肝臟GNMT保護腎臟不受到環境致癌物馬兜鈴酸破壞之研究

    長期致力於肝癌研究的立委陳宜民教授,近期領導硏究團隊發現肝臟中抑癌基因苷氨酸氮甲基轉移酵素(Glycine N-methyltransferase, 簡稱GNMT)參與具腎毒性之馬兜鈴酸(aristolochic acid, AA)的代謝,GNMT可促進馬兜鈴酸代謝成較不具毒性的代謝物,因此可保護腎臟組織不受到馬兜鈴酸代謝物的破壞。先前陳教授研究團隊及相關的文獻曾報導,GNMT會受到致癌物質的刺激後進入細胞核內,然而GNMT入核後的功能未知。本研究發現馬兜鈴酸亦會刺激GNMT入核,對於GNMT進入細胞核內後,如何調控肝臟解毒系統中的酵素來代謝馬兜磷酸的分子機制,有深入的探討,解開了GNMT入核之謎。此研究成果發表在國際知名期刊Scientific Reports 1

    馬兜鈴酸的攝取不僅會造成腎臟組織不可逆的破壞,近來的研究更發現馬兜鈴酸與泌尿系統癌症的發生有直接的關係2,3。台灣女性上尿路上皮細胞癌發生率高於其他歐美國家,這可能跟食用中草藥之習慣以及誤食含有馬兜鈴酸之減肥藥有關。世界衛生組織(WHO)的國際癌症研究機構(IARC)2011年將馬兜鈴酸列為第一級致癌物42013Poon等人於Science Translational Medicine中報導馬兜鈴酸會破壞特定基因序列,造成基因突變,進而導致泌尿道上皮癌。馬兜鈴酸造成泌尿道上皮細胞的基因突變率高達150個突變/百萬鹼基對,遠比抽菸引發肺癌8/百萬鹼基對、紫外線導致皮膚黑色瘤111/百萬鹼基對來得高,馬兜鈴酸可說是目前已知的最強致癌物質5。在2017年馬兜鈴酸再度被Science Translational Medicine報導,在台灣肝癌病人的組織中有馬兜鈴酸所誘發的特定基因突變,這是馬兜鈴酸會導致肝癌的直接證據6文獻指出:第一型馬兜鈴酸(Aristolochic Acid Type I,簡稱AA-I)在體內肝臟代謝有兩個途徑:一、經由 CYP450s可將AA-I進行去甲基化而形成aristolochic acid Ia (簡稱AA-Ia),此代謝物較不具毒性7,8;二、經由Nitroreductase [例如:NAD(P) H: quinone oxidoreductase 1, NQO-1]可將AA-I進行nitroreduction反應,形成Aristolactam I (AL-I)AL-I會與DNA進一步形成 DNA鍵結物(dA-AL-adducts),此鍵結物為馬兜鈴酸致癌的重要原因9。第一型馬兜鈴酸在體內的兩個代謝途徑:是經由Cyp 450s還是經由NQO1途徑代謝,其調控的分子機制一直未被清楚的報導。

    陳宜民教授表示,GNMT除了對肝癌腫瘤有抑制效果,對於細胞暴露於環境中的致癌物質時,例如:多環芳香烴類化合物 (PAHs)中的苯比啶(Benzo(a)pyrene, BaP)及黃麴毒素(Aflatoxin B1, AFB1),也具有保護的作用10-12GNMT參與肝臟之解毒機制,是其多種功能之一:GNMT可和環境致癌物BaP及黃麴毒素等結合,經由調控 cytochrome P450 1A1 (CYP1A1) 酵素活性,降低DNA鍵結物的形成,以保護細胞避免腫瘤發生。因此,抑癌基因GNMT可幫助細胞抵禦外來的致癌物。在既有的基礎上,陳宜民教授團隊與泌尿科權威、高雄市立大同醫院院長吳文正教授的團隊合作,探討GNMT在馬兜鈴酸所誘發的腎臟病變中所扮演的角色以及其參與馬兜鈴酸代謝的分子機制。

    在本研究中,成功的建立了以第一型馬兜鈴酸誘發腎病變的動物模式。研究發現公鼠對於第一型馬兜鈴酸劑量的耐受程度明顯低於母鼠,這意味著身體代謝第一型馬兜鈴酸有性別上的差異。經由基因晶片微陣列分析(Microarray Analysis)發現馬兜鈴酸刺激母鼠肝臟中Cyp3A44/3A41大量表達,而此酵素在公鼠肝臟中幾乎不表達。利用GNMT基因轉殖(GNMT高表達及GNMT剔除)的動物模式發現:相較於GNMT表達正常的母鼠,給予高表達GNMT母鼠馬兜鈴酸後,肝臟中的Cyp3A44/3A41表達量升高、而NQO1的表達則降低,同時馬兜鈴酸誘發的腎臟病變較輕微。在公鼠體內,無論是否高表達GNMTCyp3A44/3A41表達量均缺乏。相較於GNMT表達正常的公鼠,當肝臟高表達GNMT時,馬兜鈴酸刺激NQO1的表達升高、馬兜鈴酸所誘發的嚴重腎病變則只有些微的好轉。再者,在GNMT剔除鼠的動物模式中,不論公母鼠,給予馬兜鈴酸的組別,腎臟組織被嚴重的破壞。GNMT剔除母鼠對馬兜鈴酸的耐受度亦下降,GNMT可減輕馬兜鈴酸誘發腎病變的作用消失。研究團隊更進一步利用第8型腺相關病毒(Adeno-Associated Virus Serotype 8, AAV-8)基因治療的方式,讓GNMT剔除小鼠之肝臟再度表達GNMT。在此動物模式中,觀察到GNMT對馬兜鈴酸誘發腎病變發揮了保護作用。對於分子機制的探討,研究發現馬兜鈴酸會刺激GNMT入核。經由ChIP實驗發現,入核後的GNMT會鍵結在Cyp3A44/3A41NOQ1的轉錄因子:CAR/PXRNrf2的基因啟動區域(promoter region)上,促使其DNA的轉錄,進而促進Cyp3A44/3A41NOQ1的轉錄。當小鼠肝臟GNMT高表達時,GNMT蛋白與CAR/PXR基因的啟動區域鍵結數量增高,可使得CAR/PXR蛋白表達量上升,進而促進Cyp3A44/3A41的轉錄;同時GNMT蛋白與Nrf2基因的鍵結數目減少,使得NQO1的轉錄及蛋白表現量也下降,此時小鼠腎臟受到破壞的情形很輕微。而GNMT表達低時,GNMT則大量與Nrf2基因鍵結,促進NQO1的轉錄與表達,同時小鼠的腎臟組織被嚴重的破壞。綜觀上述,在肝臟中GNMT受馬兜鈴酸刺激入核後,可經由促進CAR/PXR/ Cyp3A44/3A41的轉錄以及減少Nrf2/NQO1的轉錄途徑來降低馬兜鈴酸的腎毒性,進而保護腎臟。

    在臨床上,很難準確得知罹患腎臟疾病以及泌尿道疾病的病人,特別是上尿路上皮細胞癌,是否攝取過馬兜鈴酸,以及其所攝取的馬兜鈴酸劑量。從本研究成果得知馬兜鈴酸的代謝,有性別上的差異,因此可推論,當男性攝取到含有馬兜鈴酸的食物或藥物時,就會出現急性的腎臟病變而停止攝取。然而女性身體可耐受高劑量的馬兜鈴酸,則對於持續攝取馬兜鈴酸而渾然不知,使其身體長期暴露在致癌代謝物的風險中,最終導致癌症。這可能是台灣女性上尿路上皮細胞癌發生率高於男性的現象的原因。雖然衛福部公告已禁用含有馬兜鈴酸的中草藥 (包括:關木通、廣防己、青木香、天仙藤、馬兜鈴、朱砂蓮、青香藤、南木香等),但國人仍有藥膳食補、自行服用中草藥偏方或來路不明藥物的習慣。陳宜民教授呼籲國人,藥物的安全使用攸關生命與健康,正確服用經過醫師處方的藥物、勿自行食用偏方,才能確保身體健康。

 參考文獻

1.  Chang, M.M. et al. Glycine N-methyltransferase inhibits aristolochic acid nephropathy by increasing CYP3A44 and decreasing NQO1 expression in female mouse hepatocytes. Sci Rep 8, 6960 (2018).

2.  Nortier, J.L. et al. Urothelial carcinoma associated with the use of a Chinese herb (Aristolochia fangchi). N Engl J Med 342, 1686-92 (2000).

3.  Debelle, F.D., Vanherweghem, J.L. & Nortier, J.L. Aristolochic acid nephropathy: a worldwide problem. Kidney Int 74, 158-69 (2008).

4.  IARC Working Group, W. A review of human carcinogens. Part A: Pharmaceuticals. Plants containing aristolochic acid. . IARC Monogr Eval Carcinog Risks Hum 100A, 347-361 (2012).

5.  De Broe, M.E. Chinese herbs nephropathy and Balkan endemic nephropathy: toward a single entity, aristolochic acid nephropathy. Kidney Int 81, 513-5 (2012).

6.  Ng, A.W.T. et al. Aristolochic acids and their derivatives are widely implicated in liver cancers in Taiwan and throughout Asia. Sci Transl Med 9(2017).

7.  Xiao, Y. et al. Hepatic cytochrome P450s metabolize aristolochic acid and reduce its kidney toxicity. Kidney Int 73, 1231-9 (2008).

8.  Stiborova, M. et al. A Mechanism of O-Demethylation of Aristolochic Acid I by Cytochromes P450 and Their Contributions to This Reaction in Human and Rat Livers: Experimental and Theoretical Approaches. Int J Mol Sci 16, 27561-75 (2015).

9.  Chen, M. et al. Inhibition of renal NQO1 activity by dicoumarol suppresses nitroreduction of aristolochic acid I and attenuates its nephrotoxicity. Toxicol Sci 122, 288-96 (2011).

10.  DebRoy, S. et al. A novel tumor suppressor function of glycine N-methyltransferase is independent of its catalytic activity but requires nuclear localization. PLoS One 8, e70062 (2013).

11.  Liu, S.P. et al. Higher susceptibility to aflatoxin B(1)-related hepatocellular carcinoma in glycine N-methyltransferase knockout mice. Int J Cancer 128, 511-23 (2011).

12.  Yen, C.H. et al. Glycine N-methyltransferase affects the metabolism of aflatoxin B1 and blocks its carcinogenic effect. Toxicol Appl Pharmacol 235, 296-304 (2009).

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