FSHW | 大蒜及其活性成分的信号转导级联调控作用综述

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Abstract

高通量技术与基于质谱的蛋白质组学和数据分析的现代结合，使疾病表型的全面表征及其通过膳食剂和生物活性分子的机制调节在前所未有的维度和分辨率上得以实现。营养基因组学领域的非凡突破使我们的理解达到了一个新的成熟水平。跨学科研究人员广泛分析了大蒜（Allium sativum）的健康促进和药理意义。重要的是，大蒜及其生物活性化学物质靶向致癌信号级联反应。在这篇综述中，试图总结大蒜及其生物活性成分如何调节细胞培养研究和荷瘤小鼠的信号转导级联。

Introduction

前沿研究帮助我们识别和全面表征失调的细胞信号通路，从而更好地了解其在癌变和转移中的广泛作用。近年来的突破性发现全面表征了各种癌症的临床病理特征以及基因组和蛋白质组学方面的复杂性。从各种癌症中细胞信号级联的开创性科学工作中获得的机制见解使研究人员能够更深入地了解癌症的异质性。细胞生理对环境和细胞内信号的微调需要高度精确和复杂的基因网络时空控制表达。这些途径通过广泛的串扰和整合实现了相当程度的选择性和多样性。最近对共享成分如何独立调节以及一个系统的活性如何被其他系统所影响的机制见解，极大地增强了对不同致癌信号级联在不同癌症中运作的机制的理解。重要的是，信号转导级联的组成部分具有高度的自主性和通路保真度。药物开发人员一直在追求下一代的癌症靶点。揭示天然产物和膳食制剂调控细胞信号通路的前沿研究呈指数级增长。大蒜（Allium sativum）的提取物和生物活性成分已被证明可靶向致癌转导级联反应。大蒜含有多种生物活性化合物，如大蒜素、大蒜素、二烯丙基硫化物、二烯丙基二硫化物、二烯丙基三硫化物和s-烯丙基半胱氨酸。关于大蒜在多种癌症中的化学预防作用，已有一些较好的报道。然而，在本综述中专门讨论了信号级联在癌症中的调节作用。已经全面提供了一个关于大蒜生物活性成分在不同癌症中调节不同信号通路的关键发现的纲要。本文总结了大蒜对JAK/STAT、NF-κB和PI3K/AKT通路的调控作用。还讨论了大蒜对内质网应激相关途径和非编码RNA的调控，此外，还讨论了目前关于大蒜衍生生物分子在动物模型中的肿瘤抑制和转移抑制作用的知识。

大蒜化学预防特性综述

大蒜类生物活性分子的癌症化学预防作用已引起广泛关注。基于大蒜的生物分子被用作药物设计的模板。胃癌池（StoP）项目b对葱类蔬菜摄入与胃癌风险进行了评价。然而，大蒜的化学预防作用还需要更多的机制研究。据报道，食用大蒜及其含硫化合物，如大蒜素，与降低患前列腺癌的风险有关。对肿瘤患者前列腺组织中蒜素及其代谢物的浓度进行了测定。然而，这些发现需要更多的证据和精心设计的研究来详细了解。据报道，食用大蒜的保护作用可以降低患结肠直肠癌的风险。抑制NRF2及其靶基因是预防或逆转放疗诱导的非小细胞肺癌复发转移的有效途径。二烯丙基二硫醚通过抑制NRF2信号减弱电离辐射诱导癌细胞的迁移和侵袭潜能。二烯丙基二硫醚和三烯丙基二硫醚与CD151细胞外环的结合能为-4.0 kcal/mol，与跨膜结构域的结合亲和度分别为11.7和13.6 kcal/mol。

JAK-STAT途径

对JAK/STAT信号通路的分子基础的深入了解已经引起了人们极大的兴趣，这不仅是为了分子和临床研究的目的，也是为了完善试验对这一级联如何在癌变中发挥重要作用的相关知识。细胞因子结合导致JAK的激活，进而使细胞因子受体磷酸化。随后，这个过程促进STAT蛋白的结合。这些DNA结合蛋白被酪氨酸磷酸化，进行二聚化，并转运到细胞核中进行靶基因网络的转录调控。二烯丙基二硫醚诱导结肠癌结肠205细胞中STAT1的表达。结果表明，STAT1沉默的癌细胞中，二烯丙基二硫醚介导的细胞凋亡受损。STAT1已被证明在致癌过程中发挥双重作用，STAT1介导的功能在二硫二烯丙基处理的癌细胞系中需要进行详细的测试。SHP-1（含SH2结构域的蛋白磷酸酶）参与了大蒜素对STAT3磷酸化的抑制（图1）。在SHP-1沉默的HuCCT-1细胞中，大蒜素介导的STAT3磷酸化抑制作用被消除。腹腔注射大蒜素可显著损害皮下接种HuCCT-1细胞小鼠的肿瘤生长（图1）。

图1（A）大蒜衍生生物分子对JAK/STAT通路的调控，JAK介导的STAT蛋白磷酸化，而SHP-1使STAT蛋白去磷酸化；（B）蒜素触发SHP-1介导的STAT3失活，STAT3已被证明可以通过转录上调MCL1、BCL2和BCL-XL；（C）大蒜素对皮下接种HuCCT-1细胞的小鼠肿瘤生长有抑制作用

二烯丙基三硫化物介导的对组成型和白细胞介素（IL）-6介导的p-STAT3核积累的抑制以及对STAT3二聚体形成的抑制。二烯丙基三硫醚有效地降低了雄性TRAMP小鼠低分化癌症的发病率和负担，而不会引起毒副作用或体重减轻。大蒜素对氮氧甲烷/葡聚糖硫酸钠（AOM/DSS）结直肠癌小鼠模型的肿瘤发生有抑制作用。与对照组相比，在每一轮DSS暴露中给予大蒜素的小鼠体重减轻较少。此外，与模型组小鼠相比，大蒜素治疗小鼠的恢复速度更快。大蒜素对小鼠肿瘤的大小和数量有明显的抑制作用。此外，大蒜素治疗小鼠的平均肿瘤负荷显著降低。组织学检查显示，大蒜素可显著降低结肠组织中炎症细胞的浸润率。此外，大蒜素对小鼠黏膜增生和发育不良有明显的改善作用。重要的是，p-STAT3的水平被注意到大蒜素的浓度依赖性降低。此外，大蒜素还下调了MCL1、BCL2和BCL-XL的表达（图1）。STAT3信号是致癌的，现有的证据提供了从大蒜中提取的生物分子药物靶向JAK/STAT信号的概念证明。JAK/STAT信号通路是治疗癌症和转移的一个有希望的治疗靶点。

NF-κB途径

转录因子NF-κB激活的经典途径是由IKK复合物控制的。这种多组分机制由两种活性激酶（IKKα和IKKβ）和一种称为NEMO（IKKγ）的调节分子组成。IKK复合物的激活导致lκBα的磷酸化，其被蛋白酶体机制泛素化和降解，使NF-κB转运到细胞核并激活靶基因网络的转录。二烯丙基三硫醚通过抑制IKKβ磷酸化来抑制IKK复合物（图2）。IKKβ是IKK复合物的催化亚基，可触发IkBα的直接磷酸化以降解。本质上，作为一种泛素连接酶，TRAF6通过TRAF6的多泛素化而自动激活，并通过激活TAK1-TAB2复合物诱导IKKβ磷酸化。TRAF6催化合成K63-TRAF6和IKKγ的多泛素化。这些K63连接的多泛素链作为TAK1-TAB2复合物募集的支架。三硫二烯丙基略微降低TRAF6多泛素化作用，但显著降低TRAF6水平。二烯丙基三硫化物诱导HeLa细胞中TRAF6的不稳定。此外，蛋白酶体抑制剂MG132阻碍了三硫二烯丙基诱导的TRAF6的失稳。三硫二烯丙基通过蛋白酶体机制诱导TRAF6降解，三硫二烯丙基介导的TRAF6下调抑制IKKβ磷酸化和IKK复合物的激活。此外，IKK失活导致IκBα活化，不允许NF-κB的核积累。二烯丙基三硫化物抑制原发性积液淋巴瘤-异种移植SCID啮齿动物模型腹膜腔内的腹水和KSHV感染的腹水细胞的发展。

越来越多的人认识到，负调节因子本身是由一个复杂的相互作用网络控制的，该网络调节了它们对NF-κB信号传导的影响。进一步了解NF-κB和其他转导级联之间复杂的生化、功能和病理生理相互作用可能有助于避免未来的此类失败。髓系锌指1（MZF1）与金属硫蛋白2A（MT2A）同步作用，转录上调IқB。MT2A也被证明可以上调MZF1的表达。三硫二烯丙基促进了MT2A和MZF1的相互作用以及IқB在胃癌细胞中的转录上调（图2）。本质上，MZF1过表达导致皮下注射过表达MZF1的BGC823癌细胞的小鼠的肿瘤移植体积显著减少。三硫二烯丙基增加了H3K9ac和H4K5ac，同时HDAC1/2水平下降。二烯丙基三硫醚降低HDAC水平，并有效增强MT2A基因的组蛋白超乙酰化。MT2A转录刺激BGC823癌细胞中IκBα的表达。二烯丙基三硫醚处理可提高小鼠肿瘤组织中MT2A和IκBα的水平，促进IκBα的去磷酸化。免疫组化评价BGC823肿瘤异种移植切片显示，三硫二烯丙基和多西他赛联合治疗后，MT2A和I-κbα的表达增加。三硫二烯丙基剂量依赖性下调MMP2和MMP9。在三硫二烯丙基处理的MDA-MB-231癌细胞中发现IBα磷酸化减少。IκB不允许NF-κB的核积累和随之而来的MMP2/9的上调。将MDA-MB-231癌细胞注入胚胎卵泡周腔。癌细胞在斑马鱼全身扩散。暴露于不同剂量的二烯丙基三硫醚后，MDA-MB-231癌细胞的播散灶数量和转移灶的最大距离均显著减少。二烯丙基二硫醚抑制GSK-3β，抑制NF-κB的活化和核定位。重要的是，前体蛋白p105在细胞质中保留了NF-κB异源二聚体。有趣的是，GSK-3β磷酸化p105并加速p105到p50的蛋白水解。此外，成纤维细胞中GSK-3β的下调导致NF-κB的抑制。

PI3K/AKT/mTOR

PI3K（磷脂酰肌醇3-激酶）是响应细胞外刺激的细胞内转导级联反应的关键调节因子。PI3K通路的过度激活是不同癌症中最常见的机制之一。二硫二烯丙基有效地提高了MG-63细胞中LC3B-II的水平，LC3B-II是自噬体形成的一个指标。3-甲基腺嘌呤（3-MA）通过阻断III类磷脂酰肌醇3-激酶在早期阶段抑制自噬体的形成。因此，经3-甲基腺嘌呤治疗后，二烯丙基二硫化物介导的LC3-II水平升高明显降低。二烯丙基二硫醚降低骨肉瘤细胞中p-AKT、p-mTOR和p-p70S6K的水平。s-丙氨酸半胱氨酸显著抑制A549细胞皮下移植啮齿动物模型肿瘤组织中AKT/mTOR信号级联的激活。在移植BGC-823癌细胞的啮齿动物模型中，二烯丙基三硫醚可明显降低肿瘤发生和AKT磷酸化水平。二烯丙基三硫醚也有效地降低了DU145癌细胞中AKT介导的BAD丝氨酸-155位点磷酸化。在去磷酸化的形式中，BAD定位于线粒体外膜。在线粒体中，它结合并拮抗促生存蛋白BCLXL（BCL2家族成员）。研究结果表明，生长因子介导的BAD磷酸化导致其细胞质滞留。14-3-3蛋白与细胞内磷酸化的BAD相互作用，阻止BAD与抗凋亡BCL2家族成员的相互作用。此外，在三硫二烯丙基处理的DU145和PC-3癌细胞中，BAD和14-3-3β之间的蛋白相互作用明显受到抑制。三硫二烯丙基促进BAD的线粒体运输。重要的是，组成活性PKB/AKT的异位过表达可显著预防三硫二烯丙基诱导的凋亡。s-丙氨酸半胱氨酸剂量依赖性地抑制AKT和mTOR的磷酸化水平。s-丙氨酸半胱氨酸也显著降低了口腔癌CAL-27细胞皮下接种小鼠肿瘤组织中IκBα的磷酸化水平。大蒜的生物活性成分将有助于开发合理设计的组合疗法，这将是克服代偿途径激活和获得性耐药机制以及最大化PI3K抑制剂抗癌活性所必需的。

内质网应激途径的调控

结构和功能研究表明，蛋白激酶rna样ER激酶（PERK）、肌醇要求酶1α（IRE1α）和激活转录因子6（ATF6）是重要的应激传感器，据报道参与调节ubr依赖性反应。从机制上讲，已经证明内质网跨膜蛋白通过不同的途径将信号传导到细胞质和细胞核，以恢复蛋白质折叠相关机制。IRE1α RNase活性处理XBP1 mRNA，上调蛋白折叠、蛋白质量控制、细胞器生物发生和er相关蛋白降解（ERAD）的靶基因子集。IRE1α还通过一种称为调节IRE1依赖性衰变（RIDD）的独特机制选择性地降解不同的mRNA。功能性活性PERK通过磷酸化eIF2α来减弱蛋白质的合成。磷酸化的EIF2α选择性地翻译ATF4 mRNA，其编码的转录因子转录控制广泛的基因参与各种生物活动，包括凋亡，氨基酸代谢和自噬。

据报道，BCL2磷酸化可阻止BAX-BCL2的异源二聚化。因此，未结合的BAX蛋白可形成同型二聚体，从而诱导细胞凋亡。磷酸CL2（丝氨酸-70）在三硫二烯丙基处理的癌细胞中显著增加。三硫二烯丙基增加了细胞色素c和APAF1的水平（图3）。这两种分子形成了激活caspase-9和caspase-3的信号体。OMI/HTRA2是一种丝氨酸蛋白酶，它含有一个氨基末端的线粒体靶向序列，在易位时被移除，暴露出一个四肽的内酰胺结合基序（IBM）。三硫二烯丙基显著增强了癌细胞线粒体中OMI/HTRA2、AIF（凋亡诱导因子）和Endo G的释放（图3）。

非编码RNA的调控

从本质上讲，科学界已经发生了观念上的转变，并且在范式上超越了分子生物学“中心教条”的经典观点。技术进步帮助研究人员发现了具有特征和功能的新型非编码RNA。不同类型的非编码rna已被表征，包括微RNA（miRNAs）、长链非编码RNA和环状RNA。二烯丙基硫代亚硫酸酯和地塞米松联合降低多发性骨髓瘤MM细胞中PI3K、p-AKT和p-mTOR的水平。然而，二烯丙基硫代亚硫酸酯和地塞米松并没有降低miR-1273p沉默的多发性骨髓瘤细胞中PI3K、p-AKT和p-mTOR的水平。总的来说，这些发现表明miR-127-3p对于二烯丙基硫代亚硫酸酯和地塞米松介导的MM细胞抑制作用是必需的。miR-34a是一种备受推崇的肿瘤抑制miRNA。瘤内注射miR-34a可延长A549细胞移植小鼠的存活时间。对miR-34a介导的肿瘤抑制作用的广泛分析揭示了临床可靶向的基因网络。

SRC敲低导致SRC水平显著降低，从而抑制Ras-GTP和p-ERK1/2水平。然而，SRC过表达导致SRC水平升高，从而导致Ras-GTP和p-ERK1/2增加。miR-34a过表达导致MDA-MB-231癌细胞中SRC水平下降，Ras-GTP活性降低，随后p-ERK1/2水平下降。miR-34a已被证明直接靶向SRC。二烯丙基二硫醚（DADS）刺激miR-34a的表达。此外，二烯丙基二硫和miR-34a在皮下接种MDA-MB-231癌细胞的小鼠中模拟了协同诱导的肿瘤肿块收缩。它会变热的在最先进的动物模型中测试大蒜衍生生物分子和miR-34a模拟物的功效具有药用价值，以推动对转移生物学的整体理解，这将最终导致发现新的治疗前景。另一个重要的肿瘤抑制microRNA是miR-134，具有显著的特征。中药中药如益平（RYP）在动物模型中显著降低肿瘤大小和肺转移。乳夷平通过上调肿瘤抑制因子miR-134发挥抗转移作用。不同的lncrna和circrna已被证明可以抑制miR-134介导的肿瘤抑制作。二烯丙基二硫上调miR-134在骨肉瘤细胞中的表达。然而，在移植了U2OS细胞的小鼠中，miR-134的抑制作用削弱了二烯丙基二硫化物介导的肿瘤抑制作用。miR-134直接抑制FOXM1，抑制骨肉瘤细胞的侵袭潜能。大蒜及其生物活性成分对非编码rna的调控作用尚缺乏证据。未来的研究工作应该集中在鉴定目标肿瘤抑制因子和致癌非编码RNA上，以从概念上解释大蒜及其成分的癌症化学预防作用。

转移抑制作用

包被二烯丙基三硫化物的细胞外微颗粒显示出抑制局部组织中促转移性炎症微环境的独特能力。实验C57BL/6小鼠左后脚垫上注射B16BL6黑色素瘤细胞，经腹腔注射负载二烯丙基三硫醚的微粒后，小鼠肺转移结节数量明显减少。此外，在C57BL/6小鼠模型尾静脉注射B16BL6黑色素瘤细胞产生转移的实验转移模型中，也研究了二烯丙基三硫醚介导的抗转移作用。髓系相关蛋白8（MRP8/S100A8）诱导MyD88（髓系分化主要应答蛋白）的细胞内易位。负载二烯丙基三硫化物的微粒可有效降低肺组织中的纤维连接蛋白和MRP8。MRP8/S100A8触发TLR4介导的下游细胞内信号的激活和炎症细胞的募集。二烯丙基三硫负载微颗粒也抑制了炎症细胞的高浸润率。此外，肺组织中TLR4MyD88转导级联的异常激活被负载二烯丙基三硫化物的微粒大大降低。二烯丙基硫醚在小鼠模型中预防苯并[a]芘（BaP）诱导的肺癌。bap暴露小鼠肝细胞和肺泡中脂肪酸合成酶（FASN）表达上调。二烯丙基硫醚降低FASN表达，诱导细胞凋亡。化学抑制硫氧还蛋白（Trx-1）可显著降低MDA-MB-231癌的转移特性。经静脉注射MDA-MB-231癌细胞的小鼠，肝脏和肺表面可见花菜样转移结节。三硫二烯丙基显著减少经静脉注射MDA-MB-231细胞的小鼠肺和肝转移结节的数量。三硫二烯丙基导致原位植入MDA-MB-231癌细胞的小鼠肺和肝脏转移性肿瘤负荷减少（图4），对继发性肿瘤组织中Trx-1、基质金属蛋白酶-2/9和NF-κB有抑制作用。

Conclusion

人类基因组计划的成功和基因组学工具的惊人突破开创了营养基因组学和癌症相关机制的新时代。抑制转移的致癌信号通路的“多管齐下”模型可能会解决一些难题。总之，转移的基因组特征为肿瘤细胞可塑性和转移的生物学提供了前所未有的重要见解。关于大蒜衍生生物分子对信号多样性的环境特异性和调控作用的概念性知识，将为设计治疗策略和临床有效药物开辟一条道路，以更有效地靶向不受管制的致癌途径。在合理设计的临床试验和治疗管理方面的多学科合作对于这一令人兴奋的营养基因组学领域的持续发展至关重要。

Overview on signal transduction cascades regulation roles of garlic and its bioactive constituents

Ammad Ahmad Farooqia, Iqra Mobeenb, Rukset Attarc, Khalida I. Noeld, Baojun Xue,*, William C. Chof,*

a Institute of Biomedical and Genetic Engineering (IBGE), Islamabad 44000, Pakistan

b Khursheed Rasheed Hospital Lahore, Lahore 53720, Pakistan

c Department of Obstetrics and Gynecology, Yeditepe University, Ataşehir 34755, Turkey

d Human Anatomy Department, College of Medicine, Al-Mustansiriyah University, Baghdad 10036, Iraq

e Food Science and Technology Program, Department of Life Sciences, BNU-HKBU United International College, Zhuhai 519087, China

f Department of Clinical Oncology, Queen Elizabeth Hospital, Hong Kong G51 4TF, China

*Corresponding author.

Abstract

High-throughput technologies in combination with modern exciting advancements in mass spectrometry-based proteomics and data analysis pipelines have empowered comprehensive characterization of disease phenotypes and their mechanistic regulation by dietary agents and bioactive molecules at unprecedented dimensionality and resolution. Extra-ordinary breakthroughs in the field of nutrigenomics have leveraged our understanding altogether to a new level of maturity. Interdisciplinary researchers have extensively analyzed health promoting and pharmacologically significant properties of garlic (Allium sativum). Importantly, garlic and its biologically active chemicals targeted oncogenic signaling cascades. In this mini-review we have attempted to summarize how garlic and its bioactive constituents regulated signal transduction cascades in cell culture studies and tumor-bearing mice.

Reference:

FAROOQI AA, MOBEEN I, ATTAR R, et al. Overview on signal transduction cascades regulation roles of garlic and its bioactive constituents[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(5): 2353-2362. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250196.

翻译：李雄（实习）

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片来源：图虫创意

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