加 英,張雪琛,史江穎,單樹花,李卓玉,*
(1 山西大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 太原030006 2 山西大學(xué)生物技術(shù)研究所 化學(xué)生物學(xué)與分子工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030006)
結(jié)腸癌(Colorectal cancer,CRC)是一種消化道惡性腫瘤,是世界范圍內(nèi)最常見的癌癥,嚴(yán)重危害人類健康和安全[1-2]。據(jù)2018 年全球癌癥數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),結(jié)腸癌的發(fā)病率和死亡率分別居于第3 位和第2 位[3],其發(fā)病率預(yù)計(jì)在未來的幾十年內(nèi)持續(xù)增加[4]。目前臨床上對于結(jié)腸癌采用以手術(shù)為主、藥物化療為輔的綜合治療方式,這種治療方式具有一定的局限性,可能會引起腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移,還會產(chǎn)生極大的耐藥性及毒副作用,損壞正常臟器,給患者帶來二次傷害。尋找綠色、高效和低毒的預(yù)防結(jié)腸癌的功能食品是目前研究者的關(guān)注點(diǎn)。
藜麥(Chenopodium quinoa willd.)又稱金谷子,是一種一年生草本開花植物,屬藜科藜屬[5]。近年來,藜麥在山西省大規(guī)模種植,主要分布在忻州市、朔州市等地區(qū)。在營養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域,藜麥有“全營養(yǎng)食品”的美稱,富含人體所需的全部營養(yǎng)物質(zhì),與日常食用的大多數(shù)糧食谷物,如小麥、玉米、稻米、高粱等相比營養(yǎng)和食用價(jià)值更高,被譽(yù)為“超級谷物”,是世界范圍內(nèi)極具發(fā)展?jié)摿捅=」πУ霓r(nóng)作物之一[6]。數(shù)千年來,人們一直在日常飲食中攝入藜麥,旨在預(yù)防多種疾病并降低各種疾病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[7]。藜麥能產(chǎn)生具有多種生物活性的次生代謝產(chǎn)物,在過去40 年里,從藜麥中鑒定出至少193 種次級代謝產(chǎn)物,主要包括皂苷、酚酸類、黃酮類、萜類、甾醇類和含氮化合物[8]。這些代謝產(chǎn)物中富含多種生物活性物質(zhì),可有效預(yù)防和改善炎癥、心血管疾病、高血糖、高血壓、骨質(zhì)疏松癥等多種慢性疾病[9],對人們的健康有極大的益處。藜麥中的一些功能分子還有抗菌[10]、抗癌[11]、抗氧化[12]、細(xì)胞毒性[13]、抗糖尿病[14]和抗炎[15]等營養(yǎng)功效。此外,藜麥中蛋白質(zhì)含量高,氨基酸比例合理,特別是含有普通谷物中最容易稀缺的賴氨酸(4.6%~6.6%)及蛋氨酸(0.4%~1.0%),具有較高的保健功效。目前提取藜麥蛋白多采用堿提酸沉的方法[16],即先在堿性溶液中浸提,后在酸性條件下沉淀蛋白,并通過生物化學(xué)手段獲得藜麥活性肽,如:蛋白酶解法[17]、微生物發(fā)酵法[18]及模擬消化法[19]等,若酸、堿操作不慎會引起蛋白的變性,進(jìn)而影響蛋白的生物活性,然而,目前通過無機(jī)鹽沉淀來獲取高生物活性的藜麥蛋白鮮見報(bào)道。
基于此,本研究以山西特色藜麥資源為原料,利用丙酮-硫酸銨沉淀法提取藜麥蛋白,結(jié)合Q柱分離純化出具有抗結(jié)腸癌活性的藜麥蛋白,將其命名為WQP。在細(xì)胞水平探討WQP 的抗結(jié)腸癌活性,分別從細(xì)胞增殖、細(xì)胞凋亡及細(xì)胞遷移3個(gè)方面評價(jià)WQP 的抗結(jié)腸癌活性。本研究揭示了藜麥活性蛋白抗結(jié)腸癌的分子機(jī)制,為開發(fā)藜麥源活性蛋白抗結(jié)腸癌候選藥物及其營養(yǎng)干預(yù)相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)提供科學(xué)依據(jù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。
藜麥購自山西省忻州市靜樂縣農(nóng)貿(mào)市場。
人結(jié)腸癌細(xì)胞株DLD1、HCT-8 及正常結(jié)腸上皮細(xì)胞FHC 均購自中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院細(xì)胞資源中心。
RPMI-1640 培養(yǎng)基、胎牛血清,購買于GBICO 公司;噻唑藍(lán)(MTT)、EDTA、青霉素-鏈霉素-慶大霉素混合溶液(100×三抗)、二甲基亞砜(DMSO)、SDS,購買于索萊寶科技有限公司;結(jié)晶紫、G-250、胰蛋白酶,購買于碧云天生物技術(shù)有限公司;丙酮、甲醇(分析純級)、冰醋酸、異丙醇、(NH4)2SO4(分析純級),購自天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;Q-柱材料,購自GE 公司。
電子天平,美國Ohaus 公司;破壁料理機(jī),九陽股份有限公司;CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱、冷凍高速離心機(jī),德國Eppendorf 公司;醫(yī)用冷藏箱,長虹美菱股份有限公司;pH 計(jì),上海三信儀表廠;超凈工作臺,北京亞泰科隆儀器技術(shù)有限公司;倒置顯微鏡,日本尼康株式會社;紫外-可見分光光度計(jì),上海光譜儀器有限公司;酶標(biāo)儀,瑞士TECAN 公司。
1.3.1 藜麥蛋白的制備 采用MTT 法檢測抗結(jié)腸癌活性。將有抗結(jié)腸癌活性的組分洗脫液蛋白命名為WQP,最后經(jīng)冷凍干燥得到藜麥蛋白粉末。將藜麥全谷粉碎并過60 網(wǎng)目篩,取上述粉末30 g,按料液比1∶10 的比例溶于預(yù)冷的20 mmol/L Tris-NaCl(0.85%)蛋白提取液中,4 ℃攪拌過夜。在4 ℃、11 000 r/min 條件下離心25 min,取上清,加入二倍體積預(yù)冷丙酮,充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笥?40℃冰箱沉淀2 h,11 000 r/min 離心25 min,留沉淀。將沉淀置于-40 ℃條件下?lián)]發(fā)丙酮,加入預(yù)冷的20 mmol/L Tris-HCl 溶解,離心取上清。根據(jù)硫酸銨飽和度表加入飽和度為90%的硫酸銨,于4℃靜置30 min 后于4 ℃、11 000 r/min 條件下離心25 min,留沉淀。沉淀用預(yù)冷的20 mmol/L Tris-HCl 溶解,置于4 ℃透析除鹽,冷凍干燥后得到藜麥蛋白。
圖1 藜麥蛋白制備流程圖Fig.1 Flow chart of quinoa protein preparation
1.3.2 藜麥蛋白的分離純化 采用Q-強(qiáng)陰離子交換層析分離純化藜麥蛋白。用20 mmol/L Tris-HCl 緩沖液(pH 8.0)平衡Q 柱,將藜麥蛋白溶解上樣,與柱材料結(jié)合2~3 h,依次用100,150,200,300 mmol/L 三羥甲基氨基甲烷-氯化鈉(Tris-Na-Cl)(pH 8.0)洗脫層析柱,分別收集洗脫液并分別濃縮洗脫液,用紫外分光光度計(jì)在波長595 nm 處檢測,計(jì)算蛋白濃度,進(jìn)一步在細(xì)胞水平檢測Tris-NaCl 各梯度洗脫蛋白液的抗結(jié)腸癌活性,將具有抗結(jié)腸癌活性的組分命名為WQP。
1.3.3 藜麥蛋白的抗腫瘤活性檢測 取對數(shù)生長期的結(jié)腸癌細(xì)胞DLD1、HCT-8 及人正常結(jié)腸上皮細(xì)胞FHC,按細(xì)胞密度為6 000~8 000 個(gè)/孔接種于96 孔細(xì)胞培養(yǎng)板中,待細(xì)胞貼壁后,加入終質(zhì)量濃度為0,60,90,120,150 μg/mL 的WQP,每個(gè)梯度設(shè)置5 個(gè)復(fù)孔。處理24 h 后吸棄舊培養(yǎng)基,PBS 洗1~2 次,換新鮮培養(yǎng)基,每孔加入20 μL MTT 處理4 h。將上述培養(yǎng)液吸棄,加入150 μL DMSO 在振蕩搖床上振蕩10 min,用酶標(biāo)儀測定波長570 nm 處的吸光度值,并計(jì)算細(xì)胞存活率。
1.3.4 細(xì)胞克隆形成試驗(yàn) 取對數(shù)生長期結(jié)腸癌細(xì)胞DLD1、HCT-8 按5×103個(gè)/孔接種于24 孔細(xì)胞培養(yǎng)板中,待細(xì)胞貼壁后,用終質(zhì)量濃度為0,60,90,120 μg/mL 的WQP 處理細(xì)胞5 d,吸棄舊培養(yǎng)基,用預(yù)冷的甲醇室溫固定細(xì)胞30 min。棄掉固定液,0.1%結(jié)晶紫染液染色15 min,37 ℃烘箱烘干后在顯微鏡下進(jìn)行拍照。每孔加入100 μL 1%的SDS 振蕩溶解,用酶標(biāo)儀在波長570 nm 處測定吸光度值進(jìn)行量化分析。
1.3.5 細(xì)胞形態(tài)學(xué)試驗(yàn) 取生長狀態(tài)較好的結(jié)腸癌細(xì)胞DLD1、HCT-8 用胰酶消化,調(diào)整細(xì)胞密度,按5×103個(gè)/孔接種到24 孔細(xì)胞培養(yǎng)板,待細(xì)胞貼壁后,加入終質(zhì)量濃度為0,60,80,100,120 μg/mL 的WQP 處理24 h,用尼康顯微鏡拍照并記錄細(xì)胞數(shù)量及形態(tài)。
1.3.6 流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞凋亡 選取對數(shù)期HCT-8 細(xì)胞,以105個(gè)/孔的細(xì)胞密度接種于6 孔板,待細(xì)胞貼壁后加入終質(zhì)量濃度為0,90 μg/mL的WQP 處理細(xì)胞24 h,加0.25%胰酶(不含EDTA)消化并離心收集細(xì)胞,PBS 洗2 次,加入1×結(jié)合緩沖液100 μL 重新吹散懸浮細(xì)胞,加入5 μL磷脂結(jié)合蛋白帶綠色熒光(Annexin V-FITC)和5 μL 碘化丙啶(PI)結(jié)合溶液,輕輕吹打使完全混勻,在室溫下避光孵育15 min。向上述體系中加入400 μL 1×結(jié)合緩沖液輕微搖勻,用流式細(xì)胞儀檢測。
1.3.7 細(xì)胞劃痕試驗(yàn) 選取對數(shù)期DLD1、HCT-8細(xì)胞,按90%左右的單層細(xì)胞密度接種于24 孔細(xì)胞培養(yǎng)板中的無菌牛津杯內(nèi)。待細(xì)胞貼壁后,標(biāo)記細(xì)胞所在的位置,用無菌鑷子夾取出牛津杯,用200 μL 的無菌槍頭在標(biāo)記的圈內(nèi)均勻劃痕,劃痕結(jié)束后每孔補(bǔ)加500 μL PBS,在顯微鏡下拍照記錄0 h 的劃痕距離。吸掉PBS,每孔加500 μL 新鮮培養(yǎng)基,同時(shí)加入終質(zhì)量濃度為0,10,20 μg/mL的WQP 處理細(xì)胞24 h,每個(gè)質(zhì)量濃度設(shè)置3 個(gè)復(fù)孔。顯微鏡拍照并記錄24 h 的劃痕距離,計(jì)算細(xì)胞遷移率。
遷移率(%)=(0 h 劃痕距離-24 h 劃痕距離)/0 h 劃痕距離×100
采用MTT 法檢測抗結(jié)腸癌活性,結(jié)果如圖2所示,使用1.3.2 節(jié)中所得的不同蛋白洗脫組分分別處理DLD1 和HCT-8 結(jié)腸癌細(xì)胞時(shí),僅100 mmol/L Tris-NaCl 洗脫組分具有顯著抑制結(jié)腸癌細(xì)胞增殖的活性,其對DLD1 和HCT-8 細(xì)胞的抑制率分別為(69.3±8.3)%和(72.2±6.1)%,其它組分的藜麥蛋白洗脫在100 μg/mL 時(shí)均沒有明顯的抗結(jié)腸癌活性。綜上,選用100 mmol/L Tris-NaCl洗脫組分,作為藜麥蛋白發(fā)揮抗結(jié)腸癌細(xì)胞活性的主要組分(命名為WQP),進(jìn)一步評價(jià)其抗結(jié)腸癌的效應(yīng)。
圖2 藜麥蛋白的活性檢測Fig.2 Activity detection of quinoa protein
為了進(jìn)一步確定藜麥活性蛋白WQP 的抗結(jié)腸癌細(xì)胞增殖活性,用不同質(zhì)量濃度的WQP(0,60,90,120,150 μg/mL)處理結(jié)腸癌細(xì)胞DLD1、HCT-8 和正常結(jié)腸上皮細(xì)胞FHC 24 h 后,采用MTT 法檢測細(xì)胞存活率。圖3a 和3b 顯示,藜麥蛋白WQP 可以明顯抑制兩種結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖,并呈現(xiàn)出質(zhì)量濃度梯度依賴性;圖3c 則顯示W(wǎng)QP對正常結(jié)腸上皮細(xì)胞FHC 的細(xì)胞增殖并不影響。表1 數(shù)據(jù)顯示了不同質(zhì)量濃度WQP 處理結(jié)腸癌細(xì)胞DLD1、HCT-8 及正常結(jié)腸上皮細(xì)胞FHC 后,經(jīng)SPSS 回歸概率分析計(jì)算出WQP 對DLD1 和HCT-8 的IC50值分別為122 μg/mL 和128 μg/mL。以上結(jié)果揭示了WQP 可以顯著抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖。
表1 WQP 對不同結(jié)腸細(xì)胞的半抑制濃度Table 1 The half maximal inhibitory concentration of WQP on different colon cells
圖3 藜麥活性蛋白WQP 對不同結(jié)腸細(xì)胞增殖的影響Fig.3 Effects of WQP on cell proliferation of different colon cells
為了進(jìn)一步確定WQP 的抗增殖效應(yīng),采用平板克隆試驗(yàn)檢測WQP 對DLD1 和HCT-8 細(xì)胞克隆形成能力的影響。圖4a 顯示,WQP 處理5 d 后,對結(jié)腸癌細(xì)胞集落的形成有明顯的抑制作用,與對照組相比,兩種結(jié)腸癌細(xì)胞的克隆能力均被WQP 顯著抑制。圖4b 和4c 分別定量分析了DLD1 和HCT-8 細(xì)胞克隆形成能力,結(jié)果顯示當(dāng)WQP 的營養(yǎng)干預(yù)質(zhì)量濃度為90 μg/mL 時(shí),DLD1的細(xì)胞存活率為42.6%,HCT-8 的存活率僅為27.4%,且均具有質(zhì)量濃度梯度依賴性。以上結(jié)果表明WQP 能夠顯著抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的克隆形成能力。
圖4 WQP 對DLD1、HCT-8 細(xì)胞活力的影響Fig.4 The effect of WQP on the activity of DLD1 and HCT-8 cells
為了驗(yàn)證WQP 對結(jié)腸癌細(xì)胞的抗增殖效應(yīng),用不同質(zhì)量濃度WQP(0,60,80,100,120 μg/mL)營養(yǎng)干預(yù)DLD1 和HCT-8 細(xì)胞24 h,在倒置顯微鏡下觀察細(xì)胞的生長狀態(tài)。圖5 顯示,在60 μg/mL處理?xiàng)l件下,與對照相比,隨著WQP 質(zhì)量濃度的升高,大量細(xì)胞在形態(tài)上發(fā)生了明顯的變化,細(xì)胞逐漸皺縮變圓,且數(shù)量顯著減少。以上結(jié)果表明WQP 能夠通過改變結(jié)腸癌細(xì)胞形態(tài)和抑制結(jié)腸癌細(xì)胞數(shù)量來發(fā)揮抗增殖效應(yīng)。
圖5 WQP 處理對細(xì)胞形態(tài)的影響Fig.5 Effects of WQP treatment on cell morphology
為了探討WQP 對結(jié)腸癌細(xì)胞增殖的抑制作用與細(xì)胞凋亡的關(guān)系,選取對WQP 抑制較敏感的結(jié)腸癌HCT-8 細(xì)胞,采用流式細(xì)胞儀檢測不同質(zhì)量濃度WQP 處理24 h 對HCT-8 細(xì)胞凋亡的影響。圖6a 顯示,用90 μg/mL 的WQP 處理HCT-8細(xì)胞后,凋亡率顯著增加,其凋亡率為19.47%;如圖6b 細(xì)胞凋亡率統(tǒng)計(jì)圖所示,與對照組相比凋亡率增加了近2 倍。該結(jié)果表明WQP 能夠誘導(dǎo)HCT-8 細(xì)胞凋亡,從而減緩結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖。
圖6 WQP 處理對HCT-8 細(xì)胞凋亡的影響Fig.6 Effects of WQP treatment on apoptosis of HCT-8 cells
從細(xì)胞遷移的角度進(jìn)一步探究WQP 的抗結(jié)腸癌效應(yīng),采用細(xì)胞劃痕法檢測不同質(zhì)量濃度WQP(0,10,20 μg/mL)對2 種結(jié)腸癌細(xì)胞DLD1及HCT-8 遷移的影響。圖7a 顯示,WQP 處理細(xì)胞24 h 后能夠顯著抑制DLD1 和HCT-8 細(xì)胞的遷移,且在20 μg/mL 的WQP 處理后抑制作用更加明顯,圖7b 統(tǒng)計(jì)遷移率分別為33%和37%。采用MTT 法檢測與劃痕試驗(yàn)相同質(zhì)量濃度的WQP對兩種結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖情況,發(fā)現(xiàn)WQP 對DLD1 和HCT-8 兩種細(xì)胞的增殖效應(yīng)均沒有明顯的抑制作用(圖7c),最高抑制率均為5%以內(nèi),排除了細(xì)胞增殖效應(yīng)對細(xì)胞遷移所產(chǎn)生的影響。以上結(jié)果揭示W(wǎng)QP 具有抑制結(jié)腸癌細(xì)胞遷移的效應(yīng)。
圖7 WQP 處理對DLD1 及HCT-8 細(xì)胞遷移的影響Fig.7 Effects of WQP treatment on migration of DLD1 and HCT-8 cells
近年來從植物中提取的天然活性物質(zhì)在預(yù)防人類疾病發(fā)生方面得到了越來越多的關(guān)注。目前已有研究者從多種植物中提取獲得具有抗腫瘤活性的蛋白,如植物來源的凝集素[20-22]、過氧化物酶(POD)[23]、核糖體失活蛋白(RIPs)[24]等,這些蛋白可通過阻滯細(xì)胞周期、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡來抑制癌細(xì)胞增殖,提示谷物來源的活性蛋白有望開發(fā)成為預(yù)防腫瘤的特醫(yī)食品。
已有研究表明,藜麥蛋白及肽不僅具有抗氧化、降血壓、降血糖等免疫調(diào)節(jié)活性[25-27],在消化處理后還具有抗腫瘤的活性。Vilcacundo[28]等于2018年研究發(fā)現(xiàn),藜麥蛋白的體外模擬消化產(chǎn)物中>5 ku 的肽具有抗結(jié)腸癌的生物活性;Ayyash 等[29]研究發(fā)現(xiàn)全谷物羽扇豆、藜麥和小麥發(fā)酵后產(chǎn)物對結(jié)腸癌細(xì)胞Caco-2 和乳腺癌細(xì)胞MCF-7 腫瘤細(xì)胞具有顯著的抗增殖活性,且隨著發(fā)酵時(shí)間的增加,對腫瘤細(xì)胞的抑制率也逐漸增加,此外,還兼具抑制α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶、抗高血壓、抗氧化和蛋白水解的活性。上述研究均將藜麥蛋白進(jìn)行消化或發(fā)酵后產(chǎn)物進(jìn)行抗腫瘤活性分析,本研究與上述研究的不同在于,采用丙酮-硫酸銨沉淀法從山西特色資源藜麥全谷中獲得了未經(jīng)消化且具有抗結(jié)腸癌活性的蛋白組分,將其命名為WQP,通過MTT 試驗(yàn)初步揭示了其具有顯著的抗結(jié)腸癌活性(圖2)。進(jìn)一步在細(xì)胞水平采用細(xì)胞增殖試驗(yàn)、細(xì)胞平板克隆形成試驗(yàn)、細(xì)胞凋亡及細(xì)胞遷移試驗(yàn)對WQP 的抗結(jié)腸癌效應(yīng)進(jìn)行了一系列評價(jià)。研究結(jié)果表明:WQP 對結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖及克隆形成能力有明顯的抑制作用(圖3~4),且能夠通過誘導(dǎo)HCT-8 細(xì)胞凋亡進(jìn)而抑制細(xì)胞增殖(圖6);同時(shí),WQP 能夠顯著抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的遷移(圖7),揭示W(wǎng)QP 能夠從抑制結(jié)腸癌細(xì)胞增殖、促進(jìn)結(jié)腸癌細(xì)胞凋亡、阻滯結(jié)腸癌細(xì)胞遷移3 個(gè)方面來發(fā)揮抗結(jié)腸癌效應(yīng)。
以上結(jié)果完善了藜麥蛋白在抗結(jié)腸癌方面的研究,下一步將進(jìn)一步純化藜麥蛋白WQP,以確定WQP 中單一活性蛋白的抗結(jié)腸癌作用靶點(diǎn),從細(xì)胞增殖、凋亡和遷移的角度闡明WQP 及其單一活性蛋白的抗結(jié)腸癌分子機(jī)制,為藜麥營養(yǎng)物質(zhì)在結(jié)腸癌防控方面的應(yīng)用提供可靠的理論數(shù)據(jù),進(jìn)一步拓展了藜麥資源的綜合利用和有效開發(fā)。
本研究以山西特色藜麥資源為原料,利用丙酮-硫酸銨沉淀法提取藜麥蛋白,結(jié)合Q 柱分離純化出具有抗結(jié)腸癌活性的藜麥蛋白WQP。進(jìn)一步在細(xì)胞水平探討WQP 的抗結(jié)腸癌活性,分別從細(xì)胞增殖、細(xì)胞凋亡及細(xì)胞遷移3 個(gè)方面進(jìn)行評價(jià),研究結(jié)果表明:WQP 能夠誘導(dǎo)結(jié)腸癌細(xì)胞凋亡,從而抑制細(xì)胞增殖;另外,WQP 能夠顯著阻滯結(jié)腸癌細(xì)胞的遷移效應(yīng),表明WQP 具有顯著的抗結(jié)腸癌活性。本文為深入闡明WQP 抗結(jié)腸癌的分子機(jī)制提供了試驗(yàn)基礎(chǔ),并為藜麥營養(yǎng)物質(zhì)在結(jié)腸癌防控方面的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對藜麥資源的開發(fā)利用具有深遠(yuǎn)意義。