李思雨,曹靜樺,王鳳偉
結(jié)直腸癌(colorectal cancer, CRC)是消化道最常見的惡性腫瘤之一,如何提高其早期診斷率及有效抑制腫瘤細(xì)胞的侵襲和轉(zhuǎn)移,已成為醫(yī)學(xué)研究亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。腫瘤進(jìn)展是一個多階段的復(fù)雜過程,期間腫瘤細(xì)胞經(jīng)常處在缺氧、營養(yǎng)缺乏、酸中毒等應(yīng)激條件下[1]。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為營養(yǎng)缺乏會顯著降低細(xì)胞基礎(chǔ)活動,但有越來越多的研究[2-4]發(fā)現(xiàn),腫瘤細(xì)胞可能在營養(yǎng)缺乏條件下仍維持生存并進(jìn)行侵襲和遷移。血清作為多種蛋白、生長因子、細(xì)胞因子和激素的來源[5],對促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生長和增殖具有重要作用。血清饑餓(血清剝奪)模型是一種模擬腫瘤營養(yǎng)缺乏環(huán)境的體外模型,指用低于正常培養(yǎng)基的胎牛血清濃度(通常為0.5%~5%)來培養(yǎng)細(xì)胞,但注意血清的完全缺乏對細(xì)胞有不可逆的毒性作用[6]。已有文獻(xiàn)報道,急性血清饑餓作為一種應(yīng)激條件,會增加結(jié)直腸癌側(cè)群細(xì)胞的比例及對化療藥物的抵抗[7],被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞周期[8]、自噬[9]及凋亡[10]等研究中。考慮到腫瘤作為一種慢性疾病,其細(xì)胞在生長過程中通常長期處于營養(yǎng)缺乏狀態(tài),因此采用長期血清饑餓模型能更準(zhǔn)確地模擬其體內(nèi)環(huán)境。本研究針對兩種常見結(jié)直腸癌細(xì)胞系構(gòu)建了長期血清饑餓誘導(dǎo)的亞株,旨在探究慢性血清饑餓的應(yīng)激條件對結(jié)直腸癌細(xì)胞生物學(xué)功能的影響及潛在分子機制,從而為闡明結(jié)直腸癌的發(fā)展機制提供新的視角和實驗基礎(chǔ)。
結(jié)直腸癌細(xì)胞系DLD-1、SW480分別購自美國ATCC細(xì)胞庫和中國科學(xué)院細(xì)胞庫;RPMI1640培養(yǎng)基、胎牛血清購自美國Thermo Fisher Scientific公司;CCK-8試劑盒(HY-K0301)和Stattic試劑(HY-13818)均購自美國MCE公司;8 μm Transwell小室(美國Falcon,353097);RNA快速提取試劑盒(B0004D)和SYBR qPCR試劑盒(A0012-R2)均購自美國EZB公司;預(yù)混型定量用反轉(zhuǎn)錄試劑盒(日本TAKARA公司,RR036A);jetPRIME轉(zhuǎn)染試劑(法國Polyplustransfection);哺乳動物細(xì)胞核蛋白和細(xì)胞漿蛋白提取試劑盒(北京全式金生物,DE201-01);BCA蛋白濃度測定試劑盒(GK10009)和ECL超敏化學(xué)發(fā)光試劑盒(GK10008)均購自美國GLPBIO公司;蛋白酶抑制劑(江蘇康為世紀(jì)公司,CW2200S);Omni-Easy一步法PAGE凝膠快速制備試劑盒(上海Epizyme, PG211);Anti-Integrin Beta 1(武漢Proteintech, 12594-1-AP);Anti-FAK(A11195)、Anti-phospho-FAK-Y397(AP1447)和Anti-STAT3(A1192)均購自武漢ABclonal公司。
SW480和DLD-1細(xì)胞在37℃、5%CO2培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。正常血清培養(yǎng)組細(xì)胞用含10%FBS的RPMI 1640培養(yǎng)液維持培養(yǎng),血清饑餓組細(xì)胞在細(xì)胞狀態(tài)良好(細(xì)胞無明顯空泡、邊緣不清晰、黑點和碎片多等)的情況下將血清濃度從10%FBS依次降至7.5%FBS、5%FBS、2%FBS和1%FBS,32天后細(xì)胞基本適應(yīng)1%FBS的生長環(huán)境。定義適應(yīng)1%FBS培養(yǎng)的細(xì)胞為血清饑餓細(xì)胞(SW480-1%和DLD-1-1%),保持10%FBS培養(yǎng)的細(xì)胞為對照細(xì)胞(SW480 WT和DLD-1 WT)。
分別將血清饑餓組DLD-1-1%、SW480-1%細(xì)胞株和對照組SW480、DLD-1細(xì)胞接種于96孔板,12 h待細(xì)胞貼壁后加入含10% CCK8的無血清培養(yǎng)基,置于培養(yǎng)箱孵育2 h后用酶標(biāo)儀檢測吸光度,同一時間點連續(xù)檢測7天,根據(jù)檢測結(jié)果繪制細(xì)胞生長折線圖。
使用Transwell小室(8 μm),上室加入以無血清RPMI1640重懸的2×104個/ml細(xì)胞懸液250 μl,下室加入含5%FBS的RPMI1640培養(yǎng)液500 μl,置于培養(yǎng)箱中培養(yǎng)36~48 h。取出小室進(jìn)行甲醇固定30 min,結(jié)晶紫染色10 min,無菌棉簽小心擦凈上室側(cè)細(xì)胞,顯微鏡下觀察下室側(cè)細(xì)胞,并拍照記錄遷移情況。
分別將血清饑餓組DLD-1-1%、SW480-1%細(xì)胞株和對照組DLD-1、SW480細(xì)胞消化收集后以30%的細(xì)胞密度接種于六孔板中,待細(xì)胞貼壁后加入siRNA與轉(zhuǎn)染試劑混合物,轉(zhuǎn)染6~8 h后換液,48 h后收集細(xì)胞。取相同數(shù)量的血清饑餓組和對照組細(xì)胞以80%的細(xì)胞密度接種于6孔板中,待細(xì)胞貼壁后加入稀釋后的STAT3抑制劑Stattic,使藥物終濃度為5 μmol/L,24 h后收集細(xì)胞。本研究使用的siRNA通過NCBI Blast確認(rèn)靶點特異性,由銳博生物合成,見表1。
表1 本研究使用的引物和siRNA序列Table 1 Primer and siRNA sequence used in this study
取6 cm培養(yǎng)皿中處于對數(shù)生長期的血清饑餓組DLD-1-1%、SW480-1%細(xì)胞株和對照組DLD-1、SW480細(xì)胞,棄培養(yǎng)基后加入PBS充分清洗,再加入RNA提取裂解液充分吹打,按說明書步驟提取RNA,得到的RNA樣品用Nanodrop微量分光光度計進(jìn)行定量和質(zhì)量評估。整個操作過程處于無RNA酶、DNA酶污染環(huán)境下。
取2 μg RNA樣品,用PrimeScript? RT Master Mix配制成20 μl反轉(zhuǎn)錄體系,置于PCR儀進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄反應(yīng),程序為:37℃ 15 min,85℃ 15 s,4℃暫存。得到的cDNA樣品用ddH2O進(jìn)行稀釋,并配制SYBR Green qPCR Mix、特異性引物及ddH2O混合液,按順序定量加至Bio-Rad 96孔qPCR板中,每個樣品設(shè)三個復(fù)孔,離心后置于Roche實時熒光定量PCR儀中進(jìn)行檢測,反應(yīng)程序為:95℃預(yù)變性5 min,PCR反應(yīng) 95℃ 10 s,60℃ 10 s,72℃15 s,循環(huán)40次,72℃徹底延伸5 min,最后65℃~95℃繪制溶解曲線。本研究使用的引物序列查詢自Primer Bank,經(jīng)NCBI Blast匹配,由擎科生物合成,見表1。
收集10 cm培養(yǎng)皿中處于對數(shù)生長期的細(xì)胞,按照全式金核漿分離試劑盒說明書進(jìn)行操作,提取的細(xì)胞核蛋白和細(xì)胞漿蛋白經(jīng)BCA法測濃度后配成相同濃度蛋白樣品,隨后進(jìn)行Western blot實驗。
收集處于對數(shù)生長期的細(xì)胞,PBS洗兩次后加入IP裂解液,冰上裂解30 min,隨后4℃12 000 r/min離心20 min,取上清液用BCA法測定蛋白濃度,將每組樣品統(tǒng)一配置成3 μg/μl的濃度。使用凝膠快速制備試劑盒配置10%濃度的SDS-PAGE膠,每個樣品取相同蛋白量進(jìn)行上樣,以90 V恒壓進(jìn)行電泳30 min,隨后加大電壓至120 V,當(dāng)溴酚藍(lán)條帶即將跑出凝膠時停止電泳。以250 mA恒流轉(zhuǎn)膜2 h,5%脫脂牛奶封閉PVDF膜1 h,4℃一抗孵育過夜。次日TBST洗3遍,二抗室溫孵育1 h,TBST洗3遍,最后加ECL發(fā)光液進(jìn)行曝光。
本研究委托武漢康測科技有限公司進(jìn)行RNA建庫測序,獲得的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過濾、比對人類全基因組、基因表達(dá)定量從而得到差異基因表達(dá)數(shù)據(jù),使用metascape基因注釋網(wǎng)站進(jìn)行GO和KEGG富集分析,輸出結(jié)果利用R語言的dplyr函數(shù)、DOSE包和ggplot包繪制富集氣泡圖,利用R語言的circlize包和ComplexHeatmap包繪制環(huán)狀熱圖。從String數(shù)據(jù)庫下載蛋白互作信息,導(dǎo)入Cytoscape并使用CytoHubba插件繪制核心基因互作圖。
使用ImageJ軟件進(jìn)行Transwell小室細(xì)胞計數(shù)及Western blot灰度值定量,GraphPad Prism 8軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析及繪圖,采用Student′st-test檢驗對兩組間的差異進(jìn)行分析,P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
顯微鏡下觀察可見10%FBS培養(yǎng)的SW480呈三角形、梭形或圓形,邊緣銳利。長期血清饑餓后細(xì)胞體積增大,邊緣變模糊毛糙,核漿比增大,細(xì)胞密度提高時聚集性更加明顯。10%FBS培養(yǎng)的DLD-1呈不規(guī)則梭形,血清饑餓后細(xì)胞形態(tài)大小不一,部分細(xì)胞突出增多,見圖1。
圖1 長期血清饑餓后腸癌細(xì)胞形態(tài)變化Figure 1 Morphological changes of colorectal cancer cells after prolonged serum deprivation
CCK-8實驗結(jié)果顯示:血清饑餓的SW480和DLD-1細(xì)胞增殖能力明顯弱于對照組細(xì)胞,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(均P<0.05),見圖2。
圖2 長期血清饑餓對SW480和DLD-1細(xì)胞增殖能力的影響Figure 2 Impact of prolonged serum deprivation on proliferation capacity of SW480 and DLD-1 cells
Transwell實驗結(jié)果顯示:血清饑餓減弱了DLD-1細(xì)胞的遷移能力,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.0001);但血清饑餓的SW480遷移能力明顯強于對照組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.0004),見圖3。以上結(jié)果提示,在腫瘤進(jìn)展的過程中,腫瘤中的部分癌細(xì)胞可以耐受長期的營養(yǎng)匱乏并在其刺激下獲得更強的遷移能力,這可能是腫瘤轉(zhuǎn)移及復(fù)發(fā)的重要原因之一。
圖3 長期血清饑餓對SW480和DLD-1細(xì)胞遷移能力的影響Figure 3 Effect of prolonged serum deprivation on migration of SW480 and DLD-1 cells
為探索SW480耐受血清饑餓并獲得更強遷移能力的潛在分子機制,我們對血清饑餓及對照的SW480細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序,實驗組和對照組每組細(xì)胞設(shè)置兩個生物學(xué)重復(fù)。主成分分析(PCA)顯示組內(nèi)兩個樣本分布較為聚集,見圖4A,提示實驗重復(fù)性好;組間樣本分布散在,具有較好的區(qū)分度,提示血清饑餓對細(xì)胞的基因表達(dá)有顯著調(diào)控。以|log2FC|>1且FDR<0.05為閾值,篩選出6 486個差異基因,其中血清饑餓誘導(dǎo)3 016個基因表達(dá)上調(diào),3 470個基因表達(dá)下調(diào),見圖4B。
圖4 SW480細(xì)胞轉(zhuǎn)錄水平差異基因分布特征Figure 4 Distribution characteristics of differentiallyexpressed genes (DEGs) in SW480 cells
對長期血清饑餓誘導(dǎo)上調(diào)的3 016個差異基因進(jìn)行GO和KEGG富集分析。GO數(shù)據(jù)庫分別從細(xì)胞組分(cellular component, CC)、分子功能(molecular function, MF)和生物過程(biological process, BP)3個角度對基因進(jìn)行注釋,富集到細(xì)胞增殖負(fù)調(diào)控、細(xì)胞遷移正調(diào)控、細(xì)胞運動、血管形成等生物過程相關(guān)的基因,KEGG通路分析主要富集到細(xì)胞黏附分子相關(guān)通路,這與觀察到的功能實驗相一致,提示高通量測序數(shù)據(jù)具有較高的可信度,結(jié)果見圖5。
圖5 差異表達(dá)基因GO和KEGG富集分析Figure 5 GO and KEGG enrichment analyses of differentially-expressed genes
選取GO富集分析中與細(xì)胞遷移相關(guān)的283個基因,見圖6A。為進(jìn)一步篩選其中發(fā)揮潛在介導(dǎo)作用的關(guān)鍵分子,我們使用String在線數(shù)據(jù)庫分析了283個遷移相關(guān)基因的蛋白互作信息。該組基因?qū)隒ytoscape軟件后,采用拓?fù)浞治龇椒‥c-Centricity篩選出互作網(wǎng)絡(luò)中排名前20位的潛在關(guān)鍵基因,見圖6B。隨后對評分最高的16個核心基因進(jìn)行qPCR驗證,見圖7,發(fā)現(xiàn)血清饑餓的確在SW480中上調(diào)了VTN、TNS1、VEGFA、STAT3、ITGB1、PTEN、CDH5和CTTN等基因的mRNA表達(dá)水平,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.0001)。
圖6 SW480細(xì)胞遷移相關(guān)差異基因分析Figure 6 Analysis of migration-related DEGs in SW480 cells
圖7 長期血清饑餓上調(diào)SW480細(xì)胞轉(zhuǎn)錄核心基因mRNA水平Figure 7 Prolonged serum starvation upregulated the mRNA levels of the SW480 cell transcriptome core gene
為了找到促進(jìn)SW480遷移的關(guān)鍵介導(dǎo)分子,我們采用Western blot實驗來檢測遷移相關(guān)核心基因的表達(dá),并通過文獻(xiàn)閱讀初步確認(rèn)了ITGB1的重要性。隨后,我們檢測了文獻(xiàn)中報道的ITGB1相關(guān)通路FAK-SRC和JAK2-STAT3的關(guān)鍵激酶蛋白表達(dá)和磷酸化水平,見圖8。血清饑餓上調(diào)SW480 ITGB1、p-JAK2、p-STAT3(Tyr705)、p-STAT3(Ser727)、STAT3、MMP2蛋白表達(dá),下調(diào)p-FAK表達(dá)水平,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(均P<0.05)。通過核漿分離實驗發(fā)現(xiàn)血清饑餓后SW480 STAT3轉(zhuǎn)錄因子入核增多,而DLD-1 STAT3核漿蛋白水平不受血清饑餓的影響,見圖9。
圖8 長期血清饑餓上調(diào)SW480細(xì)胞ITGB1/p-JAK2/p-STAT3/MMP2蛋白表達(dá)Figure 8 Prolonged serum starvation promoted the protein expression of ITGB 1/p-JAK2/p-STAT3/MMP2 in SW480 cells
圖9 長期血清饑餓促進(jìn)SW480細(xì)胞STAT3轉(zhuǎn)位進(jìn)入細(xì)胞核Figure 9 Prolonged serum starvation promoted STAT3 translation to the nucleus in SW480 cells
為探究上調(diào)的ITGB1和STAT3的磷酸化水平對SW480的影響,采用Transwell實驗驗證血清饑餓組和對照組細(xì)胞轉(zhuǎn)染siRNA或加入5 μmol/L STAT3抑制劑(stattic)后遷移能力的變化。ITGB1的敲降效果和stattic抑制STAT3磷酸化的作用見圖10A~B。敲降ITGB1能減弱血清饑餓SW480細(xì)胞的遷移能力,而正常血清組不受影響,見圖10C。5 μmol/L stattic作用24 h均能抑制兩組細(xì)胞的遷移能力,并且對血清饑餓SW480遷移能力的抑制作用相較于對照組更顯著,見圖10D,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(均P<0.05)。
圖10 敲低ITGB1和使用STAT3抑制劑減弱血清饑餓SW480細(xì)胞的遷移能力Figure 10 Knockdown of ITGB1 and use of STAT3 inhibitor reduced the migration capacity of serum-starved SW480 cells
腫瘤細(xì)胞在生長、遷移、侵襲的過程中持續(xù)受到不利環(huán)境條件的刺激[11],尤其是營養(yǎng)物質(zhì)的匱乏。為探索其對腫瘤細(xì)胞生物學(xué)功能的影響及機制,目前研究主要利用葡萄糖剝奪、氨基酸剝奪、血清饑餓等體外模型來模擬體內(nèi)腫瘤的營養(yǎng)缺乏狀態(tài)。
為揭示長期營養(yǎng)匱乏對結(jié)直腸癌細(xì)胞生物學(xué)功能的影響,我們構(gòu)建了1%FBS耐受細(xì)胞亞株SW480-1%和DLD-1-1%,并對其增殖、遷移能力進(jìn)行檢測。長期血清饑餓導(dǎo)致SW480和DLD-1細(xì)胞增殖能力下降,這可能主要歸因于培養(yǎng)基中營養(yǎng)和生長因子的不足,但也可能涉及其他機制。例如,研究發(fā)現(xiàn)腸癌細(xì)胞HD6在低血清條件下培養(yǎng)48小時會上調(diào)Mirk表達(dá),通過降低cyclin D1的穩(wěn)定性使細(xì)胞停留在G0期,從而抑制了其生長[12]。值得注意的是,長期血清饑餓減弱DLD-1的遷移能力,但增強SW480的遷移能力。為了探究其潛在的分子機制,我們分別對DLD-1、SW480的血清饑餓組及對照組細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序,DLD-1轉(zhuǎn)錄組分析未得到顯著差異,而SW480轉(zhuǎn)錄組差異基因富集到細(xì)胞遷移正調(diào)控通路。基于283個遷移相關(guān)且表達(dá)上調(diào)的基因,我們構(gòu)建遷移相關(guān)基因核心蛋白互作網(wǎng)絡(luò),并選取評分最高的16個基因進(jìn)行qPCR驗證。相較于對照組細(xì)胞,血清饑餓細(xì)胞的VTN、TNS1、VEGFA、STAT3、ITGB1、PTEN、CDH5和CTTNmRNA表達(dá)水平顯著上調(diào)。通過相關(guān)文獻(xiàn)回顧,我們發(fā)現(xiàn)此組基因在多種癌種中具有顯著促轉(zhuǎn)移的作用。結(jié)合蛋白表達(dá)水平驗證,我們初步確定了ITGB1作為進(jìn)一步研究的分子。
ITGB1基因編碼Integrin Subunit Beta 1,屬于整合素家族。該家族是一組由18種α亞基、8種β亞基組合形成的糖基化異二聚體跨膜蛋白,不僅作為胞膜受體參與細(xì)胞黏附和分子識別,同時參與細(xì)胞增殖、遷移和侵襲等多種生命活動[13]。研究顯示,ITGB1的高表達(dá)與胃癌患者的不良預(yù)后和高復(fù)發(fā)率緊密相關(guān)[14],并在乳腺癌與膠質(zhì)瘤的惡性進(jìn)展中,特別是在侵襲、轉(zhuǎn)移和血管生成方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[15-16]。Chang等通過對微陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行生信分析及臨床樣本驗證,提出ITGB1可作為預(yù)測結(jié)直腸癌患者預(yù)后的新指標(biāo)[17]。在我們的研究中,長期血清饑餓顯著上調(diào)了SW480細(xì)胞中的ITGB1表達(dá),而對DLD1細(xì)胞無明顯影響,這表明血清饑餓可能通過增強ITGB1的表達(dá)來增強SW480細(xì)胞的遷移能力。整合素負(fù)責(zé)介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)外的雙向信號傳遞。當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激時,整合素從折疊狀態(tài)變?yōu)榛钚孕问?,其胞外段與細(xì)胞外基質(zhì)的配體蛋白結(jié)合,驅(qū)動整合素形成蛋白簇,胞內(nèi)段則與支架蛋白、細(xì)胞骨架蛋白和信號蛋白等相互作用,形成復(fù)雜而動態(tài)的結(jié)構(gòu)黏附體,進(jìn)而觸發(fā)下游信號的激活[18]。雖然FAK-SRC是整合素介導(dǎo)細(xì)胞遷移的經(jīng)典激酶家族,但我們的實驗排除了ITGB1通過促進(jìn)FAK第397位酪氨酸磷酸化激活FAK-SRC從而調(diào)節(jié)細(xì)胞遷移的可能性。文獻(xiàn)表明,整合素能夠激活多條信號通路,如PI3KAKT、MAPK-ERK和JAK-STAT,進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞的生存、增殖和遷移[19],此前的生物信息學(xué)分析也提示遷移相關(guān)的核心基因包括JAK2和STAT3。在后續(xù)的實驗中,我們觀察到血清饑餓SW480細(xì)胞的確激活了JAK2-STAT3信號通路,導(dǎo)致STAT3的磷酸化并入核,從而促進(jìn)了MMP2等遷移相關(guān)正向調(diào)控蛋白的表達(dá)。通過敲降ITGB1和使用STAT3抑制劑,我們觀察到在血清饑餓條件下增強的SW480細(xì)胞遷移能力被有效抑制,并且敲降ITGB1的效果更為顯著,這表明ITGB1的上調(diào)除了激活JAK2-STAT3信號通路外,還可能通過其他分子途徑影響細(xì)胞遷移。
總之,本研究發(fā)現(xiàn)結(jié)直腸癌細(xì)胞可耐受慢性饑餓應(yīng)激,并通過上調(diào)ITGB1增強其遷移能力,提示應(yīng)激條件可能促進(jìn)癌細(xì)胞的惡性表型,為理解體內(nèi)應(yīng)激條件對腫瘤細(xì)胞的影響提供了實驗基礎(chǔ)。此外,盡管STAT3作為腫瘤藥物研發(fā)的重要靶點,近20年來已有多種抑制劑進(jìn)入臨床試驗,但受限于藥效、不良反應(yīng)等原因治療方案尚未獲得FDA批準(zhǔn)[20]。本研究發(fā)現(xiàn)低濃度STAT3抑制劑對遷移能力更強的血清饑餓細(xì)胞有更好的抑制作用,提示STAT3抑制劑可能對惡性傾向更顯著的結(jié)直腸癌細(xì)胞有同樣甚至更好的治療效果,為了解腫瘤異質(zhì)性與STAT3信號通路的關(guān)系提供了新的線索。不足的是,關(guān)于慢性饑餓應(yīng)激是通過何種機制促進(jìn)ITGB1表達(dá),以及ITGB1調(diào)節(jié)JAK2激酶活性的具體機制仍有待探索。
利益沖突聲明:
所有作者均聲明不存在利益沖突。