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miR-155種子序列的反義寡核苷酸對(duì)抗多發(fā)性骨髓瘤的作用*

2014-08-09 00:37豐茂曉朱容萱駱小闖古春明
中國(guó)病理生理雜志 2014年8期
關(guān)鍵詞:反義漿細(xì)胞骨髓瘤

豐茂曉, 朱容萱, 駱小闖, 古春明, 曾 雪, 費(fèi) 嘉△

(暨南大學(xué)醫(yī)學(xué)院 1生物化學(xué)與分子生物學(xué)系, 2臨床醫(yī)學(xué)系,廣東 廣州 510632)

多發(fā)性骨髓瘤(multiple myeloma,MM)是惡性漿細(xì)胞克隆性增殖疾病,其發(fā)病機(jī)制涉及多個(gè)方面,包括染色體數(shù)量異常、易位、基因突變、表觀遺傳學(xué)改變以及骨髓微環(huán)境的改變[1]。多發(fā)性骨髓瘤發(fā)病呈現(xiàn)多步驟的過(guò)程,早期的染色體易位涉及到14號(hào)染色體(14q32.33)和4號(hào)染色體(4p16.3),結(jié)果導(dǎo)致4號(hào)染色體上相鄰的多發(fā)性骨髓瘤組蛋白(multiple myeloma SET protein,MMSET)基因和成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體3(fibroblast growth factor receptors 3,F(xiàn)GFR3)基因發(fā)生分離[2]。隨著疾病的發(fā)展,將再次發(fā)生染色體易位、相關(guān)基因的突變(涉及到K-RAS和N-RAS的激活)、復(fù)雜核型畸變、p53和FGFR3基因的突變以及細(xì)胞周期素依賴(lài)性激酶抑制劑2A (cyclin-dependent kinase inhibitor 2A,CDKN2A)和細(xì)胞周期素依賴(lài)性激酶抑制劑2C(cyclin-dependent kinase inhibitor 2C,CDKN2C)基因的失活[2]。這些遺傳畸變將導(dǎo)致惡性漿細(xì)胞黏附分子表達(dá)的改變,必然引起漿細(xì)胞和骨髓基質(zhì)的異常作用[2],進(jìn)而引起人骨髓微環(huán)境(human bone marrow microenvironment, huBMM)中的漿細(xì)胞發(fā)生多級(jí)轉(zhuǎn)變,這些轉(zhuǎn)變對(duì)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)、存活和耐藥性有著重要的影響[3-5]。隨著研究的深入,發(fā)現(xiàn)MM細(xì)胞中的miRNAs呈顯著的異常表達(dá),并認(rèn)為這些異常表達(dá)的miRNAs與漿細(xì)胞發(fā)生遺傳學(xué)畸變,特別是與染色體異常有密切的關(guān)聯(lián)[2,6-7]。

Al Masri等[8]的研究發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞系和病人的骨髓樣本中,惡性的漿細(xì)胞miRNA的表達(dá)水平出現(xiàn)明顯的差異,其中高表達(dá)的miRNAs包括miR-125b、miR-133a、miR-1和miR-124a。Bakkus等[9]也檢測(cè)出MM病人以及細(xì)胞系中一些高表達(dá)的miRNAs(let-7a、miR-16、miR-17-5p和miR-19b)。Picchiorri等[10]還發(fā)現(xiàn),miRNA-17~92群(miRNA-19a、-19b和-92)和miRNA-106~25 群(miRNA-106b、-93和-25)在MM樣品中也呈現(xiàn)高表達(dá)的現(xiàn)象,miRNA-17~92通過(guò)靶向負(fù)性調(diào)節(jié)凋亡前體蛋白Bim的表達(dá),有助于骨髓瘤的形成。Lane等[11]對(duì)MM樣品中異常表達(dá)的miRNA 進(jìn)行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)miRNA-21、miR-19a和miR-19b表達(dá)水平升高,并揭示這些miRNAs參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子及轉(zhuǎn)錄激活子3(signal transducer and activator of transcription 3, STAT3)和白細(xì)胞介素 6(interleukin-6, IL-6)的抗凋亡途徑。根據(jù)染色體易位和周期蛋白D (translocation/cyclin D, TC)分類(lèi),Lionetti等[6]通過(guò)多重分析發(fā)現(xiàn)MM在5個(gè)TC組中有26個(gè)miRNAs具有顯著表達(dá)差異現(xiàn)象,其中值得注意的是在TC5組中有10種miRNAs相比于其它4個(gè)TC組有明顯的過(guò)表達(dá)趨勢(shì)。在這10種過(guò)表達(dá)的miRNAs中,miR-155在MM中高水平表達(dá)首次被發(fā)現(xiàn)。 目前已知miR-155在B細(xì)胞淋巴瘤中是一個(gè)重要的生物標(biāo)志物,有關(guān)miR-155在惡性漿細(xì)胞病中的功能還沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道。由于漿細(xì)胞也是來(lái)源于B細(xì)胞,因此,miR-155在MM中是否具有類(lèi)似B細(xì)胞淋巴瘤中癌基因功能,這引起我們極大的關(guān)注。

miRNA是一類(lèi)內(nèi)源性,約22個(gè)核苷酸長(zhǎng)度的非編碼小RNA,通過(guò)轉(zhuǎn)錄后負(fù)性調(diào)控機(jī)制在細(xì)胞過(guò)程中起著重要的作用。成熟的miRNA與靶mRNA的3’非翻譯區(qū)(3’-untranslated region,3’UTR)配對(duì),從而抑制翻譯過(guò)程或降解靶mRNA。這些小分子RNA也可能在腫瘤形成過(guò)程中起重要作用[12],類(lèi)似癌基因(oncomiRs)功能,因此oncomiRs被當(dāng)作為癌癥治療新的靶點(diǎn)[13]。另一方面,在miRNA的5’端具有7~8個(gè)高度保守序列,被稱(chēng)為種子序列。種子序列通過(guò)與其靶基因mRNA的3’UTR進(jìn)行堿基完全互補(bǔ)配對(duì),促進(jìn)靶基因mRNA降解或抑制mRNA翻譯,從而對(duì)靶基因的表達(dá)水平進(jìn)行轉(zhuǎn)錄后的負(fù)性調(diào)控[14-16]。針對(duì)miRNA種子序列反義核酸可以干擾miRNA與靶基因的配對(duì),從而阻止miRNA發(fā)揮功能。相對(duì)于成熟miRNA而言,針對(duì)種子序列的反義核酸具有分子量小、特異性強(qiáng)、轉(zhuǎn)染效率高等優(yōu)點(diǎn),因而開(kāi)始受到關(guān)注[17]。

為了闡述miR-155在多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞中的作用,本研究針對(duì)miR-155的種子序列合成miR-155的微小反義核酸(tiny antimiR-155, t-antimiR-155),靶向作用于多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞RPMI-8266中的miR-155,探究t-antimiR-155對(duì)多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞的抑制效應(yīng),為腫瘤基因治療尋找新的方法,同時(shí)也為針對(duì)miRNA種子序列的反義核酸藥物開(kāi)發(fā)創(chuàng)造有利條件。

材 料 和 方 法

1 反義寡核苷酸的設(shè)計(jì)與合成

從microRNA Families數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取人miR-155的種子序列,根據(jù)序列互補(bǔ)原理設(shè)計(jì)針對(duì)種子序列的反義寡核苷酸序列(t-antimiR-155),并采用BLAST軟件分析確定其反義寡核苷酸序列及隨機(jī)對(duì)照序列,見(jiàn)圖1。

Figure 1. The sequences of miR-155 and t-antimiR-155.

2 主要試劑

MTT和DMSO購(gòu)自Sigma;胎牛血清及RPMI-1640培養(yǎng)基購(gòu)自Gibco;LipofectamineTM2000購(gòu)自Invitrogen。反義寡核苷酸序列(t-antimiR-155):5’-AGCATTAA-3’;隨機(jī)序列(scrambled sequence,SCR):5’-TCATACTA-3’,均由上海生物工程有限公司合成,全硫代修飾,高效液相色譜(high-performance liquid chromatography, HPLC)純化。

3 主要方法

3.1細(xì)胞培養(yǎng) 將RPMI-8266細(xì)胞(多發(fā)性骨髓瘤細(xì)胞,南方醫(yī)科大學(xué)附屬珠江醫(yī)院惠贈(zèng))接種于含10%胎牛血清、無(wú)抗生素的RPMI-1640培養(yǎng)基中,置于37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱,飽和濕度下培養(yǎng)。每2~3 d換液傳代。實(shí)驗(yàn)選用對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、0.2%臺(tái)盼藍(lán)拒染率>95%的細(xì)胞。

3.2MTT法篩選反義寡核苷酸的最佳作用濃度 本實(shí)驗(yàn)分t-antimiR-155組、SCR組和空白對(duì)照組,每組設(shè)5個(gè)復(fù)孔。t-antimiR-155組中t-antimiR-155的核酸終濃度為0.2、0.3、0.4 和0.5 μmol/L,SCR組中隨機(jī)序列的核酸終濃度為0.2、0.3、0.4和0.5 μmol/L。取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的RPMI-8266細(xì)胞,各組細(xì)胞以1×108cells/L的密度接種于96孔板,每孔50 μL,轉(zhuǎn)染終體積100 μL(轉(zhuǎn)染方法參照Invitrogen公司LipofectamineTM2000說(shuō)明書(shū)),空白對(duì)照組加入50 μL無(wú)血清Opti-MEM培養(yǎng)基。轉(zhuǎn)染6 h后,每孔加入100 μL含20%胎牛血清的RPMI-1640培養(yǎng)基,使每孔終體積為200 μL。48 h后每孔加入MTT液20 μL,于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)4 h后,1 000 r/min離心10 min,棄上清,每孔加入150 μL DMSO,振蕩10 min,使結(jié)晶充分溶解。在多功能酶標(biāo)儀上測(cè)定吸光度A570。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,計(jì)算增殖抑制率。增殖抑制率(%)=(1-A實(shí)驗(yàn)組/A對(duì)照組)×100%。

3.3甲基纖維素細(xì)胞集落培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)觀察細(xì)胞集落形成情況 實(shí)驗(yàn)分組同前,根據(jù)文獻(xiàn)改進(jìn)[11],取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的RPMI-8266細(xì)胞,按1×103cells/well接種于含20%胎牛血清、2 mmol/L L-谷氨酰胺、5 μmol/L β-疏基乙醇和0.9%甲基纖維素的半固體培養(yǎng)基中,置37 ℃、5%CO2和飽和濕度條件下培養(yǎng)7 d。倒置顯微鏡下計(jì)數(shù)集落數(shù)和觀察集落形態(tài),以大于40個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞團(tuán)為1個(gè)集落。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,計(jì)算相對(duì)集落形成率=(實(shí)驗(yàn)組/空白對(duì)照組)×100%。

3.4流式細(xì)胞儀計(jì)量分析RPMI-8266細(xì)胞凋亡情況 實(shí)驗(yàn)分組同前,各組細(xì)胞以5×107cells/L的密度接種于24孔板,每孔400 μL,轉(zhuǎn)染終體積500 μL,空白對(duì)照組加入與實(shí)驗(yàn)組同體積的RPMI-1640培養(yǎng)基。6 h后加入500 μL 含20%胎牛血清的RPMI-1640培養(yǎng)基置于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。反義寡核苷酸組和隨機(jī)對(duì)照組的核酸終濃度為0.4 μmol/L。48 h后離心收集細(xì)胞,采用Annexin V/PI二重染色,流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)細(xì)胞凋亡情況。

4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示,使用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件,采用單因素方差分析法(one-way AVONA)分析各組數(shù)據(jù)差異的顯著性。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1 MTT法篩選反義寡核苷酸最佳作用濃度

t-antimiR-155在0.2 μmol/L和0.4 μmol/L之間有效抑制RPMI-8266細(xì)胞增殖活性,其最佳作用濃度為0.4 μmol/L,與SCR組相比差異顯著(P<0.05)。t-antimiR-155在0.5 μmol/L的濃度顯示出非特異性作用,見(jiàn)圖2。

Figure 2. Inhibition rate of RPMI-8266 cells after transfected with t-antimiR-155.Mean±SD.n=3. *P<0.05 vs SCR group.

2 反義寡核苷酸對(duì)細(xì)胞集落形成的影響

采用甲基纖維素為支持物的集落形成法(colony forming method)檢測(cè)RPMI-8266細(xì)胞的自我更新和增殖能力。7 d后,與SCR組相比,0.4 μmol/L反義寡核苷酸作用于RPMI-8266細(xì)胞后,細(xì)胞集落形成能力較弱,集落形成抑制率較高,差異顯著(P<0.05),見(jiàn)圖3。

3 反義寡核苷酸對(duì)細(xì)胞凋亡的影響

0.4 μmol/L反義寡核苷酸作用于RPMI-8266細(xì)胞48 h后,經(jīng)Annexin V/PI二重染色,流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)細(xì)胞凋亡率為7.56%。與SCR組相比,其凋亡率明顯增加(P<0.05),見(jiàn)圖4。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明t-antimiR-155作用于RPMI-8266細(xì)胞后,細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制,細(xì)胞凋亡明顯增加。

Figure 3. Cell colony formation assay of RPMI-8266 cells.Mean±SD.n=3. *P<0.05 vs SCR.

Figure 4. Flow cytometry analysis of the apoptosis of RPMI-8266 cells.Mean±SD.n=3. *P<0.05 vs SCR.

討 論

多發(fā)性骨髓瘤是起源于漿細(xì)胞的惡性克隆增殖性疾病,以血清或尿液中出現(xiàn)單克隆免疫球蛋白以及多器官功能損害為特征,約占血液系統(tǒng)惡性腫瘤的10%。常規(guī)化療緩解率低,迄今難以治愈[18-19],因此,需要尋找新的治療手段。

miR-155位于21號(hào)染色體上,參與人體造血、炎癥和免疫等功能[6]。作為一個(gè)類(lèi)似癌基因, miR-155在多個(gè)腫瘤中高水平表達(dá)[20],與白血病、乳腺癌、肺癌、胃癌的形成過(guò)程都有密切的關(guān)系[21]。在華氏巨球蛋白血癥(Waldenstrom macroglobulinemia,WM)中,失調(diào)的miR-155通過(guò)調(diào)節(jié)絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)/細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase, ERK)、磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PI3K)/Akt和核因子κB信號(hào)通路,影響WM細(xì)胞生存和生長(zhǎng)[22];通過(guò)敲除miR-155,導(dǎo)致位于G1期的WM細(xì)胞明顯降低,同時(shí)導(dǎo)致細(xì)胞周期依賴(lài)激酶和細(xì)胞周期蛋白D下調(diào)并刺激p53蛋白過(guò)表達(dá)。這意味著miR-155在WM細(xì)胞中通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞周期蛋白導(dǎo)致G1期阻滯[22]。雖然WM和MM一樣,也是漿細(xì)胞病的一種,但miR-155在MM中確切的功能還不清楚。

基于文獻(xiàn)報(bào)道m(xù)iR-155在MM中的高水平表達(dá)[6],可能具有類(lèi)似癌基因的作用,本研究針對(duì)miR-155的種子序列合成反義寡核苷酸t(yī)-antimiR-155,研究其在多發(fā)性骨髓瘤中的抑制作用。我們的數(shù)據(jù)顯示t-antimiR-155經(jīng)脂質(zhì)體轉(zhuǎn)染,顯著抑制RPMI-8266細(xì)胞的增殖,其最佳作用濃度為0.4 μmol/L(圖2)。其他的研究揭示乳腺癌中miR-155靶基因編碼的蛋白是轉(zhuǎn)錄因子FOXO3a(forkhead box O3a),涉及細(xì)胞的存活[23]。同時(shí),Linnstaedt等[24]也證實(shí)在大細(xì)胞淋巴瘤和彌散性大B細(xì)胞淋巴性淋巴瘤中,抑制miR-155的水平也可以抑制細(xì)胞的生長(zhǎng),與我們的結(jié)果一致。本研究首次采用了克隆形成實(shí)驗(yàn)來(lái)研究t-antimiR-155對(duì)RPMI-8266細(xì)胞惡性程度的影響,數(shù)據(jù)顯示t-antimiR-155可以降低RPMI-8266細(xì)胞集落形成的能力(圖3),有效抑制RPMI-8266細(xì)胞的惡性進(jìn)展。流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)結(jié)果顯示t-antimiR-155可以明顯促進(jìn)RPMI-8266細(xì)胞的凋亡(圖4)。

在體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)中,針對(duì)于mRNA的反義核苷酸已經(jīng)被廣泛用于評(píng)價(jià)靶基因的功能[25],同時(shí)有些反義核酸治療方法已經(jīng)用于臨床實(shí)驗(yàn)[25-26],反義核苷酸藥物具有安全性高、易合成、直接抑制靶基因表達(dá)等優(yōu)點(diǎn)。miRNA反義核苷酸也是根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原理,化學(xué)或生物合成與特定的miRNA初級(jí)轉(zhuǎn)錄物、miRNA前體或成熟的miRNA互補(bǔ)的DNA或RNA序列。在細(xì)胞中miRNA反義DNA與靶miRNA形成miRNA-DNA雜化鏈,激活RNA酶H,引起miRNA的降解,從而達(dá)到基因控制和治療的目的。由于成熟miRNA只有19~24個(gè)核苷酸,目前認(rèn)為用反義核苷酸抑制它們的功能是最好、也可能是唯一的方法[27]。

反義核苷酸技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些不容忽視的問(wèn)題,比如高濃度藥物也有一定的毒副作用,與靶序列的親和力低,特別是藥物在體內(nèi)易被降解以及向靶器官傳遞效果不佳等制約了反義藥物開(kāi)發(fā)的進(jìn)程等。對(duì)反義寡核苷酸進(jìn)行一系列的化學(xué)修飾,可以增加反義寡核苷酸的親和力,提高其抗性和在體內(nèi)的輸送效率。提高反義寡核苷酸與靶RNA親和力的修飾涉及糖環(huán)部分,常用的修飾方法有鎖核苷酸(locked nucleic acid, LNA)修飾、2′-O-甲基(2′-O-methyl)修飾、2′-O-甲氧乙基(2′-O-methoxyethyl)修飾、2′-氟代(2′-fluoro)修飾,而在這些修飾中提升與互補(bǔ)RNA親和性最佳的為L(zhǎng)NA修飾,可使雙聯(lián)熔解溫度(Tm)上升2~8 ℃[28]。另一方面,通過(guò)對(duì)反義寡核苷酸骨架的硫代修飾和嗎啉代修飾,可以提高反義寡核苷酸抗性和體內(nèi)的輸送效率[28]。我們?cè)O(shè)計(jì)合成的miR-155種子序列的反義寡核苷酸進(jìn)行了全硫代修飾,本文中缺少對(duì)miR-155沉默的直接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,這是本文章的不足之處,將作為我們今后進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

目前,有關(guān)于miR-155的反義寡核苷酸經(jīng)過(guò)LNA修飾可以沉默miR-155的報(bào)道。他們選用miR-155的多個(gè)靶基因做成熒光報(bào)告基因,用來(lái)檢測(cè)miR-155是否被沉默。檢測(cè)的結(jié)果顯示,經(jīng)過(guò)LNA修飾的antimiR-155可以使miR-155的多個(gè)靶基因(SOCS1、SMAD5、CEBPβ、MAFB、SHANK2和SH3PXD2A)的表達(dá)量明顯增加[29]。由于全硫代修飾的t-antimiR-155的序列和t-LNA-155的序列相同,從理論上看,他們的生物學(xué)功能應(yīng)當(dāng)是相似的。

我們雖然沒(méi)有通過(guò)檢測(cè)miR-155的靶基因來(lái)獲得全硫代修飾的t-antimiR-155沉默miR-155的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù),但在我們以前的研究中,將miR-21的靶基因程序性細(xì)胞死亡4(programmed cell death 4,PDCD4)做成熒光報(bào)告基因,轉(zhuǎn)染硫代修飾的anti-miR-21后,PDCD4的熒光活力明顯比SCR和空白組要高[30]。此結(jié)果可以證明經(jīng)過(guò)全硫代修飾的反義寡核苷酸同樣也可以使靶miRNA沉默。

本研究顯示miR-155在多發(fā)性骨髓瘤中具有重要的類(lèi)似癌基因的作用,針對(duì)種子序列的t-antimiR-155顯著抑制多發(fā)性骨髓瘤的進(jìn)展,可用于腫瘤的實(shí)驗(yàn)治療研究,有一定的藥物開(kāi)發(fā)前景。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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