Induction of Apoptosis by Ethanol Extract of Lythrum anceps (Koehne) Makino in Human Leukemia U937 Cells

Purple loosestrife-Lythrum anceps (Koehne) Makino is a herbaceous perennial plant belonging to the Lythraceae family. It has been used for centuries in Korea and other Asian traditional medicine. It has been showed pharmacological effects, including anti-oxidant and anti-microbial effects. However, the mechanisms underlying its anti-cancer effect are not yet understood. In this study, we investigated the mechanism of apoptosis signaling pathways by ethanol extract of Lythrum anceps (Koehne) Makino (ELM) in human leukemia U937 cells. Treatment with ELM significantly inhibited cell growth in a dose-dependent manner by inducing apoptosis, as evidenced by the formation of apoptotic bodies (ApoBDs), DNA fragmentation and increased populations of sub-G1 ratio. Induction of apoptosis by ELM was connected with up-regulation of death receptor (DR) 4 and DR5, pro-apoptotic Bax protein expression and down-regulation of anti-apoptotic Bcl-2 protein, and inhibitor of apoptosis protein (IAP) family proteins, depending on dosage. This induction was associated with Bid truncation, mitochondrial dysfunction, proteolytic activation of caspases (-3, -8 and -9) and cleavage of poly(ADP-ribose) polymerase protein. Therefore, our data indicate that ELM suppresses U937 cell growth by activating the intrinsic and extrinsic apoptosis pathways, and thus may have applications as a potential source for an anti-leukemic chemotherapeutic agent.

인체백혈병 U937 세포에서 부처꽃 에탄올추출물에 의한 apoptosis 유도

본 연구에서는 부처꽃 에탄올 추출물(ELM)에 대한 항암효능을 알아보기 위하여 인체백혈병 U937 세포의 증식에 미치는 영향과 이와 연관된 apoptosis 유발 여부와 함께 그에 따른 분자생물학적 기전에 대해서 조사하였다. 먼저 ELM 처리에 따른 증식 억제 정도를 조사한 결과, ELM 처리 농도 의존적으로 생존율 및 증식억제 현상이 나타났으며, 핵의 형태 변화, DNA 단편화 및 apoptosis 유발에 관하여 조사한 결과 역시 ELM 처리 농도 의존적으로 증가됨을 확인할 수 있었다. ELM 처리에 따른 U937 세포에서의 apoptosis 유발에 있어서 미토콘드리아 막의 기능 손상이 관여하는 지를 확인하기 위하여 MMP의 변화 정도를 확인한 결과, ELM 처리 농도 증가에 따라 MMP의 소실이 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 MMP의 소실에 가 관여하는 지를 확인하기 위하여 사멸수용체(DR4, 5, Fas) 및 사멸수용체에 결합하는 리간드(FasL, TRAIL)의 발현 변화를 확인한 결과, DR4 및 DR5의 발현이 증가하는 것으로 관찰되었다. 또한 내인적 경로에 관여하는 Bcl-2 family 유전자들의 발현변화를 확인한 결과, Bcl-2 발현 감소 및 Bax의 발현 증가의 변화를 보였으며, Bid 단백질의 발현감소가 나타났으므로 상대적으로 tBid의 생성이 증가되었음을 추측할 수 있었다. 한편apoptosis 유발에 직접적으로 관여하는 것으로 알려진 caspase-3, -8 및 -9의 발현에 미치는 ELM의 영향에 대해서 조사하였다. 결과에서 알 수 있듯이 ELM은 death receptor에 의하여 활성화 되는 것으로 알려진 caspase-8 및 세포질로 방출된 cytochrome c에 의하여 활성화 되는 것으로 알려진 caspase-9의 활성화를 유발하였으며, caspase cascade에 의하여 apoptosis에 직접적으로 관여하는 caspase-3의 발현도 증가시키는 것으로 나타났다. 또한 활성화된 caspase-3에 의하여 분해가 일어나는 기질 단백질인 PARP의 경우 ELM 처리에 의하여 모두 단편화가 유발되는 것으로 나타났다. 이상의 결과를 종합해 보면 인체 백혈병 U937 세포에 ELM을 처리하였을 경우에 유발되는 apoptosis는 외인적 경로인 DR4 및 DR5의 발현 증가를 통한 caspase-8의 활성화와 이로 인한 Bid 단백질의 단편화와 함께 내인적 경로의 미토콘드리아 기능 손실에 의하여 caspase-9 및 -3의 활성화 유발과 기질단백질들의 분해가 중요한 역할을 하는 것으로 생각되며, IAP family의 발현 감소로 인하여 caspase의 활성이 억제되지 못하는 것도 apoptosis 유도에 어느 정도 관여했을 것으로 생각된다. 따라서 ELM 처리에 의하여 유발되는 apoptosis는 외인적 경로 및 내인적 경로를 모두 경유하는 multiple apoptotic pathway에 의하여 조절되며, 이때 caspases가 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있었다.