余同露,蔡棟梁,朱根鳳,葉曉娟,閔太善,陳紅巖,盧大儒,陳浩明
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基因干擾對乳腺癌MDA-MB-231細胞增殖和凋亡的影響
余同露1,2,蔡棟梁1,2,朱根鳳1,2,葉曉娟1,2,閔太善1,2,陳紅巖1,2,盧大儒1,2,陳浩明1,2
1. 復旦大學生命科學學院,上海 200438 2. 復旦大學現(xiàn)代人類學教育部重點實驗室,上海 200438
乳腺癌目前是危害女性常見的惡性腫瘤,研究發(fā)現(xiàn)COP9復合體中的各個亞基與惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān),且CSN4亞基對整個復合體具有很重要的調(diào)節(jié)作用。為探討基因在乳腺癌細胞中的生物學功能及其分子作用機制,本研究首先在乳腺癌細胞MDA-MB-231中,成功建立了慢病毒介導的基因的干擾表達體系,并通過細胞表型實驗、CCK8實驗和細胞克隆形成實驗證實基因表達的干擾能顯著抑制乳腺癌MDA-MB-231細胞的增殖速率和克隆形成能力。流式細胞檢測結(jié)果表明,干擾的表達能顯著增加Sub G1期乳腺癌MDA-MB-231細胞比例;凋亡檢測結(jié)果表明,干擾的表達能顯著增加早期凋亡和晚期凋亡細胞的比例,這證明干擾的表達能夠促進乳腺癌細胞凋亡。最后,通過Western blot實驗證實能調(diào)控CDK6和Caspase3蛋白的表達,激活Caspase3切割PARP,揭示可調(diào)控CDK6和Caspase3的表達從而影響乳腺癌細胞的增殖和凋亡。本研究結(jié)果進一步加深了人們對乳腺癌細胞凋亡和細胞生長的分子機制的認識,同時也進一步揭示了CSN4在腫瘤生物學中的作用和機制。
乳腺癌;;細胞增殖;細胞凋亡;CDK6;Caspase3
乳腺癌是危害女性健康最常見的惡性腫瘤之一,其發(fā)病率逐年上升。據(jù)GLOBOCAN (global can-cer observatory)的數(shù)據(jù)顯示,乳腺癌高居中國女性癌癥發(fā)病率首位,發(fā)病率為21.6/10萬[1]。2015年,中國新發(fā)乳腺癌高達27萬例,嚴重威脅女性健康[2]。乳腺癌細胞的惡性增殖和轉(zhuǎn)移是患者死亡的主要原因,尤其是乳腺癌中惡性程度最高的三陰性乳腺癌[3],具有高轉(zhuǎn)移性、強侵襲性和致死性強等特點,因此,揭示乳腺癌發(fā)生發(fā)展的分子機制對于科學研究和臨床治療均具有十分重要的意義。
基因編碼COP9信號復合體(COP9 signa-losome complex, CSN)第4亞基。COP9信號復合體在真核生物中高度保守,對于細胞增殖、生長和生存都具有重要作用[4~8]。COP9復合體參與蛋白質(zhì)泛素化過程,對泛素降解的蛋白質(zhì)如p27、p53、Mdm2、Smad7和Skp2等具有一定的調(diào)控作用[9~16],同時研究發(fā)現(xiàn)COP9復合體中的各個亞基的表達與很多惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[17~24]。
基因曾被發(fā)現(xiàn)在前列腺癌細胞中,干擾的表達能夠抑制前列腺癌細胞的增殖[25]。亞基對整個復合體的穩(wěn)定性以及復合體的其它亞基都具有重要的調(diào)節(jié)作用。本實驗室前期通過TCGA數(shù)據(jù)庫分析基因在腫瘤和正常組織樣本的mRNA存在差異。在本實驗室的前期研究工作中初步探索了在三陰性乳腺癌TNBC (triple- negative breast cancer)中的發(fā)生發(fā)展機制,且大量文獻也揭示確實影響乳腺癌的發(fā)生發(fā)展。文獻中報道,在CSN復合體的結(jié)構(gòu)中,CSN復合物在泛素化途徑中需要連接cullin-RING E3連接酶發(fā)揮作用,而和在泛素化途徑中共同發(fā)揮去NEDD化作用是需要協(xié)同作用。因此,為進一步探討是否在三陰性乳腺癌中發(fā)揮重要作用,本研究在高轉(zhuǎn)移性的三陰性乳腺癌細胞系MDA- MB-231中建立穩(wěn)定干擾的表達體系,通過慢病毒介導的RNA干擾技術(shù)(RNA interference,RNAi),探討了在三陰性乳腺癌細胞中抑制表達后,對腫瘤細胞的細胞增殖、細胞周期和細胞凋亡的影響,初步揭示參與調(diào)控CDK6和Caspase3的分子機制,為進一步制定基因的臨床治療方案提供參考。
人乳腺癌細胞MDA-MB-231和293T細胞為本實驗室保存;慢病毒包裝相關(guān)質(zhì)粒VSVG、PLP1和PLP2為本實驗室保存;Trizol和Lipofectamin2000試劑購自Invitrogen公司(美國);RNA反轉(zhuǎn)錄試劑盒和定量PCR試劑購自南京諾維贊生物科技有限公司;HRP標記的Western blot二抗均購自上海碧云天公司;細胞凋亡檢測試劑盒Annexin V-PE/7- AAD購自美國BD公司;抗體購自美國Novus公司,Caspase3、β-actin和CDK6抗體均購自美國Cell signaling公司;細胞培養(yǎng)試劑均購自Gibco品牌賽默飛世爾科技(中國)有限公司。
MDA-MB-231和293T細胞培養(yǎng)使用DMEM高糖培養(yǎng)基,培養(yǎng)基中含有10%胎牛血清(FBS)和1%的青霉素-鏈霉素雙抗,37℃置于CO2培養(yǎng)箱。
干擾表達的慢病毒shRNA (對照),sh1和sh3 (干擾組)慢病毒包裝時,在10 cm培養(yǎng)皿的生長狀態(tài)較好的293T細胞中,加入40 μL的Lipofectin2000轉(zhuǎn)染試劑、7.5 μg表達shRNA的慢病毒載體質(zhì)粒以及3種輔助質(zhì)粒VSVG、PLP1和PLP2各2.5?μg,12 h后換新鮮培養(yǎng)基,再培養(yǎng)48 h后收集病毒上清,2 000 r/min離心10 min,上清用0.45 μm濾器過濾分裝保存在-80℃冰箱;感染時,取適量慢病毒加入到懸浮的乳腺癌細胞中,并按照(1∶1000)體積加入10 mg/mL polybrene。
干擾基因表達的慢病毒shRNA序列:sh1:5¢-GCCCAAGTGTTGGTGGGAATTT-3¢;sh3:5¢-GCTCTCTTACAAGACAATAGT-3¢。對照組慢病毒shRNA序列:5¢-cgtacgcggaata-cttcga-3¢。
收集慢病毒感染的細胞,棄去上層培養(yǎng)基后用PBS洗滌3次,加入TRIzol裂解5 min,加入三氯甲烷震蕩15 s后靜置2 min,4℃離心后取上清,再加入等量異丙醇充分混勻后放置-20℃靜置10 min,棄上清后留下沉淀并用75%乙醇洗滌2次,4℃離心棄上清后晾干10~20 min,加入適量DEPC水溶解并測完濃度后保存于?80℃冰箱。根據(jù)反轉(zhuǎn)錄試劑盒合成cDNA,實時熒光定量采用SYBR Green I熒光染料檢測,在ABI公司7900HT的定量PCR儀檢測。GAPDH基因作為內(nèi)參,實驗進行3組重復;上游引物:5¢-GTAAGCCTCTGCCTGGACTG-3¢,下游引物:5¢-AGGAGCAGGTTGCTTCCATA- 3¢。根據(jù)樣本的Ct值計算2-ΔΔCt值,計算每個腫瘤樣品中的目的基因?qū)τ谡悠返谋稊?shù)差異。首先計算出每個樣品每個基因的Ct平均值,然后計算ΔCt = Ct (目標基因) ? Ct(管家基因)。本實驗采取作為管家基因,首先計算每個樣品中目的基因的相對Ct值,然后用公式ΔΔCt=ΔCt(實驗樣本) ? ΔCt(對照樣本)。重復3次試驗計算值。
收集慢病毒感染后的細胞,加入RIPA裂解液冰上裂解1 h,4℃、12 000 r/min離心15 min。吸上清轉(zhuǎn)移入新的Eppendorf管,測定蛋白濃度,然后加入適量的蛋白上樣緩沖液混勻后煮沸5~10 min,上樣30~100 μg的總蛋白進行SDS-PAGE電泳,恒流轉(zhuǎn)膜2 h,轉(zhuǎn)膜條件:250 V,0.3 A。封閉1 h后一抗二抗孵育,加入Thermo顯色劑,在G-BOX顯影儀曝光顯影。
將慢病毒感染后的各組細胞,計數(shù)細胞后調(diào)整細胞密度,按每孔1000個細胞接種于96孔板中,每組6個重復,細胞培養(yǎng)一定時間后CCK-8處理,利用美國Bio-Rad公司酶標儀在450 nm波長下檢測值。
收集慢病毒感染后的狀態(tài)較好的細胞,1 000 r/min離心3 min收集細胞,PBS洗滌2次。每組細胞加入500 μL PBS,包含10 μg/mL碘化丙啶(PI) 5 μL,0.2% Tritonx-100 75 μL和1 μg/mL RNase A的染色液,室溫避光染色15 min后檢測細胞Sub G1期,通過DNA含量分析法分析結(jié)果。
將慢病毒感染后的細胞計數(shù)后,按同等數(shù)目1000個細胞每孔傳代到六孔板,7~15 d左右隨時觀察。待細胞長成肉眼可見的細胞集落,開始處理細胞,PBS洗滌細胞2次,再用甲醇容易固定細胞20 min,PBS洗凈,加上Gimasa染色液染色30 min。然后統(tǒng)計集落數(shù)。
本研究中數(shù)值用“均值±標準差”表示,所有實驗重復3次以上,組間通過SPSS17.0軟件進行檢驗,用統(tǒng)計學分析方法檢測差異是否具有統(tǒng)計學意義。
首先,將基因的shRNA干擾慢病毒(sh1和sh3)和對照慢病毒(shLuc)分別感染MDA-MB-231細胞,96?h后用熒光顯微鏡觀察慢病毒感染效率。然后,分別提取感染后的細胞總RNA和總蛋白質(zhì),通過實時定量PCR和Western blot方法檢測細胞內(nèi)的mRNA和蛋白的表達水平。結(jié)果表明,根據(jù)可見光視野和熒光視野對比,對照組和干擾組慢病毒感染乳腺癌細胞MDA-MB-231,感染效率達到90%以上,表明感染效率高(圖1A);實時定量PCR分析結(jié)果顯示,相比較對照組shLuc,干擾后的實驗組的mRNA表達量顯著低于用shLuc對照慢病毒感染的乳腺癌細胞,檢驗統(tǒng)計分析差異極顯著,即<0.001 (圖1B)。Western blot實驗結(jié)果顯示,干擾組的蛋白表達翻譯水平顯著低于對照組慢病毒感染的乳腺癌細胞(圖1C)。上述研究結(jié)果表明,慢病毒介導的shRNA干擾能有效抑制基因的mRNA 和蛋白水平的表達,本研究成功構(gòu)建了乳腺癌細胞 MDA-MB-231中的表達干擾系統(tǒng)。
使用對照組慢病毒和干擾組慢病毒分別感染MDA-MB-231細胞,確認感染效率后,使用CCK-8細胞生長速率試劑盒檢測對照組和干擾組的細胞增殖速率。結(jié)果顯示,在MDA-MB- 231乳腺癌細胞中,相比較對照組,干擾組的生長速率均顯著低于對照shLuc。統(tǒng)計分析表明,干擾組和對照組相比差異具有統(tǒng)計學意義(< 0.001) (圖2)。這表明MDA-MB-231細胞中基因的表達干擾使得細胞的增殖能力發(fā)生了顯著的下降,即基因?qū)τ贛DA-MB-231的細胞增殖能力具有重要作用。
為進一步檢測對乳腺癌細胞增殖能力的影響,本研究檢測了干擾后對乳腺癌細胞克隆形成能力的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),基因干擾實驗組的克隆細胞數(shù)相比對照組細胞數(shù)目少(圖3A);重復3次實驗后的統(tǒng)計結(jié)果表明,差異具有極其顯著的統(tǒng)計學意義(圖3B)。這說明基因表達被干擾后能夠抑制了乳腺癌細胞MDA-MB-231的細胞克隆形成能力,進一步證明對于乳腺癌細胞的增殖起到很重要的作用。
圖1 MDA-MB-231細胞中慢病毒介導的CSN4干擾表達的檢測
A:慢病毒感染MDA-MB-231細胞熒光拍攝圖。左側(cè)為可見光視野圖片,右側(cè)為熒光視野圖片。B:乳腺癌細胞系MDA-MB-231中干擾后的mRNA的相對表達水平變化。檢驗方法分析差異具有統(tǒng)計學意義,***表示<0.001,存在極顯著差異。C:MDA-MB-231細胞中慢病毒介導的干擾表達后的CSN4蛋白的表達水平。β-actin蛋白為內(nèi)參。
圖2 CCK8試劑盒檢測CSN4表達干擾對MDA-MB- 231細胞增殖的影響
各組細胞在CCK8細胞增殖實驗中450 nm處的平均吸光值±SD (=6),代表細胞相對的增殖能力。兩組干擾組(sh1和sh3)與對照組相比差異均具有統(tǒng)計學意義,***表示<0.001,存在極顯著差異。
將干擾表達實驗組和shLuc對照組的乳腺癌MDA-MB-231細胞進行PI染色后用流式細胞儀檢測Sub G1期比例,結(jié)果顯示,干擾表達實驗組的Sub G1期細胞比例相較于shLuc對照組顯著增加,sh3組細胞相比對照組shLuc細胞上調(diào)近50%,統(tǒng)計分析表明兩者差異極顯著(<0.001),具有統(tǒng)計學意義(圖4,A和B)。這表明在乳腺癌細胞中干擾的表達會明顯增加細胞凋亡的比例。
同時,將干擾實驗組和對照組shLuc的乳腺癌細胞進行Annexin V-PE/7-AAD細胞凋亡試劑盒檢測。結(jié)果顯示,在MDA-MB-231細胞中,當?shù)谋磉_被干擾后,與對照組相比,早期凋亡的細胞(右下象限)和晚期凋亡細胞(右上象限)都有顯著性增加(圖4C),統(tǒng)計分析表明差異極其顯著(<0.001)。這進一步證明基因在乳腺癌細胞凋亡過程中起到很關(guān)鍵的作用。
上述研究結(jié)果表明,的干擾表達能夠影響乳腺癌細胞的增殖和凋亡。進一步利用顯微鏡觀察到干擾表達的實驗組乳腺癌細胞會發(fā)生大量死亡的現(xiàn)象,細胞狀態(tài)明顯變差,細胞皺縮,有漂浮現(xiàn)象;而對照組細胞狀態(tài)較好,細胞舒展,形態(tài)正常(圖5A)。
對照組慢病毒和干擾組慢病毒感染后,分別抽提慢病毒感染后乳腺癌MDA-MB-231細胞的總蛋白,Western blot 檢測被干擾后的Caspase3、CDK6和PARP的蛋白表達水平。結(jié)果表明,通過慢病毒感染干擾細胞內(nèi)CSN4蛋白的表達,即CSN4的蛋白表達水平下降后,同時檢測的CDK6蛋白表達的水平發(fā)生了顯著的下調(diào)(圖5B)。這說明干擾的表達能夠引起乳腺癌細胞關(guān)鍵性周期蛋白CDK6表達量發(fā)生變化。同時,干擾細胞內(nèi)CSN4蛋白表達水平后,Caspase3總蛋白的表達水平發(fā)生了下調(diào),而被剪切的cleaved-caspase3蛋白量發(fā)生上調(diào),被剪切的PARP蛋白出現(xiàn)上調(diào),表明Caspase3被激活,作用于其底物PARP,將PARP剪切,剪切的PARP蛋白出現(xiàn)顯著上調(diào)。上述結(jié)果充分說明干擾CSN4蛋白的表達后,Caspase3的信號通路被激活。
圖3 CSN4表達干擾對于MDA-MB-231細胞克隆形成能力的影響
A:干擾組和對照組的慢病毒感染MDA-MB-231形成的細胞克隆對比。B:重復3次實驗的統(tǒng)計分析結(jié)果。***表示<0.001,存在極顯著差異。
A:干擾表達后MDA-MB-231細胞Sub G1期比例檢測。B:重復3次實驗的統(tǒng)計分析結(jié)果。檢驗結(jié)果表明差異極顯著(***表示<0.001),具有統(tǒng)計學意義。C:Annexin V-PE/7-AAD 細胞凋亡試劑盒檢測結(jié)果。在每組4個象限中,左上:死亡細胞;右上:晚期凋亡細胞;左下:正常細胞;右下:早期凋亡細胞。
圖5 CSN4表達干擾對MDA-MB-231細胞中CDK6和Caspase3蛋白表達的影響
A:慢病毒感染MDA-MB-231細胞熒光拍攝圖。左側(cè)為可見光視野,右側(cè)為熒光視野;B:Western blot檢測不同實驗組細胞中CSN4、CDK6和Caspase3蛋白的表達水平。β-actin為內(nèi)參。
三陰性乳腺癌的惡性程度較高,表現(xiàn)在侵襲性強、易遠處轉(zhuǎn)移以及預后較差。采用內(nèi)分泌治療及靶向治療的方式均對其沒有明顯的效果。目前,化療是TNBC乳腺癌患者的主要治療手段,但是TNBC的治療后存活率依然很低。由于缺乏特定的分子靶點,TNBC的診斷和治療都受到極大的挑戰(zhàn)。因此亟需探索TNBC的腫瘤分子生物學機制,尋找有效生物分子靶點,為臨床診斷以及治療發(fā)揮作用。
目前的研究表明,作為COP9復合體中的一個亞基,對整個復合體的穩(wěn)定性以及復合體的其他亞基都具有重要的調(diào)節(jié)作用[26]。而且有報道稱基因能夠調(diào)控蛋白水平從而影響sGC1和p53的表達水平,并且能夠影響腫瘤細胞的增殖和遷移[25]。根據(jù)COP9復合體的重要性,以及在COP9復合體的結(jié)構(gòu),提示是COP9復合體的重要成員,但是基因在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中的功能與分子機制研究較少,尚沒有文獻報道基因在乳腺癌細胞中的功能研究以及對細胞凋亡方面的調(diào)控的具體機制。
為探索的表達在乳腺癌細胞的主要生物學功能,本研究利用慢病毒感染的方法在乳腺癌細胞系MDA-MB-231構(gòu)建了穩(wěn)定的干擾表達的體系。通過CCK-8和克隆形成實驗,結(jié)果顯示干擾基因可以抑制乳腺癌細胞的生長增殖和克隆形成能力。通過流式細胞儀檢測和凋亡試劑盒檢測表明干擾的表達能夠顯著增加細胞凋亡的比例,可誘導細胞進入凋亡。研究結(jié)果為深入揭示在乳腺癌細胞中的分子機制打下了基礎(chǔ),同時也具有一定的臨床應(yīng)用潛力。
本研究中,干擾基因可以抑制乳腺癌細胞的生長增殖和克隆形成能力,同時檢測出細胞周期相關(guān)蛋白CDK6,干擾基因的表達能夠引起CDK6的蛋白表達水平下調(diào),CDK6是細胞周期的重要調(diào)控因子,主要促進細胞周期由G1期進展到S期。細胞周期的失控是人類腫瘤發(fā)生的主要原因之一[27~29],揭示干擾基因可能導致乳腺癌的細胞周期發(fā)生異常,從而導致細胞生長阻滯,甚至發(fā)生凋亡現(xiàn)象。
已有研究報道,COP9復合體主要是以Caspases依賴性形式影響細胞凋亡[30]。為進一步探索基因是如何促進細胞凋亡,通過Western blot檢測干擾基因后導致細胞的細胞凋亡基因Caspase3的前體蛋白總量表達下調(diào),而被活化的cleaved- Caspase3的蛋白量明顯上調(diào),繼而又同時檢測出被剪切的PARP的蛋白表達水平也上調(diào),因此推測基因可能是直接或間接激活Caspase3的活性進而引起乳腺癌細胞的凋亡。作為COP9復合體的一員,其對復合體的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)起到很關(guān)鍵的作用。在COP9復合體中,尤其是,已經(jīng)有很多研究表明在細胞凋亡中發(fā)揮重要的作用。在胚胎細胞中敲除可誘導細胞凋亡,抑制細胞增殖,上調(diào)p27、p53和細胞周期蛋白E[31]。除了外,COP9復合體的其他亞基也被報道與凋亡有關(guān)。有研究表明[32],能夠被caspase8剪切,從而影響CSN復合物的完整性,繼而在凋亡級聯(lián)反應(yīng)過程中影響CSN復合物的活性。在肺癌和肝癌細胞中,敲低能夠提高細胞凋亡水平[33,34]。CSN8在肝癌細胞中敲除后,同樣也會引起細胞發(fā)生大量凋亡現(xiàn)象,導致促凋亡因子Bax,抗凋亡因子Bcl-2和Bcl-xl發(fā)生異常表達[33]。而且還有研究顯示[34],CSN1能夠在紫外線照射處理下誘導細胞發(fā)生凋亡。在K562細胞系中敲低或者,會導致不同的細胞模式死亡,分別是自噬或者細胞凋亡[35]。綜上所述,COP9復合物在細胞凋亡過程中發(fā)揮重要作用。目前有可能是作為單體獨立發(fā)揮作用于腫瘤細胞從而促進細胞凋亡,同時也有可能是與復合體其他亞基相互作用影響復合體的穩(wěn)定性,從而影響其他亞基的表達。但是至于是作為單體還是復合亞基發(fā)揮作用,目前尚不清楚,且相關(guān)文獻報道較少。因此,未來需要更進一步的探索的分子機制。
綜上所述,本研究在乳腺癌MDA-MB-231細胞中建立了穩(wěn)定干擾表達系統(tǒng),探索了基因?qū)θ橄侔┘毎脑鲋衬芰偷蛲鲈斐傻挠绊?,以及進一步研究了干擾的表達在乳腺癌細胞發(fā)生凋亡的分子機制。但是,是如何通過Caspase3調(diào)控細胞具體凋亡的分子機制尚不清楚,仍有待進一步的研究去揭示。
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Effects ofknockdown on proliferation and apoptosis of breast cancer MDA-MB-231 cells
Tonglu YU1,2, Dongliang Cai1,2, Genfeng Zhu1,2, Xiaojuan Ye1,2, Taishan Min1,2, Hongyan Chen1,2, Daru Lu1,2, Haoming Chen1,2
Breast cancer is one of the most common malignant tumors endangering women. It has been found that the subunits of the COP9 complex are closely related to the occurrence and development of malignant tumors, and the CSN4 subunit plays an important role in regulating the whole complex. In the breast cancer cell line MDA-MB-231, we successfully established a lentivirus-mediatedknockdown cell line. CCK8 cell proliferation assays and colony formation experiments confirmed thatknockdown significantly decreased the cellular proliferation rate. Cell cycle analysis showed thatknockdown increased sub-G1 population and induced apoptosis. In addition, Western blotting assays confirmed thatregulates the expression of CDK6 and Caspase3, suggesting thatmodulates the proliferation and apoptosis of breast cancer cells by regulating the expression of CDK6 and Caspase3 genes and thereby tumorigenesis.This study has deepened our understanding of the molecular mechanism of apoptosis and cell growth in breast cancers, and further revealed the role and mechanism of CSN4 in cancer biology.
breast cancer;; cell proliferation; cell apoptosis; CDK6; Caspase3
2018-12-11;
2019-02-18
國家自然科學基金項目(編號:81071739,81272385)資助[Supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 81071739, 81272385)]
余同露,碩士研究生;專業(yè)方向:生物工程。E-mail: 15210700122@fudan.edu.cn
陳浩明,博士研究生,副教授,研究方向:遺傳學。E-mail: hmchen@fudan.edu.cn
10.16288/j.yczz.18-278
2019/3/15 17:28:20
URI: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20190315.1728.002.html
(責任編委: 周鋼橋)