植物黄酮槲皮素和金丝桃苷通过Nrf2信号通路减轻H2O2诱导的HepG2细胞
植物黄酮槲皮素和金丝桃苷通过Nrf2信号通路减轻H2O2诱导的HepG2细胞
槲皮素和金丝桃苷是两种常见的植物黄酮类化合物，它们具有相似的分子结构。天津科技大学食品科学与工程学院王浩团队通过网络药理学预测、细胞实验和线虫模型实验，系统研究了这两种化合物的抗氧化作用及其机制。研究发现，槲皮素在减轻氧化损伤方面比金丝桃苷更有效。
氧化应激是由于细胞内过量的活性氧(ROS)积累导致的，可损伤蛋白质、脂质和DNA。它与几种临床疾病相关，包括衰老、癌症、糖尿病、神经系统疾病和心血管疾病。在健康条件下，过量的ROS被膳食非酶抗氧化剂和内源性抗氧化酶，包括超氧化物歧化酶(SOD)，过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)中和。
天然产物在改善人类健康上起着重要的作用。槲皮素是水果和蔬菜中发现的一种天然黄酮类化合物，具有良好的抗氧化性能。既往研究表明，槲皮素可减轻急性胃黏膜损伤时ROS的生成，逆转慢性高糖水平引起的氧化应激和线粒体功能障碍。金丝桃苷也是一种天然的黄酮类化合物，其结构与槲皮素相似。具有一个半乳糖配体，可被衰老细胞中过度表达的β-半乳糖苷酶水解释放槲皮素。即使在缺乏β-半乳糖苷酶的情况下，金丝桃苷也可以发挥其作用，包括抗氧化作用、降低胆固醇、在缺血后增强心肌保护以及改善小鼠糖尿病肾病等作用。
天津科技大学食品科学与工程学院王浩等以H2O2诱导的HepG2细胞和秀丽隐杆线虫为模型系统，对金丝桃苷及槲皮素的抗氧化作用和机制进行了研究和比较。
研究结果与讨论
首先从PubChem数据库中共得到33 个金丝桃苷和129 个槲皮素的靶蛋白（图1A和B）。线的粗细与靶点之间的关系强度有关（线条越粗，靶点与靶点之间的相互作用越强）。GO-BP结果表明，金丝桃苷和槲皮素在细胞凋亡过程中都起着负调节作用，并且可以调节炎症反应（图1C和D）。GO-CC结果表明，金丝桃苷和槲皮素主要在细胞核、细胞核质及细胞质中发挥作用。GO-MF结果显示，金丝桃苷和槲皮素主要通过与蛋白结合发挥作用（图1G、H）。KEGG通路富集结果显示，金丝桃苷和槲皮素均可作用于活性氧途径(图1I、J）。“金丝桃苷-靶点-通路”和“槲皮素-靶点-通路”显示，抗氧化相关基因主要参与Nrf2、MAPK和NF-κB信号通路（图1K和L）。
图1 利用网络药理学方法预测了与金丝桃苷/槲皮素相互作用的可能靶点和途径
研究发现槲皮素对氧化损伤的保护作用可能优于金丝桃苷。因为75 μmol/L槲皮素组的ROS水平显著低于75 μmol/L金丝桃苷组（图2A和D）。ROS水平升高会引发线粒体和细胞功能障碍、代谢紊乱和凋亡。该研究中，槲皮素在维持线粒体膜电位和防止ROS引起的损伤后的凋亡方面比金丝桃苷更有效（图2B、C和E），并且槲皮素在提高抗氧化酶GSH-Px、SOD和CAT的活性与降低MDA水平上显著优于金丝桃苷（图3）。
图2 细胞内ROS水平与线粒体膜电位
图3 细胞内抗氧化酶活力与MDA水平
CAT、SOD和GSH-Px的表达受ARE基因启动子的调控，ARE基因启动子与细胞核中的Nrf2结合从而启动下游HO-1、NQO1、CAT、SOD和GST等细胞保护基因的表达。结果表明，金丝桃苷和槲皮素能够显著逆转H2O2引起的Nrf2, NQO1, HO-1, GCLC,GCLM, SOD1和CATmRNA表达的降低，并且槲皮素增加Nrf2通路相关mRNA的表达比金丝桃苷更显著（图4）。此外，Nrf2表达抑制剂ML385加入后，Nrf2在细胞核中的蛋白表达显著降低并且细胞内的ROS水平显著升高。这表明金丝桃苷和槲皮素的抗氧化作用主要依赖于Nrf2信号通路，并且槲皮素上调细胞核内Nrf2蛋白表达水平的能力大于金丝桃苷（图5）。
图4 细胞内Nrf2、NQO1、HO-1、GCLC、GCLM、SOD1和CAT的mRNA表达
图5 细胞核中Nrf2的蛋白表达水平与细胞内的ROS水平
如图6，作者使用秀丽隐杆线虫对金丝桃苷和槲皮素的抗氧化作用进一步研究，秀丽隐杆线虫中的skn-1蛋白与哺乳动物中的Nrf2蛋白是同源蛋白。相比于金丝桃苷，槲皮素更显著地延长了野生型N2线虫的平均寿命、降低了线虫体内的ROS水平与脂褐素的累积、增加了skn-1在细胞核中的比例。此外，金丝桃苷和槲皮素并不能显著延长skn-1突变体线虫的寿命，说明skn-1蛋白对于延长线虫的寿命是必需的，并且金丝桃苷和槲皮素主要通过调节skn-1蛋白的表达来延长线虫寿命。
图6 N2线虫寿命（A）；线虫体内脂褐素与ROS水平（B）；skn-1突变体线虫寿命（C）；skn-1在细胞质与细胞核中的比例（D）
结论
研究结果证实，金丝桃苷和槲皮素都可以通过启动和上调Nrf2信号通路来减轻细胞的氧化损伤，并且在相同摩尔浓度下，槲皮素比金丝桃苷具有更好的抗氧化作用。从营养角度来看，槲皮素可能是一种比金丝桃苷更好的预防细胞氧化损伤的功能性药物。
参考文献：
ZHANG M J, ZHANG G S, MENG X X, et al.Reduction of the oxidative damage to H2O2-induced HepG2 cells via the Nrf2 signalling pathway by plant flavonoids Quercetin and Hyperoside[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(4): 1864-1876. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250155.
本文原文来自天津科技大学食品科学与工程学院王浩团队的研究论文。
