姜黄素减轻肝细胞和结肠细胞中白僵菌素诱导的全基因组 DNA 甲基化改变

《Food and Chemical Toxicology》：Curcumin attenuates beauvericin-induced global DNA methylation alterations in liver and colon cells

　　

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  BEA 改变了 HepG2 和 HCT116 细胞的全基因组 DNA 甲基化。
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  BEA 暴露改变了两种细胞中 DNMT 和 TET 基因的表达。
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  CUR 调节了 BEA 诱导的细胞毒性和 DNA 甲基化相关效应。
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  分子对接预测了 BEA 和 CUR 与 DNMTs 和 TET2 的相互作用。

引言

白僵菌素 (BEA, (3S,6R,9S,12R,15S,18R)-3,9,15-三苄基 -4,10,16-三甲基 -6,12,18-三 (丙 -2- 基 )-1,7,13-三氧杂 -4,10,16-三氮杂 - 十八碳环 -2,5,8,11,14,17- 六酮 ) 是由 镰刀菌属和 白僵菌属产生的环状六内酯肽。BEA 被归类为一种新兴霉菌毒素，因为它经常在各类食品中被检测到，但尚未为其存在确立监管限值。食品中检测到的 BEA 水平为：水果及水果制品中为 29.2-29.5 μg/kg，婴幼儿食品中为 3.90-8.00 μg/kg，豆类、坚果和油料作物中为 2.24-2.46 μg/kg，动物和植物油中为 2.23-3.86 μg/kg，谷物及谷物制品中为 0.86-1.93 μg/kg，咖啡豆及咖啡制品中为 0.48-0.49 μg/kg。未加工谷物中也报告了 BEA 的存在，范围为：大麦谷物中 0.85-3.37 μg/kg，燕麦谷物中 29.4-29.7 μg/kg，小麦谷物中 1.58-2.62 μg/kg (EFSA, 2014)。药用植物中 BEA 的平均浓度为 33 μg/kg，而在姜中检测到的浓度最高，达到 125 μg/kg (Hu & Rychlik, 2014)。尽管关于 BEA 的毒代动力学数据仍然有限 (EFSA, 2014)，但几项研究报告了相关发现。Mei 等 (2009) 使用人肝微粒体 (HLM) 和大鼠肝微粒体 (RLM) 研究了 BEA 的代谢及其对细胞色素 P450 酶的抑制作用。BEA 以 0.5、1.0 和 2.0 mg/kg 的剂量口服给药。在 RLM 中，相应的药代动力学参数分别为：C_max 值为 3.4、5.4 和 13.9 mg/L；T_max 值为 4.1、4.3 和 5.4 h；消除半衰期 (t_1/2) 为 2.9、3.6 和 3.0 h。在 HLM 中，BEA 被鉴定为 CYP3A4/5 和 CYP2C19 的强效抑制剂 (Mei 等，2009)。Yuan 等 (2022) 进一步表征了 BEA 的毒代动力学特性，其结果表明 BEA 在口服后吸收迅速，口服生物利用度为 29.5%，广泛的组织分布表现为较高的分布容积 (5.9 ± 2.5 L/kg)，血浆蛋白结合率大于 99.8%，消除半衰期约为 5-6 h (Yuan 等，2022)。

羰基和氨基中的自由电子对赋予 BEA 亲核性质。作为一种环状六内酯肽离子载体，BEA 能与 Ca²⁺ 和 Na²⁺ 等阳离子形成复合物，并促进它们跨细胞膜运输。这种离子载体活性增加了膜通透性并扰乱细胞离子稳态，导致生物功能发生改变 (Kouri 等，2005)。离子运输的扰乱被认为是 BEA 各种毒性效应的主要机制之一。研究 BEA 毒性效应的 体外 研究表明了其在各种细胞系中的毒性潜力。暴露于 BEA 的 HepG2 细胞被证实会破坏线粒体膜电位并诱导 G0/G1 细胞周期阻滞 (Juan-García 等，2015)。在 Caco-2 细胞中，BEA 减少了处于 G0/G1 期的细胞比例，诱导 S 期和 G2/M 期细胞周期阻滞，促进凋亡和坏死，并导致 DNA 链断裂 (Prosperini 等，2013)。在 CCRF-CEM 白血病细胞中，BEA 通过增加细胞内 Ca²⁺ 水平、降低线粒体跨膜电位、促进细胞色素 c 释放和激活 caspase-3 来诱导细胞死亡 (Jow 等，2004)。在 NG108-15 神经元细胞系中，BEA 充当 L 型 Ca²⁺ 通道的特异性抑制剂 (Wu 等，2002)。在 H4IIE 细胞中，暴露于 10 μM BEA 诱导了 ERK1/2 (p44/p42 MAPK) 的磷酸化并刺激细胞增殖。此外，BEA 以浓度和时间依赖的方式调节 JNK 的磷酸化，而在 p38 MAPK 磷酸化方面未观察到影响 (W?tjen 等，2014)。最近，欧洲食品安全局 (EFSA) 得出结论，现有的 体外 和 体内 证据表明 BEA 不具有遗传毒性潜力。尽管 BEA 能诱导氧化应激、细胞周期阻滞、凋亡和线粒体功能障碍，但没有实质性证据表明其会导致 DNA 损伤、染色体畸变或基因突变 (EFSA, 2024)。虽然 BEA 不被认为是具有遗传毒性的，但它可能通过 DNA 甲基化等表观遗传机制影响基因组调控，从而在不改变 DNA 序列的情况下改变基因表达。DNA 甲基化是一种研究透彻且基本的表观遗传修饰，在调节基因表达方面发挥着关键作用。DNA 甲基化涉及通过 DNA 甲基转移酶 (DNMTs) 将甲基共价连接到 CpG 二核苷酸中胞嘧啶残基的 C5 位置 (Cheng & Blumenthal, 2008)。DNA 甲基化的改变破坏了 DNA- 蛋白质相互作用，从而改变染色质结构，进而上调或下调转录 (Jones & Takai, 2001)。此外，异常的甲基化可导致肿瘤抑制基因沉默，以及细胞周期调节和 DNA 修复机制的缺陷 (Meng 等，2015)。因此，DNA 甲基化与肿瘤发生、发育和神经系统疾病密切相关 (Jin 等，2011; Moore 等，2013)。

姜黄素 (CUR, (1E,6E)-1,7- 双 (4- 羟基 -3- 甲氧基苯基 ) 庚 -1,6- 二烯 -3,5- 二酮 ) 是一种衍生自姜黄 (姜黄) 根的多酚，以其健康益处和对抗毒素的保护作用而闻名。CUR 的保护作用主要归因于其抗氧化特性，因为它可以清除活性氧 (ROS) 并减少脂质过氧化 (Menon & Sudheer, 2007; Jha 等，2015)。除了抗氧化和抗炎作用外，研究揭示了 CUR 对表观遗传机制的调节作用，包括 DNA 甲基化。据报道，CUR 以背景依赖的方式调节 DNA 甲基化，根据目标基因和生物学背景促进高甲基化或低甲基化 (Parashar 等，2012; Chen 等，2019)。鉴于报道的 CUR 的抗氧化和表观遗传调节特性，它可能具有调节细胞对 BEA 等有毒化合物反应的能力。

在本研究中，我们旨在调查 BEA 诱导的全基因组 DNA 甲基化变化，并评估 CUR 针对 BEA 诱导的毒性的潜在调节作用，使用 HepG2 (人肝细胞癌) 和 HCT116 (人结直肠癌) 细胞。HepG2 和 HCT116 细胞是广泛用于细胞毒性评估和潜在毒性机制调查的人类衍生 体外 模型 (Bredeck 等，2022; Pfeifer 等，2024)。使用这两种模型可以跨不同细胞类型调查 BEA 的效果以及 CUR 的潜在调节效果。它们的人类来源为探索细胞对有毒化合物的反应提供了相关的实验模型，并有助于理解其在人类中的潜在影响。此外，我们旨在为现有文献中关于 DNA 甲基化相关变化作为毒理学效应生物标志物的潜力做出贡献。

章节片段

化学品

BEA (纯度 99.97%) 购自 MedChemExpress (美国新泽西州)。CUR (纯度 ≥90%) 购自 Cayman Chemical Company (美国密歇根州)。BEA 和 CUR 的 10 mM 储备液分别用购自 Sigma-Aldrich (美国密苏里州) 的甲醇 (纯度 99.9%) 和二甲基亚砜 (DMSO; 纯度 99.9%) 配制。细胞培养介质和补充剂由 Wisent Bioproducts (加拿大魁北克) 提供。实验过程中使用的无菌塑料器皿购自 Nest Biotechnology

CUR 和 BEA 对细胞活性的影响

评估 CUR 暴露对细胞活性的影响以确定适当的 CUR 剂量。在较低浓度下，CUR 要么不影响细胞活性要么增加其活性，而较高浓度则诱导显著的细胞毒性 (图 1)。因此，选择 5 μM 作为后续实验的 CUR 浓度。为了评估 BEA 对 HepG2 和 HCT116 细胞活性的影响以及 CUR 针对 BEA 的保护作用，细胞用 BEA 处理

讨论

EFSA 最近关于食品和饲料中霉菌毒素风险的报告强调，长期暴露于 BEA 可能对人类和动物健康构成潜在关注 (EFSA, 2014)。环境外源物质，如霉菌毒素，通过破坏 DNA 甲基化、组蛋白修饰和非编码 RNA 表达发挥毒性作用。这些破坏通过调节基因表达而不改变 DNA 序列的表观遗传机制显著影响疾病风险 (Huang

结论

我们的发现表明，BEA 在 HepG2 和 HCT116 细胞中诱导细胞毒性和表观遗传改变，而 CUR 可能在这些过程中充当调节剂。观察到 BEA 暴露会降低细胞活性和全基因组 5-mC 水平，同时通过显著改变 DNMT1、DNMT3A 和 DNMT3B 表达来破坏 DNA 甲基化稳态。此外，BEA 诱导的 5-hmC 水平变化以及 TET1、TET2 和 TET3 表达的变化表明 DNA

CRediT 作者贡献声明

Metin Caner ?ak?r: 撰写 – 原稿，可视化，方法论，调查，概念化。 Neslihan Elif Mutlu: 方法论，调查。 Sibel Ozden: 撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法论。 Gamze Sar?; 方法论，调查。 Müberra ?zcan: 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿

利益冲突

作者声明以下可能被视为潜在竞争利益的财务利益/个人关系：Sibel ?zden 报告与 Elsevier Inc 的关系，其中包括我担任《食品与化学毒理学》中 VSI: Natural Defense to Toxins 投稿的联合编辑。我没有参与本手稿的编辑处理、同行评审或决策过程。如果有其他作者，他们声明他们没有已知的竞争

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致谢

本工作未获得任何财务支持。

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