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The Effects of Litsea japonica on the Induction of Apoptosis in HL-60/ADR

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40(1) : 65 69 (2009)

65

까마귀쪽나무(Litsea japonica)의 HL-60/ADR 세포 Apoptosis 유도효과

김엘비라·부혜진·현재희·김상철·강정일·김민경·유은숙·강희경

*

제주대학교의학전문대학원약리학교실

,

의과학연구소

The Effects of Litsea japonica on the Induction of Apoptosis in HL-60/ADR 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, Jeju National University, 66 Jejudaehakno, Jeju 690-756, South Korea.

Abstract −

The present study investigated the antiproliferative effect of Litsea japonica in HL-60/ADR, adriamycin resistant human promyelocytic leukemia cells. The 80 % ethanol extract of L. japonica markedly inhibited the growth of HL-60/ADR cells. When HL-60/ADR cells were treated with the extract, several apoptosis events like as DNA fragmentation, chromatin condensation and the increase of the population of sub-G1 hypodiploid cells were observed. In the mechanism of apoptosis induction by L. japonica , we examined the changes of Bcl-2 and Bax protein expression levels, and activation of caspases. After the HL-60/ADR cells were treated with the extract, the Bcl-2 expression was decreased, whereas the expression of Bax was increased in a time-dependent manner compared to the control. In addition, the active forms of caspase-9 and -3 were increased and the cleavage of poly (ADP-ribose) polymerase, a vital substrate of effector caspase, was observed. The results suggest that the inhibitory effect of L. japonica on the growth of the HL-60/ADR appears to arise from the induction of apoptosis via the down-regulation of Bcl-2 and the activation of caspases.

Key words −

Litsea japonica , HL-60/ADR, Apoptosis, Bcl-2, Caspases

항암물질에대한개발기전에대한연구가활발해 지면서

,

효과적인암치료가이루어지고있지만새롭게대두

되고있는문제점은자체의다양성발병기전의다양 화로인해생기는부작용과항암제에대한암세포의내성

(resistance)

이다

.

항암제에대한내성은장기적인항암제

용으로약물에노출된세포들의세포내축적을감소시키거

,

1,2)해독작용또는배출을활성화하거나

,

3,4)표적이되는

단백질을변형5)시키는등의여러가지기작을통하여 어나게된다

.

까마귀쪽나무

( Litsea japonica (Thunb.) Jussieu)

상록엽

소교목으로서수직적으로표고

700 m

이내의바닷가

기슭에분포한다

.

식물의화학적구성에대한기존의

구에서

,

여러 종류의

essential oils, fatty acids, lactones, alkaloids

terpenoids

발견되었다고보고된바가있다

.

6,7)

Lactones

종류로 알려진

hamabiwalactone A, hamabiwa-

latone B, akolactone B, litsealactone A

litsealactone B

분리되었다

.

8)또한

,

잎으로부터분리된

flavonoids

성분인

epicatechin, afzelin, quercitrin

tiliroside

anti-complement activity

조사한결과

, tiliroside

complement system

가장강력한억제작용을나타냄이보고되었다

.

9)한국에

까마귀쪽나무는식용으로사용하였다는보고가있으나

,

어떤용도로사용하였는지에대한연구보고는미미한 정이므로식물에대한항암효능을비롯한생리활성을 색하는연구가필요하다

.

연구에서는까마귀쪽나무

80%

에탄올추출물을사용

하여 항암제인

adriamycin

내성을 가지고있는

HL-60/

ADR (adriamycin resistant human promyelocytic leukemia)

세포의 증식억제효과를조사하였다

.

또한까마귀쪽나무

80%

에탄올추출물의

HL-60/ADR

세포에대한세포증식억

효과가

apoptosis

유도에의한것인지알아보기위하여

,

핵의형태학적변화

, DNA

절편화

DNA content

변화를

알아보았으며

, apoptosis

유도신호전달기전에중요한

Bcl- 2

Bax

증가와이에따른

caspase-9, caspase-3 protease

*교신저자(E-mail):[email protected] (Tel):064-754-3846

(2)

활성화를조사하였다

.

이와같은연구로

HL-60/ADR

세포

같이항암제에대해내성을가지고있는내성암세포주에 대한까마귀쪽나무추출물의항암효과를밝혀

,

효과적인

암물질개발의재료로사용가능한근거를제시하고자하였다

. 실험 방법

까마귀쪽나무, 환삼덩굴, 호랑가시나무 및 유칼립투스의 추출물 제조 − 제주도의해안가에자생하는까마귀쪽나무

( L. japonica )

잎을

2005

11

월경에채집하여시료

185g

음지에서건조시킨

,

마쇄기로분쇄하여각각의미세

시료를

80%

에탄올에침적하고초음파를이용하여

1

간씩

3

추출하였으며

,

상층액을회수하여감압

축하여얻은

(43 g)

에탄올추출물을

2007

제주생물종

양성연구소로부터분양받았다

.

실험에서는추출물

PBS (phosphate-buffered saline)/

에탄올

(1:1)

용해시킨

원하는농도에따라실험용배지로희석하여사용하였

.

그리고환삼덩굴

( Humulus japonicas Siebold & Zucc.) 80%

메탄올추출물

,

호랑가시나무

( Ilex cornuta Lundi. &

Paxton) 80%

메탄올 추출물 유칼립투스

( Eucalyptus globulus Labill.) 100%

메탄올추출물또한제주생물종

양성연구소로부터분양받아사용하였으며

,

분양받은

각의 추출물들을

PBS (phosphate-buffered saline)/

메탄올

(1:1)

용해시킨원하는농도에따라실험용배지로

석하여사용하였다

.

세포 배양 −

HL-60/ADR (adriamycin resistant human promyelocytic leukemia)

세포는내성세포연구센터

(Research Center for Resistant Cell)

로부터분양받아서사용하였다

. 100 units/ml

penicillin-streptomycin (GIBCO Inc, Grand Island, NY, USA)

10% heat-inactivated fetal bovine serum (FBS; GIBCO Inc, Grand Island, NY, USA)

첨가

RPMI 1640

배지를사용하여

37

o

C, 5% CO

2

, humidified incubator

에서 배양하였으며

,

계대배양은

70~80%

confluence

되는

3~4

일마다한번씩시행하였다

.

세포 독성 측정 − 여러식물추출물에의한

HL-60/ADR

세포의성장증식에대한효과를

MTT [3-(4,5-dimethylthiazol- 2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide] assay

이용하여

색하였다

.

10)살아있는암세포

mitochondria

탈수소효소

작용에의하여수용성의노란색

MTT

환원되어형성되는

자주색을띠는비수용성의

formazan

microplate (ELISA) reader

540 nm

에서흡광도를측정하여

,

대사적으로왕성하

생존하는세포를조사하였다

. HL-60/ADR (2.5×10

5

cells/

ml)

세포를

96 well plate

넣고 여러 식물 추출물을

100

µ

g/ml

농도로처리하였다

.

이를

4

일간배양한

, MTT (Sigma chemical Co., St. Louis, USA) 50

µ

l (2 mg/ml)

첨가하고

4

시간동안반응시킨

, 1000 rpm

에서

10

분간

원심분리 상층액을 제거하였다

.

dimethyl- sulfoxide (DMSO: Sigma chemical Co., St. Louis, USA) 150

µ

l

가하여침전물을용해시킨다음

, microplate reader (Amersham Pharmacia Biotech, NY, USA)

사용하여

540 nm

에서흡광도를측정하였다

.

시료군에대한평균

흡광도값을구하여

,

대조군의흡광도값과비교하여세포

증식억제정도를조사하였다

.

세포주기변화 측정 − 까마귀쪽나무

80%

에탄올추출물을

HL-60/ADR (2.5×10

5

cells/ml)

세포에 농도별

(25, 50

100

µ

g/ml)

처리한다음

, 48

시간동안배양한

,

세포를

수확하여

PBS

세척하였다

.

70%

에탄올로

-20

o

C

30

동안 고정시키고

, PBS

세척한다음

RNase A (1 mg/ml)

처리한

propidium iodide(PI: Sigma chemical Co., St. Louis, USA)

염색하고

, COULTER

®

EPICS

®

XL

TM

Flow Cytometer(Coulter, Miami, FL, USA)

사용하

세포주기를분석하였다

.

핵의 형태학적 변화 관찰 − 까마귀쪽나무

80%

에탄올

출물을

HL-60/ADR (2.5×10

5

cells/ml)

세포에농도별

(25, 50

100

µ

g/ml)

처리한다음

, 48

시간동안배양하였다

.

DNA

특이적으로결합하는형광색소인

Hoechst 33342 (H33342: Sigma chemical Co., St. Louis, USA)

(1

µ

g/ml)

가하여

37

o

C

에서

10

분간염색한형광현

미경

(IX-71, Olympus, Japan)

하에서관찰하였다

.

11)

Western Blot Analysis − 까마귀쪽나무

80%

에탄올

출물을

100

µ

g/ml

농도로처리한다음

3, 6, 9

12

시간

동안배양하고

,

세포를수확한

PBS (phosphate-buffered saline)

2~3

세척하였다

.

500

µ

l

lysis buffer

첨가한다음

, 1

시간동안

lysis

시킨

12,000 rpm

에서

15

분간원심분리하여상층액을얻었다

.

단백질의농도는

BSA (bovine serum albumin)

표준물질로 사용하여

Protein Assay Kit (BIO-RAD, HC, USA)

정량하였다

.

12)

20~30

µ

g

lysate

12% mini gel SDS-PAGE (Sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis)

변성

분리하여

polyvinylidene difluoride membrane (BIO-RAD, HC, USA)

200 mA

2

시간동안

transfer

하였다

.

그리고

5% skim milk

함유된

TTBS (TBS+0.1% Tween 20)

액에서

membrane

blocking

overnight

실시하였다

. Bcl- 2

발현량을 검토하기 위하여

mouse monoclonal anti- human Bcl-2 Ab (1:1000) (Santa Cruz Biotech, MA, USA)

항체를

, Bax

발현량을 검토하기 위하여

rabbit polyclonal anti-human Bax Ab (1:1000) (Santa Cruz Biotech, MA, USA)

항체를

, PARP

발현량을검토하기

하여

rabbit polyclonal anti-human PARP Ab (1:1000)

(Santa Cruz Biotech, MA, USA)

항체를사용하였다

.

또한

caspase-3

발현량을검토하기위하여

rabbit polyclonal anti-

human caspase-3 Ab (1:1000) (Cell Signaling Technology,

(3)

Beverly, MA, USA)

항체를

, caspase-9

발현량을검토하기

위하여

rabbit polyclonal anti-human caspase-9 Ab (1:1000) (Cell Signaling Technology, Beverly, MA, USA)

항체를사용하였다

.

각각의항체들은모두

TTBS

용액에

석하여사용하였으며

,

상온에서

2

시간동안반응을진행하

였다

. 2

항체로는

HPR (Horse Radish Peroxidase)

결합

anti-rabbit IgG (American Prarmacia Biotech, NY, USA)

anti-mouse IgG (American Pharmacia Biotech, NY, USA)

TTBS

용액에희석

(1:5000)

하여사용하였으며

,

상온에서

30

동안 반응을진행하였다

.

TTBS

membrane

3

세척한

, ECL

기질

(American Pharmacia Biotech, NY, USA)

1~3

분간반응시킨다음

X-ray

필름

감광하였다

.

통계처리 − 표시된결과들은

3

이상의독립적인실험

결과들이며

,

각각의데이터를

mean±standard error

값으로

나타내었다

. Student’s t-test

사용하여실험군사이의통계

유의성검증을평가하였다

. 결과 및 고찰

세포 증식 저해 효과

항암제인

adriamycin

내성을가지고있는암세포인

HL-

60/ADR

세포의증식에대한여러식물추출물의효과를

정하기위하여

MTT assay

이용하였다

. HL-60/ADR

세포

주에까마귀쪽나무

80%

에탄올추출물

3

종의추출물을

처리하여세포증식저해효과를조사하였다

(Fig. 1).

각각

추출물을

100

/

㎖ 의 농도로처리하였을

, HL-60/

ADR

세포증식저해효과는까마귀쪽나무

( L. japonica )

80%

에탄올 추출물의 경우는

64.5%,

환삼덩굴

( H.

japonicus ) 80%

메탄올추출물의경우는

17.3%,

호랑가시

나무

( I. cornuta ) 80%

메탄올추출물의경우는

37.7%,

칼립투스

( E. globulus ) 100%

메탄올추출물의경우는

6.6%

저해효과를보였다

.

저해효과가가장높은까마귀

Fig. 1.

Inhibitory effect of several extracts of plants on the growth of HL-60/ADR cells.

HL-60/ADR cells (2.5×10

5

/ml) were treated for 4 day with 100

µ

g/ml of the extracts in 96-microwell plates. After incubation, MTT [3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide] was added and incubation was continued for further 4 hours. The formazan salt formed was dissolved in dimethyl- sulfoxide, and quantified using a microplate reader at 540 nm.

Data were presented as a mean±SD from three separate experiments. *p<0.05, **p<0.01 compared with the control.

Concentration Cell cycle arrest (%)

(

µ

g/ml) Sub-G1(M1) G0/G1 (M2) S (M3) G2/M (M4)

A. control 18.68 41.94 23.95 15.96

B. 25 19.31 45.60 22.28 13.27

C. 50 22.00 41.88 22.65 13.90

D 100 31.28 36.04 21.27 11.96

Fig. 2.

The degree of apoptosis represented as the DNA content measured by flow cytometric analysis.

The HL-60/ADR cells (2.5×10

5

/ml) were treated with various concentrations (25, 50 and 100

µ

g/ml) of 80% EtOH extract from L.

japonica for 48 hours.

(4)

쪽나무

80%

에탄올추출물은정상세포인

HEL-299

에서

저히낮은세포증식억제효과를나타냄을이미보고하였

.

13)이는정상세포에대하여까마귀쪽나무

80%

에탄올

출물이독성을갖지않는것으로판단할있다

.

Adriamycin

내성을갖는

HL-60/ADR

성장저해

과가탁월한까마귀쪽나무

80%

에탄올 추출물의작용이

HL-60/ADR

apoptosis

유도에의한것인지를조사하였다

.

Apoptosis 유도효과

세포주기변화 측정 −

HL-60/ADR

세포에서까마귀쪽나무

80%

에탄올추출물이

apoptosis

유도하는지를알아보

위하여세포주기를조사하였다

. HL-60/ADR

세포에

마귀쪽나무의

80%

에탄올추출물을

25, 50

100

µ

g/ml

농도로

48

시간 처리한

, apoptosis

측정하기 위하여

DNA helix

결합하여형광을나타내는물질인

PI

처리

하여

,

세포주기에서

apoptotic

세포인

sub-G1 hypodiploid

포의증가를유세포분석기로분석하였다

.

결과

,

까마귀

쪽나무

80%

에탄올추출물을

25, 50

100

µ

g/ml

농도로

48

시간처리하였을

,

까마귀쪽나무추출물에의해

sub-G1 hypodiploid

세포가

19, 22

31%

,

농도 의존적으로

apoptosis

세포가증가되는것을확인할있었다

(Fig. 2).

핵의 형태학적 변화 −

DNA

특이적으로결합하는형광

염색액인

Hoechst 33342

사용하여

apoptosis

형태학적

특징중의하나인핵의변화를관찰하였다

. Hoechst 33342

DNA

염색하고형광현미경으로관찰한결과

,

까마귀

쪽나무의

80%

에탄올추출물을

25, 50

100

µ

g/ml

도로

48

시간동안처리하였을

,

정상대조군에비하여

의존적으로

HL-60/ADR

세포의크기가축소되었으며

,

핵의모양이불규칙하고부분적인핵의응집현상을관찰할 있었다

(Fig. 3).

Bcl-2/Bax 발현 양상의 변화

까마귀쪽나무

80%

에탄올추출물에의한

HL-60/ADR

apoptosis

유도의분자적기전을밝히기위하여

Bcl-2

Bax

발현을조사하였다

. Apoptosis

조절하는유전자산물

제일먼저알려진암유발유전자산물의하나인

anti-

apoptosis protein Bcl-2

분자량

26 KDa

단백질로서

포증식에는관여하지않고

chemoresistance

중요한역할

담당하여여러종류의자극에대해

apoptosis

억제하

특이적기능을가지고있다고알려져있다

.

반면

Bcl-2

family

속하는

pro-apoptosis protein Bax protein

apoptosis

촉진시키는

protein

으로밝혀졌다

.

11)

Bax

Bcl-2

anti- apoptosis effects

방해하는것으로알려져있다

.

14)

Fig. 4

에서 보는바와같이

, HL-60/ADR

세포에까마귀쪽나무

80%

에탄올추출물을

3, 6, 9

12

시간동안

100

µ

g/ml

농도로처리하였을

Bcl-2

발현은

9

시간이후부터

시간의존적으로감소한반면

Bax

경우는발현이

차이가없었다

(Fig. 4).

Caspase-9 및 caspase-3의 활성화

현재수많은

apoptosis

관련유전자가알려져있음에도

구하고

,

공통적인경로는단백질분해효소의활성과

관련이깊음이알려졌다

.

특히

caspase

apoptosis

기작의

중심적인요소로여겨지고있다

. Tetrapeptide motif

인식

하여기질을절단하는

caspase

cystein protease

,

peptide

특이성에따라여러종류의

isoform

보고되

었다

.

이들

Caspase-3

다양한

apoptosis

자극에의해서

Fig. 3.

The degree of apoptosis represented as the fluorescent image of nuclei in cells by fluorescent microscope.

The HL-60/ADR cells (2.5×10

5

/ml) were treated with 100

µ

g/

ml of 80 % EtOH extract of L. japonica for 48 hours. DNA- specific fluorescent dye, H33342 (10

µ

g/ml medium at final) 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 (X 400).

Fig. 4.

Western blot analyses of Bcl-2 and Bax proteins.

The HL-60/ADR cells(3.5×10

5

/ml) were treated with 100

µ

g/

ml of 80% EtOH extract of L. japonica for 3, 6, 9 and 12

hours. Western blots were performed as described in Material

and methods.

(5)

공통적으로활성화될있으며활성화된

Caspase-3

여러

종류의세포단백질들을절단할있다

.

내에존재

하는효소하나인

PARP

촉매부위는

apoptosis

진행

되는여러세포에서효과적으로

caspase-3

포함하는여러

caspase

의해

DNA

결합부위로부터절단되어분리된다

. Caspase-9

caspase-3

PARP

분절의상부경로에있는

으로서

, apoptosis

일어날 활성화되며

, caspase-3

apoptosis

집행자의역할을하는것으로알려져있다

.

실험에서까마귀쪽나무

80%

에탄올추출물을

100

µ

g/ml

농도로

3, 6, 9

12

시간동안처리하여

caspase

활성형

cleaved caspase

단백질수준을조사한결과

, Fig. 5

서처럼

9

시간이후부터활성이증가됨을확인할있었다

.

또한

caspase-3

활성도와 비례하여

, caspase-3

기질의

나인

PARP (116 KDa)

시간의존적으로

PARP

분해단백

(85 KDa)

나타나는것을확인하였다

(Fig. 5).

결 론

연구에서는까마귀쪽나무의추출물이

adriamycin

성을가지고있는

HL-60/ADR

세포에서

Bcl-2

발현감소

caspase

활성화함으로서

apoptosis

유도하여증식을

저해함을밝혔다

.

이와같은연구결과는까마귀쪽나무추출

물이항암제에내성을가지고있는내성암세포주에대한 암제로이용될있는근거를시사하며

,

항암치료제또는

예방제의유효성분작용기전연구에중요한기초자 료가것이라고사료된다

.

사 사

논문은

2

단계두뇌한국

21(Brain Korea 21; BK21)

지원에의해서연구되었다

.

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(2009년 3월 6일) Fig. 5.

Western blot analyses of caspase-9, caspase-3 and

cleavage of PARP.

HL-60/ADR cells (3.5×10

5

/ml) were treated with 100

µ

g/ml of 80% EtOH extract of L. japonica for 3, 6, 9 and 12 hours.

Caspase-9, -3 and PARP cleavage were analyzed by western

blotting using specific antibodies.

수치

Fig. 2. The degree of apoptosis represented as the DNA content measured by flow cytometric analysis.
Fig. 3. The degree of apoptosis represented as the fluorescent image of nuclei in cells by fluorescent microscope

참조

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