까마귀쪽나무(Litsea japonica)의 HL-60 백혈병 세포 Apoptosis 유도효과
김엘비라·부혜진·현재희·김상철·강정일·김민경·유은숙·강희경# 제주대학교 의학전문대학원 약리학교실, 제주대학교 의과학연구소
(Received October 30, 2008; Revised January 6, 2009; Accepted January 7, 2009)
The Effect of Litsea japonica on the Apoptosis Induction of HL-60 Leukemia Cells
Elvira Kim, Hye-Jin Boo, Jae-Hee Hyun, Sang-Cheol Kim, Jung-Il Kang, Min-Kyoung Kim, Eun-Sook Yoo and Hee-Kyoung Kang
#Department of Pharmacology, School of Medicine, Institute of Medical Sciences, Cheju National University, 66 Jejudaehakno, Jeju 690-756, Korea
Abstract
— This study investigated the antiproliferative effect of the EtOH extract from Litsea japonica. The extract mark- edly inhibited the growth of HL-60 cells. When treated with the extract, several apoptosis events like as DNA frag- mentation, chromatin condensation and the increase of the population of sub-G1 hypodiploid cells were observed. The extract decreased the Bcl-2 expression, whereas the Bax expression was increased. Caspase-9 and -3 were activated and poly (ADP-ribose) polymerase was cleaved. The results suggest that the antiproliferative effect of L. japonica in HL-60 appears to arise from apoptosis induction via the down-regulation of Bcl-2 and the activation of caspases.
Keywords □
Litsea japonica, HL-60, apoptosis, Bcl-2, Bax, caspases
까마귀쪽나무
(
Litsea japonica)
는상록엽소교목으로서수직적으 로표고700 m
이내의바닷가및산기슭에분포한다.
이식물의 화학적구성에대한기존의연구에서,
여러종류의essential oils, fatty acids, lactones, alkaloids
및terpenoids
가발견되었다고보 고된바가있다.
1,2)Lactones
의종류로알려진hamabiwalactone A, hamabiwalatone B, akolactone B, litsealactone A
및litsea- lactone B
가분리되었다.
3)또한,
잎으로부터분리된flavonoids
성분인
epicatechin, afzelin, quercitrin
및tiliroside
의anti-com- plement activity
를조사한결과, tiliroside
가complement sys- tem
에대해가장강력한억제작용을나타냄이보고되었다.
4)한 국에서까마귀쪽나무는식용으로사용하였다는보고가있으나,
어떤용도로사용하였는지에대한연구보고는미미한실정이므 로이식물에대한항암효능을비롯한생리활성을탐색하는연 구가필요하다
.
본연구에서는까마귀쪽나무의추출물을사용하여
HL-60 (human promyelocytic leukemia)
세포를비롯한여러암세포를대상으로이세포에대한세포증식억제효과를조사하였다
.
까 마귀쪽나무추출물의HL-60
세포에대한세포증식억제효과가apoptosis
유도에의한것인지알아보기위하여,
핵의형태학적변화
, DNA
절편화및DNA content
변화를알아보았으며, apo- ptosis
유도신호전달기전에중요한Bcl-2
와Bax
의증가와이에 따른caspase-9, caspase-3 protease
활성화의발현양상을조사하였다
.
이와같은연구로HL-60
세포에대한까마귀쪽나무추 출물의항암효과를밝혀효과적인항암물질개발의재료로사용 가능한근거를제시하고자하였다.
실험 방법
까마귀쪽나무추출물제조
제주도해안가에자생하고있는까마귀쪽나무
(
Litsea japonica)
의잎을
2005
년11
월경에채집하여시료185 g
을음지에서건조시킨다음
,
마쇄기로분쇄하여각각의미세말시료를80%
에탄 올에침적하고초음파를이용하여1
시간씩3
회추출하였으며,
그후상층액을회수하고감압농축하여얻은
(43 g)
에탄올추출물을2007
년제주생물종다양성연구소로부터분양받았다.
본실험에 서이추출물을PBS(phosphate-buffered saline)/
에탄올(1 : 1)
에용#본논문에관한문의는저자에게로
(
전화) 064-754-3846 (
팩스) 064-702-2687
(E-mail) [email protected]
해시킨후원하는농도에따라실험용배지로희석하여사용하였다
.
세포배양
HL-60(human promyelocytic leukemia)
세포는한국세포주은행
(Korea Cell Line Bank)
로부터분양받아서사용하였다. 100 units/m
l의penicillin-streptomycin(GIBCO Inc, Grand Island, NY, USA)
과10% heat-inactivated fetal bovine serum(FBS;
GIBCO Inc, Grand Island, NY, USA)
이첨가된RPMI 1640
배 지를사용하여37
oC, 5% CO
2, humidified incubator
에서배양하 였으며,
계대배양은약70~80%
의confluence
가되는3~4
일마다한번씩시행하였다
.
세포독성측정
HL-60
세포의성장증식에대한까마귀쪽나무의80%
에탄올추출물 효과를
MTT[3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide] assay
를이용하여검색하였다.
5)살아있는암세포
mitochondria
의탈수소효소작용에의하여수용성의노 란색MTT
가환원되어형성되는자주색을띠는 비수용성의formazan
을microplate(ELISA) reader
로540 nm
에서흡광도를측정하여
,
대사적으로왕성하게생존하는세포의수를조사하였 다. HL-60(2.5×10
5cells/m
l)
을96 well plate
에넣고까마귀쪽나무의
80%
에탄올추출물을25, 50, 75
및100
µg/m
l의농도로처리하였다
.
이를4
일간배양한다음, MTT(Sigma chemical Co., St. Louis, USA) 50
µl(2 mg/m
l)
를첨가하고4
시간동안반응시킨후
, plate
를1000 rpm
에서10
분간원심분리하고상층액을제거하였다
. Dimethylsulfoxide(DMSO: Sigma chemical Co., St.
Louis, USA) 150
µl를가하여침전물을용해시킨후, microplate reader(Amersham Pharmacia Biotech, NY, USA)
를사용하여540 nm
에서흡광도를측정하였다.
각시료군에대한평균흡광 도값을구하였으며,
대조군의흡광도값과비교하여세포증식억제정도를조사하였다
.
DNA fragmentation analysis
HL-60(3.5×10
5cells/m
l)
세포에까마귀쪽나무의80%
에탄올 추출물을100
µg/m
l의농도로처리한다음, 3, 6
및9
시간동안 배양하였다.
세포를수확한후Promega Wizard
®Genomic DNA Purification Kit(Promega, Madison, WI, USA)
를 사용하여DNA
를분리하였다.
분리한DNA
를1.2% agarose gel
에서40
분(100 V)
동안전기영동을실행한다음, ethidium bromide
로염색하고
UV transilluminator(Spectronics Corporation Westbury, NY, USA)
하에서DNA fragmentation
현상을관찰하였다.
6)세포주기변화측정
HL-60(2.5×10
5cells/m
l)
세포에까마귀쪽나무80%
에탄올추출물을
25, 50
및100
µg/m
l의농도로처리한다음, 48
시간동안배양한후
,
세포를수확하여PBS
로세척하였다.
그후-20
oC
에서
70% ethanol
로30
분동안고정시키고PBS
세척후RNase A(1 mg/m
l)
를처리한다음에propidium iodide(PI: Sigma chem- ical Co., St. Louis, USA)
로 염색하고, COULTER
®EPICS
®XL
TMFlow Cytometer(Coulter, Miami, FL, USA)
로세포주기 를분석하였다.
7)핵의형태학적변화관찰
HL-60(2.5×10
5cells/m
l)
세포에25, 50
및100
µg/m
l의농도로까마귀쪽나무
80%
에탄올추출물을처리한다음3, 6, 9, 12, 24
및48
시간동안배양하였다. DNA
에특이적으로결합하는형 광색소인Hoechst 33342(H33342: Sigma chemical Co., St.
Louis, USA)
용액(1
µg/m
l)
을가하여37
oC
에서10
분간염색한 후형광현미경(IX-71, Olympus, Japan)
하에서관찰하였다.
8)Western blot analysis
HL-60(2.5×10
5cells/m
l)
세포에까마귀쪽나무의80%
에탄올추출물을
100
µg/m
l의농도로처리한다음3, 6
및9
시간동안배양한후
,
세포를수확하여PBS
로2~3
회세척하였다. 500
µl 의lysis buffer
를첨가한다음, 1
시간동안lysis
시킨후12,000 rpm
에서15
분간원심분리하여상층액을얻었다.
단백질농도는BSA(bovine serum albumin)
를표준물질로 사용하여Protein Assay Kit(BIO-RAD, HC, USA)
를 사용하여 정량하였다.
9)20~30
µg
의lysate
를12% mini gel SDS-PAGE(Sodium dode- cyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis)
로변성분리하여polyvinylidene difluoride membrane(BIO-RAD, HC, USA)
로200 mA
에서2
시간동안transfer
하였다.
그리고membrane
의blocking
은5% skim milk
가함유된TTBS(TBS+0.1% Tween 20)
용액에서overnight
실시하였다. Bcl-2
의발현량을검토하기 위한 항체로는
mouse monoclonal anti-human Bcl-2 Ab (1 : 1000)(Santa Cruz Biotech, MA, USA), Bax
의발현양을검 토하기 위한 항체로는rabbit polyclonal anti-human Bax Ab (1 : 1000)(Santa Cruz Biotech, MA, USA), PARP
의 발현량을 검토하기위한항체로rabbit polyclonal anti-human PARP Ab (1 : 1000)(Santa Cruz Biotech, MA, USA), caspase-3
발현량을검토하기위한항체로
rabbit polyclonal anti-human caspase-3 Ab(1 : 1000)(Cell Signaling Technology, Beverly, MA, USA)
와caspase-9
의Ab(1 : 1000)(Cell Signaling Technology, Beverly,
MA, USA)
을TTBS
용액에서희석하여사용하였으며,
반응은상 온에서2
시간동안진행하였다. 2
차항체로는HPR(Horse Radish
Peroxidase)
이 결합된anti-rabbit IgG(Amersham Prarmacia
Biotech, NY, USA)
와anti-mouse IgG(Amersham Prarmacia
Biotech, NY, USA)
를희석(1 : 5000)
하여이용하였으며,
반응은상온에서
30
분동안진행하였다.
그후membrane
을TTBS
로3
회 세척하여
ECL
기질Amersham Prarmacia Biotech, NY, USA)
과1~3
분간반응후X-ray
필름에감광하였다.
통계처리
표시된결과는
3
번이상의독립적인실험결과이며,
데이터를mean±standard error
값으로나타내었다.
실험군사이의통계적유의성검증은
Student's t-test
를사용하여평가하였다.
실험결과 및 고찰
세포증식저해효과
까마귀쪽나무
80%
에탄올추출물에의한HL-60
세포의증식억제효과를측정하기위하여
MTT assay
를이용하였다.
여러세 포주에 까마귀쪽나무의80%
에탄올 추출물을25, 50, 75
및100
µg/m
l의농도로처리하여실험하였다(Fig. 1).
까마귀쪽나무80%
에탄올추출물을100
µg/m
l의농도로처리하였을때HL- 60
를비롯한5
종의암세포에서의세포증식억제효과를보면HL- 60(human promyelocytic leukemia)
에서는83%, HL-60/ADR (adriamycin resistant human promyelocytic leukemia cell line)
에서64.5%, HL-60/MX2(mitoxantrone resistant human promyelocytic leukemia cell line)
에서76%, HCT-15(human colon cancer)
에서7.9%, SK-OV-3(human ovary cancer)
에서16.9%, A-549(human lung cancer)
에서3.4%
의효과를보였다.
정상세포
HEL-299
에같은방법으로까마귀쪽나무의80%
에탄올추출물을처리하여정상세포에대한세포증식억제효과 를확인한결과
, 100
µg/m
l의농도에서다른세포주에비하여현 저히낮은2.3%
의세포증식억제효과를확인하였다.
이는까마귀쪽나무의
80%
에탄올추출물이정상세포에는독성을갖지않 는것으로판단할수있다(Fig. 1).
따라서까마귀쪽나무의
80%
에탄올추출물에의한세포증식억제효과가탁월한
HL-60
세포에대하여까마귀쪽나무의80%
에탄올추출물에의한암세포의세포증식억제효과및
apoptosis
유도기전을조사하였다
. Apoptosis유도효과
DNA fragmentation
확인 − 까마귀쪽나무의80%
에탄올추출물에의한
HL-60
세포증식억제작용이apoptosis
유도에의 한것인지알아보기위하여, apoptosis
유도에의하여나타나는DNA
절편화현상을전기영동으로관찰하였다. DNA
절편화현상은세포가
apoptosis
로들어가는원인이되는데endonuclease
를 생산하여chromatin
을nucleosome DNA
로절단한다.
이러한현상을
agarose gel
에서ladder
형태로관찰할수있다. HL-60
세포에까마귀쪽나무의
80%
에탄올추출물을100
µg/m
l의농도로3, 6
및9
시간동안처리하여DNA ladder
를확인한결과, Fig.
2
에서처럼6
시간및9
시간처리시DNA
절편화현상을관찰할수있었다
(Fig. 2).
Cell cycle analysis
− 까마귀쪽나무의80%
에탄올추출물에의하여
HL-60
세포의apoptosis
가유도되는지를알아보기위하여세포주기를조사하였다
. HL-60
세포에까마귀쪽나무의80%
에탄올추출물을
25, 50
및100
µg/m
l의농도로48
시간동안처Fig. 1 −
Inhibitory effect of Litsea japonica on the proliferation of cancer cells. The cells (2.5×10
5/m l ) were treated with 25, 50, 75 and 100
µg/m l for 4 days of 80% EtOH extract from L. japonica and the viability was measured by MTT assay.
HL-60 (human promyelocytic leukemia), HL-60/ADR (adriamycin resistant human promyelocytic leukemia), HL- 60/MX2 (mitoxantrone resistant human promyelocytic leukemia), HCT-15 (human colon cancer), SK-OV-3 (human ovary cancer), A549 (human lung cancer), HEL- 299 (human embryonic lung). All experiments were performed in triplicate. Data were presented as a mean
±SD of three separate experiments. * p<0.05, ** p<0.01 compared with the control.
Fig. 2 −
DNA fragmentation by the 80 % EtOH extract of Litsea
japonica in HL-60 cell. HL-60 cells (3.5×10
5/m l ) were
treated with 100
µg/m l of the extract from L. japonica for
3 h, 6 h and 9 hours. The DNA was isolated and subjected
to 1.2% agarose gel electrophoresis and visualized with
ethidium bromide staining.
리한다음
, DNA helix
에결합하여형광을나타내는물질인PI
를처리하여
,
세포주기에서apoptotic
세포,
즉sub-G1 hypodip- loid
세포의증가를유세포분석기로분석하였다.
그결과,
까마귀쪽나무
80%
에탄올추출물을25, 50
및100
µg/m
l의농도로48
시간 처리하였을때,
까마귀쪽나무 추출물에의해sub-G1 hypodiploid
세포가47, 61
및84%
로,
농도의존적으로apopto- sis
세포가증가되는것을확인할수있었다(Fig. 3).
핵의형태학적변화 −
Apoptosis
의형태학적특징중의하나인 핵의변화를관찰하기위하여DNA
에특이적으로결합하는형광염색액인
Hoechst 33342
를사용하여DNA
를염색하고형광 현미경으로관찰하였다.
정상대조군에비하여까마귀쪽나무의80%
에탄올추출물을100
µg/m
l의농도로3, 6, 9, 12
및24
시간처리하였을때시간의존적으로
HL-60
세포의크기가축소 되었으며,
핵의모양이불규칙하고부분적인핵의응집현상을관 찰할수있었다(Fig. 4A).
또한까마귀쪽나무의80%
에탄올추출물을
25, 50
및100
µg/m
l의농도로48
시간처리하였을때도 농도의존적으로HL-60
세포의부분적인핵의응집현상을관찰할수있었다
(Fig. 4B) Bcl-2/Bax발현양상의변화
Apoptosis
의분자적기전을밝히기위해anti-apoptosis protein
으로알려진
Bcl-2
와pro-apoptosis protein
인Bax
의발현을관 찰하였다. Apoptosis
를조절하는데관여하는여러가지유전자산물중에서제일먼저알려진암유발유전자산물의하나인
Bcl-
2
는분자량26 KDa
의단백질로서다른암유전자단백질과는달 리세포증식에는관여하지않고chemoresistance
에중요한역할을담당하여여러종류의자극에대해
apoptosis
를억제하는특이적기능을가지고있다고알려져있다
.
한편Bcl-2 family
에속 하는Bax protein
은apoptosis
를촉진시키는protein
으로밝혀졌다
.
10)Bax
는Bcl-2
와heterodimer
를형성함으로써Bcl-2
의anti- apoptosis effects
를방해한다.
11)따라서본실험에서까마귀쪽나 무의80%
에탄올추출물을처리하여HL-60
세포에서Bcl-2
및Bax
발현양상을조사하였다.
그결과, Fig. 6
에서보는바와같 이,
까마귀쪽나무의80%
에탄올추출물을HL-60
세포에3, 6
및9
시간동안100
µg/m
l의농도로처리하였을때Bcl-2
의발현은6
시간이후부터점차시간의존적으로감소하였으나, Bax
의경 우는그발현이증가함을확인할수있었다(Fig. 5).
Caspase-9
및caspase-3
의활성화현재까지수많은
apoptosis
관련유전자가알려져있는데,
그 중에서도공통적인경로는단백질분해효소의활성과관련이깊 음이알려졌다.
특히시스테인계의단백질분해효소인caspase
가
apoptosis
기작의중심적인요소로여겨지고있다. Caspase
는tetrapeptide motif
를인식하여기질을절단하는cystein protease
로
,
그인식peptide
의특이성에따라여러종류의isoform
이보 고되었다.
이들중caspase-3
가세포사멸분야에서가장보편적 인관심을받아왔다. Caspase-3
는다양한apoptosis
자극에의해서공통적으로활성화될수있으며활성화된
caspase-3
는여러 종류의세포내단백질들을절단할수있다. PARP
는핵내에존재하는효소중에하나로서
,
그촉매부위는apoptosis
를거치는여러세포에서효과적으로
caspase-3
를포함하는여러caspase
에의해
DNA
결합부위로부터절단되어분리된다.
따라서까마Fig. 3 −
The degree of apoptosis represented as the DNA content measured by flow cytometry. The HL-60 cells (2.5×10
5/m l ) were treated
with various concentrations (25, 50 and 100
µg/m l ) of 80% EtOH extract from L. japonica for 48 hours.
귀쪽나무의
80%
에탄올추출물에의해서HL-60
세포의apop- tosis
신호전달과정에서caspase
의활성을통한PARP
분절로apoptosis
를일으키는지를조사하였다. PARP
분절의상부경로에있는
caspase-9
과caspase-3
는apoptosis
가일어날때활성화되 며, caspase-3
가apoptosis
의집행자로서역할을수행하는것으로알려져있다
. Fig. 6
에서처럼, 100
µg/m
l의농도로3, 6
및9
시간처리하여
caspase
의활성형인cleaved caspase
의단백질수 준을조사한결과, 6
시간이후부터활성이증가되었다. Western blot
으로확인한caspase-3
기질의하나인PARP(116 KDa)
는시 간의존적으로caspase-3
의활성도와비례하여, PARP
분해단 백질(85 KDa)
로나타나는것을확인하였다(Fig. 6).
Fig. 4 −
The degree of apoptosis represented as the fluorescent image of nuclei in HL-60 cells by fluorescent microscope.
(A) The HL-60 cells (2.5×10
5/m l ) were treated with 100
µg/m l of 80% EtOH extract from L. japonica for 3, 6, 9, 12 and 24 hours. DNA-specific fluorescent dye, H33342 (10
µg/m l at a final concentration) was directly added to media and apoptosis bodies were observed under inverted fluorescent microscope equipped with a IX-71 Olympus camera. The cells were photographed under microscopy (×400). (B) The HL-60 cells (2.5×10
5/m l ) were treated with 25, 50 and 100
µg/m l of 80% EtOH extract from L.
japonica for 48 hours. DNA-specific fluorescent dye, H33342 (10
µg/m l at a final concentration) was directly added to media and apoptosis bodies were observed under inverted fluorescent microscope equipped with a IX-71 Olympus camera. The cells were photographed under microscopy (×400).
Fig. 5 −
Western blot analyses of Bcl-2 and Bax proteins. The HL- 60 cells (3.5×10
5/m l ) were treated with 100
µg/m l of 80%
EtOH extract from L. japonica for 3, 6, and 9 hours.
Western blots were performed as described in Material and methods.
Fig. 6 −
Western blot analyses of caspase-9, caspase-3 and cleavage
of PARP. The HL-60 cells (3.5×10
5/m l ) were treated with
100
µg/m l of 80% EtOH extract from L. japonica for 3, 6
and 9 hours. Caspase-9, -3 and PARP cleavage were
analyzed by western blotting using specific antibodies.
결 론
본연구에서는까마귀쪽나무의추출물이
HL-60
백혈병세포 에서Bcl-2
의발현감소및caspase
를활성화함으로서apoptosis
를유도하여증식을저해함을밝혔다
.
이와같은연구결과는까 마귀쪽나무추출물이항암제로이용될수있는근거를시사하며,
항암치료제또는예방제의유효성분및그작용기전연구에중 요한기초자료가될것이라고사료된다
.
감사의 말씀
본논문은
2
단계두뇌한국21(Brain Korea 21; BK 21)
의지 원에의해서연구되었다.
참고문헌
1) Tanaka, H., Nakamura, T. and Ichino, K. : Butanolides from Litsea japonica. Phytochemistry
29, 857 (1990).
2) Takeda, K., Sakurawi, K. and Ishii, H. : Components of the Lauraceae family-l. New lactonic compounds from Litsea japonica. Tetrahedron.
28, 3757 (1972).
3) Min, B. C. : Lactones from the leaves of the Litsea japonica and their anti-complement activity. J. Nat. Prod.
66(10), 1388 (2003).
4) Lee, S. Y., Min, B. S., Kim, J. H., Lee, J., Kim, T. J., Kim, C. S., Kim, Y. H. and Lee, H. K. : Flavonoids from the Leaves of
Litsea japonica and their anti-complement activity. Phytotherapy Research
19, 273 (2005).
5) Carmichael, J., Degraff, W. G., Gazdar, A. F., Minna, J. D. and Mitchell, J. B. : Evaluation of a tetrazolium-based semi- automated colorimetric assay: assessment of chemisensitivity testing. Cancer Research
47, 944 (1987).
6) Purohit, A., Hejaz, H. A., Walden, L., MacCarthy-Morrogh, L., Packham, G., Potter, B. V. and Reed, M. J. : The effect of 2- methoxyoestrone-3-O-sulphamate on the growth of breast cancer cells and induced mammary tumours. Int. J. Cancer.
85, 584 (2000).
7) Nicoletti, I., Migliorati, G., Pagliacci, M. C., Grignani, F. and Riccardi, C. : A rapid and simple method for measuring thymocyte apoptosis by propidium iodide staining and flow cytometry. J. Immunol. Methods
139, 271 (1991).
8) Luo, Y. and Kessel, D. : Initiation of apoptosis versus necrosis by photodynamic therapy with chloroaluminum phthalocyanine.
Photochem. Photobiol.
66, 479 (1997).
9) Bradford, M. M. : A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal. Biochem.
72, 248 (1976).
10) Korsmeyer, S. J., Yin, X. M., Oltvai, Z. N., Veis-Novack, D. J.
and Linette, G. P. : Reactive oxyden species and the regulation of cell death by the Bcl-2 gene family. Biochem. Biophys. Acta.
1271