重要标志。n 多数组蛋白修饰都发生在赖氨酸、精氨酸上，包括乙酰化，甲基化，磷酸化，泛素化等n 其中ac：乙酰基；me：甲基；ph：磷酸基团n H2A、H2B、H3、H4分别代表的是不同的组蛋白，H2、

22、H3、H4是功能性组蛋白，H1只在核小体间起连接作用。n 7.3 微核糖核酸微核糖核酸miRNAn miRNA及其长短与siRNA相似，为22 bp左右，多数miRNA具有高度的保守性、基因表达时序性和组织特异性。miRNA的发现与研究提示基因组非组蛋白编码区含有重要的生命活动信息，细胞的生长、发育、代谢、分化、增生、衰老、凋亡、感染及肿瘤的发生均可能受miRNA的调控。如果某一肿瘤特异性表达某一miRNA，就可用于肿瘤的早期预测，也可特异性敲除某一miRNA或特异性导入某一miRNA用于肿瘤的治疗。n 7.4 饮食植物化学的表观遗传修饰n 许多饮食植物化学物质已被报道具有对DNA甲基转移酶和

23、组蛋白修饰酶潜在的调节作用，从而恢复许多肿瘤抑制基因的表达。n 茶多酚：表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate，EGCG)在抗突变、抗肿瘤机制方面的研究显示：用不同浓度EGCG作用于人食管癌细胞KYSE510，其表观寂静的基因p16、视黄酸受体(RAB)、O6-甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶(MGMT)和人类错配修复基因1(hMLH1)都可使其DNA链上鸟嘌呤前的胞嘧啶(CpG岛)产生不同程度的去甲基化，抑制DNMT活性，使这些基因在癌细胞中恢复表达。EGCG能够显著抑制癌细胞增殖。对人食管癌系KYSE 510细胞的IC50是20umolL而且在此浓度它能够

24、很好抑制DNMT活性，恢复表观寂静基因表达。n 然而，研究迄今为止建议去甲基化的CpG的能力可能会导致姜黄素对Nrf2和Neurog1基因的表达这些随后的激活基因，并提出膳食植物化学物质在人类前列腺癌细胞中具有潜在的表观遗传修饰的作用。n 8.18.2 癌症干细胞理论以及癌症干细胞中的表观遗传n 癌症干细胞Cancer Stem Cell，CSC，又称癌干细胞、肿瘤干细胞，是指具有干细胞(Stem cell)性质的癌细胞，也就是具有“自我复制(self-renewal)以及“具有多细胞分化(differentiation)等能力，通常这类的细胞被认为有开展成癌症的潜力，特别是随着癌症转移出去后

25、，产生新型癌症的来源。 肿瘤干细胞可能来源于正常干/ 祖细胞，也可能来源于重编程后的分化细胞，表观遗传学在干细胞发育以及体细胞重编程中的重要作用提示其可能在肿瘤干细胞发生与开展中发挥作用。白血病中的癌干细胞 癌症干细胞具有自我更新、高致瘤性、分化潜能、耐药性的特征。n 在具有多向分化潜能的干细胞中，决定细胞分化的基因因启动子区域高甲基化而沉默，随着干细胞向成熟细胞的分化，这些基因的启动子区域发生去甲基化，从而导致相应的转录因子募集，基因开始表达；与此相反的是，许多在干细胞早期发育阶段表达的印迹基因或分化潜能相关基因却由于DNA的高甲基化等原因在成熟体细胞中向沉默转归。 n B a b a 等从

26、卵巢癌细胞中分选出以CD133 分子作为标志物的卵巢癌干细胞，进一步的研究发现，CD133 基因的转录受组蛋白修饰和启动子甲基化控制。CD133- 卵巢癌细胞用DNA 甲基转移酶 和组蛋白去乙酰化酶抑制剂处理后发现细胞中有CD133 蛋白表达，并且其P2 启动子的DNA 甲基化程度与CD133 蛋白的转录呈负相关性，CD133+细胞的子代细胞中CD133- 细胞亚群的CD133 基因P2 启动子甲基化增加，而CD133+ 细胞亚群，该启动子很少甲基化或者未甲基化。n 图中示意的是干细胞正常分化成不同的成熟细胞与突变形成的肿瘤细胞的两个过程区别及原因nThroughout this review

27、,we introduced the great potential of dietary phytochemicals:n1.Blocking the initiation of carcinogenesis via the induction of detoxifying/antioxidant enzymes; n通过对解毒或抗氧化酶的诱导来阻断细胞的癌变通过对解毒或抗氧化酶的诱导来阻断细胞的癌变n2.Inhibiting the progression of carcinogenesis via the activation of the apoptotic pathway and c

28、ell cycle arrest;n通过激活细胞的的凋亡途径以及细胞周期的循环来抑制癌症的的蔓延通过激活细胞的的凋亡途径以及细胞周期的循环来抑制癌症的的蔓延n3.The restoration of aberrant epigenetic alterations as an anti-cancermechanism;n作为抗癌机制的恢复异常的表观遗传学改变作为抗癌机制的恢复异常的表观遗传学改变 n4.And the removal of the self-renewal potential of CSCs.n消除自身当中潜在的癌症干细胞消除自身当中潜在的癌症干细胞n 图中示意的是饮食植物化学物

29、质的癌症化学预防策略n Cashew nuts(腰果)-漆树酸-同时抑制NF-B激活，下调p300组蛋白乙酰转移酶基因n Cruciferous Vegetables十字花科蔬菜-苄基异硫氰酸酯(BITC)-通过线粒体氧化复原敏感的机制诱导凋亡,诱导GSTP1介导氧化复原机制、吲哚-3-甲醇(I3C)、苯乙基异硫氰酸(PEITC)酯、萝卜硫素SFNn Coffee咖啡-咖啡酸-抑制DNA甲基转移酶对DNA甲基化的催化、绿原酸-诱导凋亡n Curcuma longa姜黄-姜黄素n Soy黄豆-金雀异黄素/染料木素-种甲基转移酶抑制剂能够使KYSE510细胞抑癌基因p16、MGMT基因、RARl9等表观寂静基因恢复表达，并且随着作用时间延长和浓度升高