楊照環(huán),胡文倩,賈禎賢,謝俞寧,張 志*,龍?jiān)录t,邢朝斌,張雪梅, *
根皮苷對(duì)食管癌細(xì)胞系表達(dá)譜的影響
楊照環(huán)1,胡文倩2,賈禎賢2,謝俞寧2,張 志1*,龍?jiān)录t3,邢朝斌3,張雪梅2, 3*
1.華北理工大學(xué)附屬唐山市工人醫(yī)院,河北 唐山 063000 2.華北理工大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院,河北 唐山 063210 3. 華北理工大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,河北 唐山 063210
研究根皮苷對(duì)食管癌細(xì)胞系表達(dá)譜的影響,探索根皮苷作用于食管癌細(xì)胞系的信號(hào)通路及其潛在功能。使用根皮苷處理人食管癌KYSE450細(xì)胞,提取總RNA并建立測(cè)序文庫(kù),進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序;使用DESeq2程序鑒定差異表達(dá)基因,對(duì)差異表達(dá)基因進(jìn)行基因本體(gene ontology,GO)功能及京都基因與基因組百科全書(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)通路富集分析;使用MCODE進(jìn)行差異基因核心模塊篩選,使用GEPIA數(shù)據(jù)庫(kù)分析核心模塊中的基因?qū)κ彻馨┥娴挠绊?;使用TIMER在線分析根皮苷對(duì)食管癌組織免疫細(xì)胞浸潤(rùn)的影響。轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果顯示,根皮苷處理后的食管癌細(xì)胞具有4602個(gè)差異表達(dá)基因,其中2407個(gè)為上調(diào)基因,2195個(gè)為下調(diào)基因。通路富集分析顯示,根皮苷對(duì)蛋白質(zhì)加工、胰島素抵抗、基因復(fù)制和細(xì)胞周期等信號(hào)通路產(chǎn)生影響。在差異表達(dá)基因核心模塊中,E3泛素蛋白連接酶2(E3 ubiquitin ligase mind bomb 2,)高表達(dá)可降低食管癌患者的總體生存率;環(huán)指蛋白19B(ring finger protein 19B,)、三重基序蛋白69(tripartite motif-containing protein 69,)、泛素連接酶(ubiquitin conjugating enzyme,)和克隆E3泛素連接酶(homologous to the E6-associated protein carboxyl terminus domain containing 2,)的表達(dá)水平可影響食管癌癌組織的純度以及免疫細(xì)胞浸潤(rùn)的類型。根皮苷可影響食管癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄譜,其差異表達(dá)基因主要集中在細(xì)胞生長(zhǎng)相關(guān)的信號(hào)通路。
根皮苷;食管癌;轉(zhuǎn)錄組測(cè)序;免疫浸潤(rùn);E3泛素蛋白連接酶2;環(huán)指蛋白19B;三重基序蛋白69;泛素連接酶;克隆E3泛素連接酶
當(dāng)前癌癥仍是重要的公共衛(wèi)生問(wèn)題,在我國(guó)食管癌發(fā)病人數(shù)居于第6位,死亡人數(shù)居于第4位,給人民健康帶來(lái)巨大負(fù)擔(dān)[1]。食管癌致病因素復(fù)雜,抽煙[2]、酗酒[3]、胃食管反流[4]和遺傳因素[5-7]均是食管癌發(fā)病的重要原因。食管癌是全世界最致命的惡性腫瘤之一,新輔助放化療已被廣泛用于食管癌治療并取得了良好的效果[8]。但是,依然有60%的患者對(duì)新輔助放化療不敏感[9-10],這無(wú)疑降低了手術(shù)的成功率,提示食管癌的治療離不開藥物的配合。
多穗石柯(Wall.) Rehd.在中國(guó)民間俗稱“甜茶”,根皮苷是甜茶的主要成分,是二氫查耳酮家族的重要成員,也是蘋果屬植物中的主要酚類葡萄糖苷,具有抗氧化、抗高血壓、抗糖尿病和抗腫瘤等作用。早在1993年,Nelson等[11]便發(fā)現(xiàn)了根皮苷具有抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的作用;Chen等[12]發(fā)現(xiàn)三乙酰根皮苷能夠抑制腫瘤細(xì)胞系HepG2的增殖活性;根皮苷能夠通過(guò)抑制氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)來(lái)抑制順鉑對(duì)小鼠的腎毒性[13],提示根皮苷具有抑制腫瘤和作為腫瘤治療輔助藥物的潛質(zhì)。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn),根皮苷可顯著抑制食管癌細(xì)胞的增殖、侵襲和遷移[14]。為了進(jìn)一步探索根皮苷影響食管癌進(jìn)展的作用機(jī)制,本研究使用高通量測(cè)序技術(shù),考察經(jīng)根皮苷處理的食管癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組變化,以揭示根皮苷作用于食管癌細(xì)胞的信號(hào)通路和生物學(xué)功能,為根皮苷應(yīng)用于食管癌治療提供轉(zhuǎn)錄組層面的證據(jù)。
人食管癌KYSE450細(xì)胞由日本兵庫(kù)醫(yī)學(xué)院的Y. Shimada博士饋贈(zèng)。
多穗石柯甜茶葉采自中國(guó)廣西巴馬縣,經(jīng)華北理工大學(xué)邢朝斌教授鑒定為殼斗科植物多穗石柯(Wall.) Rehd.的葉。
胎牛血清、RPMI 1640完全培養(yǎng)基購(gòu)自美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司;二甲基亞砜(DMSO)購(gòu)自美國(guó)Sigma公司;TRIzol試劑購(gòu)自美國(guó)Invitrogen公司;Qubit RNA檢測(cè)試劑盒購(gòu)自美國(guó)Life Technologies公司;NEBNext Ultra RNA庫(kù)制備試劑盒購(gòu)自美國(guó)New England Biolabs公司。
細(xì)胞培養(yǎng)箱(中國(guó)力康生物醫(yī)療科技有限公司);Acquity超高效液相色譜儀(美國(guó)Waters公司);分光光度計(jì)(美國(guó)Implen公司);2100 Bioanalyzer系統(tǒng)(美國(guó)Agilent公司)。
將新鮮的甜茶葉干燥、過(guò)篩并浸入乙醇溶液中,超聲提取20 min,真空濾過(guò),提取物濃縮去除乙醇,冷凍干燥得到粗產(chǎn)物。隨后,將5 g粗產(chǎn)物于水中溶解,并上樣于處理過(guò)的大孔樹脂柱中30 min。用去離子水洗滌大孔樹脂柱以除去雜質(zhì),并用75%乙醇洗滌根皮苷,將洗脫液濃縮,從乙醇中分離,于0 ℃重結(jié)晶。結(jié)晶產(chǎn)物濾過(guò),得到根皮苷單體。使用超高效液相色譜儀測(cè)定根皮苷單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥95%。
KYSE450細(xì)胞用含10%胎牛血清的RPMI 1640完全培養(yǎng)基,于37 ℃、5% CO2的培養(yǎng)箱培養(yǎng)。
取處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的KYSE450細(xì)胞接種于6孔板中,2×105/孔,培養(yǎng)12 h。根皮苷溶于DMSO,由預(yù)實(shí)驗(yàn)可知根皮苷半數(shù)抑制濃度(half inhibitory concentration,IC50)為0.6 mmol/L,故使用略小于IC50的0.5 mmol/L根皮苷進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。設(shè)置對(duì)照組和3個(gè)根皮苷(0.5 mmol/L)組,給藥組加入藥物,對(duì)照組加入不含藥物的培養(yǎng)基,培養(yǎng)48 h。
按照試劑盒說(shuō)明書提取細(xì)胞總RNA,使用分光光度計(jì)和Qubit 2.0 Flurometer中的Qubit RNA檢測(cè)試劑盒測(cè)定RNA純度和濃度;使用2100 Bioanalyzer系統(tǒng)評(píng)估RNA的完整性;使用NEBNext Ultra RNA庫(kù)制備試劑盒構(gòu)建RNA測(cè)序文庫(kù)。使用Illumina Hiseq 4000測(cè)序平臺(tái)對(duì)構(gòu)建好的文庫(kù)進(jìn)行測(cè)序,測(cè)序完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理,以上測(cè)序服務(wù)由北京百奧生物科技有限公司完成。
FASTQ格式的原始數(shù)據(jù)首先進(jìn)行處理獲得clean data,使用TopHat軟件進(jìn)行比對(duì),使用Cufflinks軟件獲得各個(gè)基因的數(shù)值用于后續(xù)分析。使用R包“DESeq2”進(jìn)行差異分析,將|Log2fold change|>1和校正后<0.05作為篩選差異基因的閾值,進(jìn)行差異表達(dá)基因(differential expression genes,DEGs)的篩選;使用R包“ggplot2”“ggtree”進(jìn)行熱圖繪制、聚類和各種可視化。
對(duì)于DEGs,使用R包“clusterProfiler”和“enrichplot”進(jìn)行基因本體(gene ontology,GO)功能富集分析及京都基因與基因組百科全書(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)通路富集分析,<0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
使用STRING數(shù)據(jù)庫(kù)(http://string-db.org/)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建,使用Cytoscape軟件進(jìn)行后續(xù)分析。使用Cytoscape內(nèi)插件MCODE選擇包含做多節(jié)點(diǎn)數(shù)的基因集,根據(jù)MCODE分析結(jié)果,對(duì)各個(gè)module進(jìn)行排序,排序最前的即為關(guān)鍵module,并使用Cytoscape軟件內(nèi)置ClueGo插件對(duì)關(guān)鍵module內(nèi)所含基因進(jìn)行GO功能富集和KEGG通路分析。
GEPIA包括了TCGA數(shù)據(jù)庫(kù)的測(cè)序數(shù)據(jù),本研究使用GEPIA對(duì)DEGs在人群中的狀況進(jìn)行驗(yàn)證,并使用GEPIA中的預(yù)后分析模塊驗(yàn)證基因表達(dá)對(duì)食管癌預(yù)后的影響,<0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
TIMER數(shù)據(jù)庫(kù)可用于計(jì)算6個(gè)浸潤(rùn)免疫細(xì)胞(CD4+T細(xì)胞、CD8+T細(xì)胞、B細(xì)胞、嗜中性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞)與DEGs表達(dá)的相關(guān)性,對(duì)于與預(yù)后相關(guān)的DEGs,使用TIMER數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行Spearman相關(guān)性計(jì)算,依次確認(rèn)所研究基因與免疫細(xì)胞之間的相關(guān)性;相關(guān)系數(shù)值<0.3表示相關(guān)可忽略,相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值≥0.3表示具有正/負(fù)相關(guān)性,<0.05認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
通過(guò)測(cè)序和比對(duì),除去表達(dá)過(guò)低的轉(zhuǎn)錄本,共得到15 339個(gè)基因。進(jìn)行表達(dá)量差異分析,結(jié)果顯示共計(jì)4602個(gè)DEGs,可見約30%的基因表達(dá)發(fā)生了改變;其中2407個(gè)呈上調(diào)狀態(tài),2195個(gè)呈下調(diào)狀態(tài);DEGs中表達(dá)上調(diào)基因略多于表達(dá)下調(diào)基因(圖1-A)?;虮磉_(dá)聚類熱圖顯示,經(jīng)過(guò)根皮苷處理后,3個(gè)重復(fù)的根皮苷處理組KYSE450細(xì)胞表達(dá)譜能夠聚類,且與對(duì)照組差異明顯(圖1-B),提示根皮苷處理組表達(dá)譜與對(duì)照組表達(dá)譜具有異質(zhì)性。上述結(jié)果顯示,根皮苷能夠改變KYSE450細(xì)胞的表達(dá)譜。
將差異基因分為表達(dá)上調(diào)組和表達(dá)下調(diào)組,分別使用R包“clusterProfiler”進(jìn)行KEGG通路分析,上調(diào)組和下調(diào)組通路富集<0.05的結(jié)果見圖2,表達(dá)上調(diào)的DEGs主要影響了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白質(zhì)加工、胰島素抵抗、動(dòng)物線粒體、ErbB信號(hào)通路和溶酶體等途徑;表達(dá)下調(diào)的DEGs主要影響了基因復(fù)制、細(xì)胞周期、同源重組、范可尼貧血途徑和Hippo信號(hào)通路。上述結(jié)果顯示,使用根皮苷進(jìn)行處理后,KYSE450細(xì)胞的基因復(fù)制和細(xì)胞周期相關(guān)基因下調(diào),而溶酶體通路、ErbB信號(hào)通路相關(guān)基因上調(diào),這些基因與細(xì)胞的增殖和凋亡密切相關(guān),提示根皮苷可能通過(guò)影響這些通路改變了KYSE450細(xì)胞的增殖水平,發(fā)揮了抑制食管癌細(xì)胞生長(zhǎng)的作用。
使用R包“clusterProfiler”進(jìn)行基因本體分析,GO功能富集結(jié)果<0.05認(rèn)為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,按照值進(jìn)行排序,各取前5進(jìn)行展示(表1、2)。對(duì)表達(dá)上調(diào)的DEGs分析結(jié)果顯示,這些基因在分子功能(molecular function,MF)層面影響了GTP酶結(jié)合等,細(xì)胞組分(cellular component,CC)層面影響了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體中間區(qū)等,生物過(guò)程(biological process,BP)層面影響了細(xì)胞對(duì)未折疊蛋白的作用等;對(duì)于表達(dá)下調(diào)的DEGs分析結(jié)果顯示,在MF層面影響了單鏈DNA結(jié)合等,CC層面影響了染色體區(qū)域等,BP層面影響了基因復(fù)制等。
使用STRING數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建了DEGs的PPI網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)入Cytoscape軟件進(jìn)行分析,使用MCODE軟件確定PPI網(wǎng)絡(luò)中的核心模塊,前3個(gè)模塊見圖3,將排序第1的模塊為核心模塊,核心模塊1包含36個(gè)節(jié)點(diǎn)和630條邊,所含基因包括泛素結(jié)合酶E2H(ubiquitin conjugating enzyme E2H,)、環(huán)指蛋白41(ring finger protein 41,)和細(xì)胞因子信號(hào)抑制因子3(suppressor of cytokine signaling 3,)等。
A-DEGs火山圖 B-DEGs熱圖
A-上調(diào)DEGs的KEGG通路分析 B-下調(diào)DEGs的KEGG通路分析
表1 上調(diào)DEGs的GO功能富集分析
表2 下調(diào)DEGs的GO功能富集分析
圖3 PPI網(wǎng)絡(luò)分析
將核心模塊1中的所有基因納入KEGG和GO分析,可見核心模塊1所含基因影響了熱量生成和蛋白質(zhì)消化吸收相關(guān)信號(hào)通路(圖4-A),影響了細(xì)胞外基質(zhì)強(qiáng)度結(jié)構(gòu)成分、金屬羧肽酶活性和細(xì)胞色素C氧化酶活性及相關(guān)功能(圖4-B)。
使用GEPIA數(shù)據(jù)庫(kù)研究核心模塊1中基因?qū)κ彻馨╊A(yù)后的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在TCGA數(shù)據(jù)庫(kù)中,E3泛素蛋白連接酶2(E3 ubiquitin ligase mind bomb 2,)基因呈高表達(dá),且高表達(dá)是食管癌不良預(yù)后因素(圖5)。為了確定免疫細(xì)胞的腫瘤浸潤(rùn)與免疫相關(guān)基因表達(dá)之間是否存在相關(guān)性,通過(guò)TIMER 2.0分析多個(gè)免疫細(xì)胞的腫瘤浸潤(rùn)的情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn),表達(dá)與樹突狀細(xì)胞浸潤(rùn)水平呈正相關(guān),三重基序蛋白69(tripartite motif-containing protein 69,)表達(dá)與食管癌細(xì)胞純度呈負(fù)相關(guān),泛素連接酶(ubiquitin conjugating enzyme,)表達(dá)與樹突狀細(xì)胞浸潤(rùn)水平呈正相關(guān),克隆E3泛素連接酶(homologous to the E6-associated protein carboxyl terminus domain containing 2,)與巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)水平呈正相關(guān)(圖6)。
圖4 模塊1中基因的KEGG通路(A) 和GO功能(B) 富集分析
A-MIB2基因在食管癌組織中的表達(dá)情況箱線圖 B-MIB2基因表達(dá)對(duì)食管癌預(yù)后的影響
轉(zhuǎn)錄組測(cè)序是重要的生物信息學(xué)方法,在癌癥患者篩查中得到廣泛應(yīng)用[15]。本研究使用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)研究根皮苷對(duì)食管癌細(xì)胞系表達(dá)譜的影響。結(jié)果顯示,根皮苷能夠改變KYSE450細(xì)胞的表達(dá)譜,其中2407個(gè)基因上調(diào),2195個(gè)基因下調(diào)。對(duì)DEGs進(jìn)行KEGG和GO分析,確定了這些差異基因影響了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白質(zhì)加工、胰島素抵抗、基因復(fù)制、細(xì)胞周期、GTP酶結(jié)合和單鏈DNA結(jié)合等功能?;驈?fù)制和細(xì)胞周期相關(guān)基因下調(diào),提示根皮苷可能影響KYSE450細(xì)胞的復(fù)制過(guò)程,具有抑制食管癌細(xì)胞生長(zhǎng)的潛力。既往研究也發(fā)現(xiàn)根皮苷能夠抑制皮膚癌細(xì)胞[16]、肝癌細(xì)胞[17]、乳腺癌細(xì)胞[18-19]等的增殖和凋亡。
圖6 關(guān)鍵模塊內(nèi)基因表達(dá)與免疫浸潤(rùn)水平的相關(guān)性
同時(shí),本研究還構(gòu)建了PPI網(wǎng)絡(luò)研究DEGs的互作用情況,核心模塊1中,高表達(dá)是食管癌不良預(yù)后因素,可介導(dǎo)Notch信號(hào)通路中蛋白的泛素化,并且能夠作為黑色素瘤侵襲的抑制劑[20]。Sahar等[21]研究發(fā)現(xiàn),在子宮平滑肌瘤中表達(dá)上調(diào),提示能夠作為子宮平滑肌瘤治療的潛在靶標(biāo),在食管癌中研究甚少,需要進(jìn)一步探索。對(duì)核心模塊1內(nèi)部的基因進(jìn)行功能挖掘,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外基質(zhì)強(qiáng)度結(jié)構(gòu)成分、金屬羧肽酶活性和細(xì)胞色素C氧化酶活性等功能受到了影響;細(xì)胞色素C氧化酶作用失調(diào)被認(rèn)為是癌癥、糖尿病等的致病和進(jìn)展因素之一[22],細(xì)胞色素C氧化酶相關(guān)基因在結(jié)直腸癌[23]、肺腺癌[24]和黑色素瘤[25]中具有差異表達(dá),并具有一定的潛在治療價(jià)值,提示細(xì)胞色素C氧化酶相關(guān)功能的活性可能是食管癌進(jìn)展的潛在生物標(biāo)志物。
核心模塊1中的基因能夠影響食管癌的免疫微環(huán)境。本研究發(fā)現(xiàn)、、和對(duì)食管癌腫瘤組織浸潤(rùn)的細(xì)胞類型和腫瘤純度均有影響。樹突狀細(xì)胞(DC細(xì)胞)是抗原呈遞細(xì)胞,包含多種亞型,可以駐留在器官中或在淋巴器官和非淋巴器官之間遷移。Sadeghzadeh等[26]認(rèn)為DC細(xì)胞是刺激抗腫瘤免疫中的最關(guān)鍵的部分;大量研究顯示,DC細(xì)胞及其衍生物能夠應(yīng)用于抗癌治療[27-30]。這些結(jié)果表明,根皮苷治療可能改變食管癌所處的免疫微環(huán)境,進(jìn)而影響食管癌的發(fā)展進(jìn)程。
綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn)根皮苷能夠改變KYSE450細(xì)胞的表達(dá)譜,影響KYSE450細(xì)胞的復(fù)制、細(xì)胞色素C氧化酶活性等與癌癥進(jìn)展關(guān)聯(lián)密切的功能,并影響食管癌免疫微環(huán)境。
利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突
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Effect of phlorizin on expression profile of esophageal cancer cell lines
YANG Zhao-huan1, HU Wen-qian2, JIA Zhen-xian2, XIE Yu-ning2, ZHANG Zhi1, LONG Yue-hong3, XING Zhao-bin3, ZHANG Xue-mei2, 3
1. Affiliated Tangshan Gongren Hospital, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000, China 2. College of Life Sciences, North China University of Science and Technology, Tangshan 063210, China 3. School of Public Health, North China University of Science and Technology, Tangshan 063210, China
To evaluate the effect of phlorizin on expression profile of esophageal cancer cells and further to reveal the signal pathways and potential functions that phlorizin involved in.KYSE450 esophageal cancer cells were treated with phlorizin. Total RNA was extracted and RNA sequencing library was established to perform transcriptome sequencing. Differentially expressed genes were identified using DESeq2 package. Gene ontology (GO) and Kyoto encyclopedia of genes and genomes (KEGG) pathway analysis of differentially expressed genes were performed. Moreover, hub model was evaluated using MCODE and survival analysis was performed using GEPIA. TIMER was used to online analyze effect of phlorizin on immune cell infiltration in esophageal cancer tissue.Total 4602 differentially expressed genes were identified of which 2407 were up-regulated and 2195 were down-regulated. Pathway enrichment analysis showed that phlorizin had impact on protein processing, insulin resistance, DNA replication and cell cycle signaling pathways. In the hub module, high expression of E3 ubiquitin ligase mind bomb 2 () could reduce the overall survival rate of patients with esophageal cancer; Ring finger protein 19B (), tripartite motif-containing protein 69 (), ubiquitin conjugating enzyme () and homologous to the E6-associated protein carboxyl terminus domain containing 2 () expression levels could affect the purity of esophageal cancer tissue and type of immune cell infiltration.Phlorizin could affect the transcription profile of esophageal cancer cells, of which differentially expressed genes were mainly involved in signal pathways related to cell growth.
phlorizin; esophageal cancer; RNA-Seq; immune infiltration; MIB2; RNF19B; TRIM69; UBC; HECTD2
R285.5
A
0253 - 2670(2021)23 - 7236 - 08
10.7501/j.issn.0253-2670.2021.23.018
2021-06-08
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81272613)
楊照環(huán)(1975—),女,碩士,副主任醫(yī)師,主要研究領(lǐng)域?yàn)槟[瘤內(nèi)科的綜合治療。Tel: 13831553045 E-mail: 244107878@qq.com
張雪梅,博士生導(dǎo)師,主要從事腫瘤病因?qū)W與腫瘤流行病學(xué)研究。E-mail: jyxuemei@gmail.com
張 志,碩士生導(dǎo)師,主要從事腫瘤內(nèi)科的綜合治療研究。E-mail: zhi1969@163.com
[責(zé)任編輯 李亞楠]