高丝氨酸内酯(C12)诱导对氧磷酶-2(PON2)依赖的肿瘤细胞凋亡机制研究

N-(3-oxododecanoyl)-homoserine lactone (C12) is a quorum-sensing molecule for bacterial communication. Our recent data indicate that C12 induce tumor cell apoptosis dependent on paraoxonase 2 (PON2) but not on Bcl-2 proteins. C12 may lead to the development of new therapeutic as many neoplastic cells show an increased ratio of anti-apoptotic Bcl-2 proteins. However, the detailed molecular mechanism of C12-triggerred apoptosis is still unclear. We recently found that C12 itself was not able to induce MOMP in vitro. Based on the structure feature of C12 and the catalytic characteristics of PON2, PON2 can cleave C12 into a secondary, cytotoxic metabolite which can preferentially induces MOMP quickly. The carboxylic acid derivative were then synthesized through saponification of C12, whick can directly induce MOMP. The goal of this grant is to verify C12 metabolite and then investigate the pro-apoptotic properties of this C12 metabolite, particularly the temporal and spatial dynamics of mitochondrial events induced by C12 metabolite. These results are expected to clarify the detailed molecular mechanisms of PON2/C12-induced apoptotic signal. Finally, in vivo tumor model will be used to demonstrate the apoptotic signal induced by C12 metabolite, which will provide basic information for clinical trial.

高丝氨酸内酯(C12)是细菌间的重要通讯分子。我们前期工作发现C12诱导一种新的对氧磷酶-2(PON2)介导的Bcl-2家族非依赖性的肿瘤细胞凋亡通路。 因此C12在抗凋亡Bcl-2家族蛋白高表达的肿瘤治疗中有潜在应用前景，但C12诱导凋亡机制尚需深入研究。我们近期数据表明C12在体外并不能诱导线粒体外膜通透(MOMP)，根据C12结构以及PON2内酯酶催化特点分析，C12很可能被PON2水解成羧酸次级代谢物并诱导凋亡；通过皂化反应合成C12羧酸代谢物并发现它可以体外诱导MOMP。本项目将通过质谱分析验证C12次级代谢物，通过实时检测C12代谢物作用后线粒体形态与功能的变化，并利用多种凋亡相关基因的缺陷型细胞系，研究C12次级代谢物诱导的凋亡通路，阐明PON2/C12介导凋亡机理；最后，利用荷瘤小鼠模型体内验证C12次级代谢物诱导的肿瘤凋亡信号，为C12及其次级代谢物临床应用提供基础数据。

高丝氨酸内酯(C12)是细菌间的重要通讯分子，可以调节许多细菌基因的表达并影响细菌之间的生物学特性。最近，不断有研究表明，C12还可以体外诱导肿瘤细胞的凋亡和抑制小鼠体内的肿瘤生长。并且，我们前期工作发现C12诱导凋亡信号不依赖于Bcl-2家族蛋白，这表明C12在抗凋亡Bcl-2家族蛋白高表达的肿瘤治疗中有潜在应用前景。但是目前尚不清楚C12触发的细胞凋亡所涉及的关键途径，另外关于C12的研究主要是在体外培养的细胞中进行的，具有生理相关性有限的缺点。在本研究中，我们主要以哺乳动物细胞和秀丽隐杆线虫为模型，研究C12促凋亡和抗肿瘤的作用，详细探索了其中作用机理。我们的数据表明，C12通过快速触发线粒体外膜通透化（MOMP）选择性地诱导线粒体依赖的内源性细胞凋亡，并且C12对线粒体的透化活性不依赖于“引发剂”和“效应剂”半胱天冬酶的活化。相关结果发表于生物领域核心期刊Cellular Microbiology。在活体水平，我们的数据表明，C12通过触发线粒体外膜通透性（MOMP）和提高活性氧（ROS）水平来增加线虫生殖细胞凋亡。重要的是，C12诱导的ROS增加了对DNA损伤反应至关重要的基因（hus-1，clk-2和cep-1）以及与p38和JNK/MAPK信号通路有关的基因（nsy-1，sek-1，pmk -1，mkk-4和jnk-1）的表达。并且，C12未能在缺乏这些基因表达的线虫中诱导生殖细胞凋亡。此外，在秀丽隐杆线虫肿瘤模型中，C12通过阻碍RAS/MAPK途径基因（let-23/EGFR，let-60/RAS，lin-45/RAF，mek-2/MEK和mpk-1/MAPK）的表达来显著抑制肿瘤生长。总体而言，我们的结果表明，线粒体ROS触发的DNA损伤应答和MAPK通路在C12诱导秀丽隐杆线虫细胞凋亡信号传导中起重要作用，另RAS/MAPK信号介导了C12的肿瘤抑制作用。这项研究阐释了C12体内外抑制肿瘤生长的机制，为C12的临床应用提供了基础数据。