謝小珊, 余楓海, 馬 寧, 潘啟豪, 黃曉玲, 金慧林, 孟祥祺, 李孟鴻
(中山大學(xué)附屬第六醫(yī)院廣東省結(jié)直腸盆底疾病研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東省胃腸病學(xué)研究所,廣東 廣州 510655)
食管癌是全球常見的胃腸道惡性腫瘤之一,其中食管鱗狀細(xì)胞癌(esophageal squamous cell carcinoma,ESCC)約占所有食管癌病例的 90%[1]。根據(jù)2021 年全球癌癥統(tǒng)計(jì),食管癌是第七大致死癌癥[2]。由于其復(fù)發(fā)、入侵和轉(zhuǎn)移率高,食管癌在初步診斷后的5 年生存率低于13%[3]。氨基甲酰磷酸合成酶2-天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶-二氫乳清酶(carbamoyl-phosphate synthetase 2,aspartate transcarbamylase,and dihydroorotase,CAD)三功能酶作為嘧啶核苷酸合成前3 個步驟的關(guān)鍵酶,是一種多功能蛋白質(zhì)[4-5],在肝癌、乳腺癌、膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、肺腺癌等多種腫瘤中表達(dá)上調(diào)[6-9],但其在食管癌發(fā)生發(fā)展中的作用與機(jī)制目前未見報(bào)道。本研究通過細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)及癌癥基因組圖譜(The Cancer Genome Atlas,TCGA)、基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(Gene Expression Omnibus,GEO)等生物信息學(xué)分析,探索CAD 三功能酶在食管癌的生物學(xué)功能和潛在機(jī)制,以期為食管癌開發(fā)新的治療策略提供參考資料。
實(shí)驗(yàn)中所用的人源食管癌細(xì)胞系TE5、KYSE70和KYSE270 均源自實(shí)驗(yàn)室收藏,在含有10%胎牛血清的RPMI-1640 培養(yǎng)液中培養(yǎng),并置于37 ℃、5%CO2培養(yǎng)箱內(nèi)。
RPMI-1640 培養(yǎng)液、胰蛋白酶和Matrigel 購自Corning;胎牛血清購自 Gibco;Lipofectamine 2000(Thermo Fisher);PrimeSTAR HS DNA Polymerase(TaKaRa);BamH I 和XhoI 內(nèi)切酶(New England Bio-Labs);ClonExpress Ⅱ One Step Cloning Kit(Vazyme);pcDNA 3.1 載體(Addgene);Transwell 小室(Falcon);Trizol Reagent(Ambion);RT-PCR 逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(Promega);2× SYBR Green(BIMAKE);BCA 蛋白定量試劑盒(貝博生物);磷酸酶和蛋白酶抑制劑cocktail(Bimake);兔抗 CAD、MYC、Snail 和 vimentin抗體(Cell Signaling Technology);鼠抗Flag-Tag 和βactin 抗體(Sigma-Aldrich);鼠抗β-catenin 抗體(BD Biosciences);辣根過氧化物酶標(biāo)記的Ⅱ抗(Thermo);ECL Substrate(Bio-Rad);小干擾 RNA(small interfering RNA,siRNA)序列由上海吉瑪制藥技術(shù)有限公司合成。
活細(xì)胞動態(tài)成像與分析儀(IncuCyte)購于Essen BioScience;實(shí)時熒光定量PCR 儀購于Roche;全自動酶標(biāo)儀購自BioTek;PCR分析儀與電泳儀均購自Bio-Rad。
3.1 TCGA 與 GEO 數(shù) 據(jù) 分 析 從 TCGA 與 GEO 數(shù)據(jù)庫下載食管癌的基因表達(dá)數(shù)據(jù),根據(jù)腫瘤組織和癌旁正常組織中CAD基因相對表達(dá)量(數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布和方差齊性),通過t檢驗(yàn)對差異進(jìn)行分析[10]。
3.2CAD質(zhì)粒構(gòu)建 以 HEK293T 細(xì)胞 cDNA 為模板,加入CAD的 PCR 引物(上游序列為 5'-GCGGCCCTAGTGTTGGAGGACG-3',下 游 序 列 為 5'-CTAGAAACGGCCCAGCACGGTGG-3')以 及 Prime-STAR HS DNA Polymerase 進(jìn)行 PCR,將CAD基因的蛋白質(zhì)編碼區(qū)序列與帶有Flag 標(biāo)簽的pcDNA 3.1 載體通過同源重組的方式進(jìn)行連接,用DH5α 感受態(tài)細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)化,搖菌,提取質(zhì)粒,測序成功后得到目的質(zhì)粒Flag-CAD。
3.3 細(xì)胞培養(yǎng)與轉(zhuǎn)染 待TE5、KYSE70或KYSE270細(xì)胞融合至70%左右,將CADsiRNA #2(si #2,序列為 5'-UCCGAAAGAUGGGAUAUAATT-3')、si #3(序列為5'-UGACCAUUGGCAGCUAUAATT-3')、陰性對照 siRNA(si #NC,序列為 5'-UUCUCCGAACGUGUCACGUTT-3')或 Flag-CAD 質(zhì)粒、MYC 質(zhì)粒和 pcDNA 3.1 質(zhì)粒(vector)分別用 Lipofectamine 2000 進(jìn)行轉(zhuǎn)染。48 h 后,提取細(xì)胞總RNA 或總蛋白,分別用RT-qPCR和Western blot實(shí)驗(yàn)檢測mRNA及蛋白水平,以確保轉(zhuǎn)染效率較好。
3.4 Transwell 遷移和侵襲實(shí)驗(yàn) 對于遷移實(shí)驗(yàn),將Transwell 小室置于 24 孔板上,上室接種 2×105細(xì)胞(無血清培養(yǎng)液),下室加入10%RPMI-1640 培養(yǎng)液。23 h 后,將細(xì)胞用0.5%的結(jié)晶紫(甲醇配制)進(jìn)行染色,用棉簽擦除上室未遷移的細(xì)胞,使用顯微鏡拍攝3 個獨(dú)立視野,并進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)。對于侵襲實(shí)驗(yàn),先在 Transwell 小室預(yù)鋪 50 μL 稀釋的 Matrigel,上室接種3×105細(xì)胞(無血清培養(yǎng)液),其余操作與遷移實(shí)驗(yàn)大致相同。
3.5 集落形成實(shí)驗(yàn) 將細(xì)胞進(jìn)行計(jì)數(shù),每孔接種300 個細(xì)胞至培養(yǎng)板,每個處理組鋪3 個復(fù)孔。用10% 胎牛血清的RPMI-1640 培養(yǎng)液培養(yǎng),每兩天更換培養(yǎng)液。10 d 后,棄去培養(yǎng)液,用4%多聚甲醛固定20 min,再用0.5%的結(jié)晶紫染色30 min,掃描后對集落進(jìn)行計(jì)數(shù)[11]。
3.6 RT-qPCR 實(shí)驗(yàn) 使用Trizol 試劑提取細(xì)胞的總RNA,根據(jù)Promega 逆轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書將RNA 逆轉(zhuǎn)錄為cDNA,再進(jìn)行實(shí)時熒光定量PCR 實(shí)驗(yàn)。βactin 作為內(nèi)參照,通過 2-ΔΔCt公式計(jì)算出 mRNA 的相對表達(dá)量。RT-qPCR引物序列見表1。
表1 RT-qPCR引物序列Table 1. Sequences of the primers for RT-qPCR
3.7 Western blot實(shí)驗(yàn) 棄去細(xì)胞培養(yǎng)液,用磷酸緩沖鹽溶液PBS 洗2 次細(xì)胞,棄盡PBS,往細(xì)胞加入蛋白裂解液(已預(yù)先加入磷酸酶抑制劑和蛋白酶抑制劑),冰上裂解15 min 后,進(jìn)行超聲,離心15 min,取上清,進(jìn)行BCA 蛋白定量,制備蛋白樣品并使其變性。SDS-PAGE 分離蛋白,轉(zhuǎn)移到PVDF 膜,5%脫脂牛奶封閉1 h,敷上Ⅰ抗4 ℃搖床過夜。TBST 洗膜后,常溫孵育Ⅱ抗1 h,再次用TBST 洗膜,而后進(jìn)行ECL顯色[12]。
使用SPSS 25.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,使用GraphPad Prism 5 軟件作圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示。兩組間均數(shù)比較采用Student'st檢驗(yàn);CAD與MYC的mRNA相關(guān)性采用Pearson關(guān)聯(lián)分析。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
GEPIA 網(wǎng)站分析結(jié)果顯示,CAD基因在食管癌(ESCA)、彌漫性大B 細(xì)胞淋巴瘤(DLBC)、胰腺癌(PAAD)、胃腺癌(STAD)等多種腫瘤樣本中的表達(dá)顯著高于癌旁組織(圖1A)。對TCGA和GEO中食管癌組織的CAD 表達(dá)量進(jìn)行分析,與癌旁組織相比,CAD基因在腫瘤中的表達(dá)顯著升高(P<0.01),見圖1B、C。cBioPortal 腫瘤基因組學(xué)(cBioPortal for Cancer Genomics)網(wǎng)站分析顯示,CAD基因在食管癌中的擴(kuò)增率達(dá)到6%(圖1D)。
Figure 1. CAD gene was overexpressed in esophageal carcinoma and some other types of cancer. A:GEPIA website displayed that CAD gene expression in tumor samples was significantly higher than that in adjacent normal tissues in various kinds of cancer(T:tumor tissues;N:adjacent normal tissues;ESCA:esophageal carcinoma;DLBC:diffuse large B-cell lymphoma;HNSC:head and neck squamous cell carcinoma;PAAD:pancreatic adenocarcinoma;SKCM:skin cutaneous melanoma;STAD:stomach adenocarcinoma;THYM:thymoma);B and C:the expression of CAD gene in tumor tissues was much higher than that in adjacent normal tissues based on TCGA and GEO ESCA datasets;D:cBioPortal website showed that the amplification rate of CAD was 6%in esophageal carcinoma. Mean±SD.**P<0.01 vs normal.圖1 CAD基因在食管癌及多種腫瘤中高表達(dá)
轉(zhuǎn)染siRNA(針對不同靶點(diǎn)的兩條siRNA)敲減CAD的表達(dá)后,通過Western blot 檢測敲減效率。結(jié)果顯示,兩條siRNA 干擾序列均能有效敲減CAD的表達(dá),見圖2A。使用活細(xì)胞動態(tài)成像與分析系統(tǒng)(IncuCyte)和集落形成實(shí)驗(yàn)記錄食管癌細(xì)胞TE5 的生長增殖情況,使用Transwell 實(shí)驗(yàn)記錄食管癌細(xì)胞TE5 和 KYSE70 的遷移和侵襲情況。如圖 2B、C 所示,敲減CAD表達(dá)后TE5 細(xì)胞生長能力顯著下降,集落形成數(shù)量顯著減少(P<0.05 或P<0.01)。Transwell實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,與si#NC 對照組相比,敲減CAD后TE5 和KYSE70 細(xì)胞的遷移和侵襲細(xì)胞數(shù)顯著減少(P<0.01),見圖2D。
Figure 2. Knockdown of CAD inhibited the proliferative,migratory and invasive abilities of esophageal carcinoma cells. A:Western blot was used to detect the knockdown efficiency of indicated siRNAs for CAD expression in TE5 cells;B:Incucyte System was used to determine the proliferative ability of TE5 cells;C:the proliferation of TE5 cells was detected by focus formation assay;D:the migratory and invasive abilities of TE5 and KYSE70 cells were detected by Transwell assay(scale bar=100 μm). Mean±SD. n=3.*P<0.05,**P<0.01 vs si#NC group.圖2 敲減CAD抑制食管癌細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲能力
在TE5 和KESE270 細(xì)胞中轉(zhuǎn)染帶有Flag 標(biāo)簽的CAD過表達(dá)質(zhì)粒,Western blot 結(jié)果顯示 Flag 標(biāo)簽的CAD質(zhì)粒成功表達(dá)(圖3A)。活細(xì)胞動態(tài)成像與分析系統(tǒng)結(jié)果顯示,過表達(dá)CAD后TE5 和KYSE270 細(xì)胞的生長顯著加快(P<0.05 或P<0.01),見圖 3B。集落形成實(shí)驗(yàn)顯示,過表達(dá)CAD后細(xì)胞的集落數(shù)量和大小均顯著高于對照組(P<0.01),見圖3C。Transwell 結(jié)果顯示,TE5 和 KYSE270 細(xì)胞在過表達(dá)CAD后遷移和侵襲的細(xì)胞數(shù)均顯著增多(P<0.01),見圖3D。
將TCGA 數(shù)據(jù)庫中的食管癌mRNA 數(shù)據(jù)進(jìn)行GSEA,根據(jù)歸一化富集分?jǐn)?shù)(normalized enrichment score,NES)的高低,圖4A對GSEA結(jié)果進(jìn)行了排序。如圖 4B 所示,β-catenin、MYC 和糖酵解通路都富集在CAD高表達(dá)組(P<0.05)。
Figure 3. Overexpression of CAD promoted the proliferation,migration and invasion of esophageal carcinoma cells. A:the overexpression efficiency was detected by Western blot after transfection with Flag-CAD plasmid;B and C:the proliferation of TE5 and KYSE270 cells was determined by IncuCyte System and focus formation assay;D:the changes of migration and invasion were detected by Transwell assay(scale bar=100 μm). Mean±SD. n=3.*P<0.05,**P<0.01 vs vector group.圖3 過表達(dá)CAD增強(qiáng)食管癌細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲能力
在GEPIA 網(wǎng)站上對TCGA 食管癌數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果顯示CAD 與MYC 的mRNA 表達(dá)呈中度正相關(guān),相關(guān)系數(shù)r=0.43(P<0.001),見圖5A。RT-qPCR 和 Western blot 結(jié)果顯示,敲減CAD后 MYC 的mRNA和蛋白表達(dá)水平同時下降(P<0.01),見圖5B、C。同時,敲減CAD致使β-catenin 的蛋白表達(dá)水平下降,見圖5C。對糖酵解過程各種酶的mRNA 表達(dá)進(jìn)行檢測,結(jié)果顯示,敲減CAD后己糖激酶2(hexokinase 2,HK2)、血小板型磷酸果糖激酶(phosphofructokinase,platelet,PFKP)、磷酸甘油酸酯激酶 1(phosphoglycerate kinase 1,PGK1)、烯醇化酶1(eno-lase 1,ENO1)、丙酮酸激酶肌肉同工酶2(pyruvate kinase muscle isozyme 2,PKM2)、乳酸脫氫酶A(lactate dehydrogenase A,LDHA)及葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(glucose transporter 1,GLUT1)的mRNA 表達(dá)均受到抑制(P<0.05 或P<0.01),見圖 5D。此外,通過Western blot 檢測EMT 相關(guān)標(biāo)志蛋白的表達(dá),顯示敲減CAD可引起間充質(zhì)標(biāo)志蛋白vimentin 及轉(zhuǎn)錄因子Snail的表達(dá)下降,見圖5C。
Figure 4. Gene set enrichment analysis(GSEA)revealed that β-catenin,MYC and glycolysis pathways were enriched in high CAD group. A:the ranking of GSEA results enriched in high CAD group;B:β-catenin,MYC targets and glycolysis pathways were enriched in the tissues with high expression of CAD.圖4 基因集富集分析顯示β-catenin、MYC和糖酵解通路富集在CAD高表達(dá)組
在食管癌細(xì)胞KYSE70中敲減CAD,同時過表達(dá)MYC,觀察細(xì)胞增殖能力的變化。圖6A 的Western Blot 結(jié)果顯示CAD的成功敲減和MYC的過表達(dá)情況。如圖6B、C 所示,與對照組相比,敲減CAD表達(dá)可以顯著抑制KYSE70細(xì)胞的增殖和集落形成能力,而在敲減CAD表達(dá)的同時過表達(dá)MYC減弱了敲減CAD表達(dá)導(dǎo)致的細(xì)胞生長和集落形成能力的降低(P<0.05或P<0.01)。
Figure 5. Knockdown of CAD negatively regulated β-catenin/MYC,glycolysis pathways and EMT signaling. A:Pearson correlation between CAD and MYC mRNA levels was analyzed by GEPIA website(Pearson correlation coefficient r=0.43,P<0.001);B:RT-qPCR was used to detect the mRNA levels of CAD and MYC after knockdown of CAD(normalized to β-actin);C:Western blot was performed to detect the protein levels of CAD,β-catenin,MYC and EMT-associated proteins(normalized to β-actin);D:relative mRNA levels of glycolysis-related genes were detected by RT-qPCR(normalized to β-actin).Mean±SD. n=3.*P<0.05,**P<0.01 vs si#NC group.圖5 敲減CAD抑制β-catenin/MYC、糖酵解以及EMT信號通路
嘧啶核苷酸的從頭合成對哺乳動物細(xì)胞的增殖至關(guān)重要,此通路的前三個步驟由多功能酶CAD 催化合成。Lee 等[4]研究顯示,當(dāng) CAD 被 MAPK 磷酸化時,細(xì)胞的嘧啶生物合成將被刺激并促進(jìn)生長。mTORC1 通過 S6 激酶間接磷酸化 CAD 的 S1859 位點(diǎn)從而促進(jìn)CAD 的寡聚化,進(jìn)而刺激哺乳動物嘧啶的從頭合成[13]。已有研究證明,CAD 在復(fù)發(fā)性肝癌與轉(zhuǎn)移性乳腺癌中高表達(dá),并與較短的總體生存期相關(guān)[6-7]。由此可見,CAD促進(jìn)多種腫瘤的進(jìn)展。但是,CAD 在食管癌發(fā)生發(fā)展過程中的作用與機(jī)制未見報(bào)道。此前對于CAD 功能的研究,主要集中在促進(jìn)嘧啶核苷酸的合成,其更多的功能仍待挖掘。本研究對TCGA 和GEO 多個食管癌數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析,均顯示CAD 在食管癌中高表達(dá),并通過細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了CAD正調(diào)控食管癌細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲能力,提示CAD 在食管癌發(fā)生發(fā)展中具有重要作用。但是,CAD 的磷酸化水平是否在不同進(jìn)展階段的食管癌中發(fā)生變化,仍待探究。
Figure 6. Overexpression of MYC partially attenuated the inhibitory effect of CAD knockdown on the proliferation of esophageal carcinoma cells. A:Western blot was performed to detect CAD and MYC expression after transfection with CAD siRNAs and MYC plasmid in KYSE70 cells;B:IncuCyte System was conducted to determine the proliferation of KYSE70 cells;C:the proliferation of KYSE70 cells was detected by focus formation assay. Mean±SD. n=3.*P<0.05,**P<0.01 vs si #NC group;#P<0.05,##P<0.01 vs si#2 or si#3 group.圖6 過表達(dá)MYC能夠減輕敲減CAD對食管癌細(xì)胞增殖能力的抑制
近年來,代謝重編程以滿足腫瘤細(xì)胞的生物合成和能量需求引起了人們的廣泛興趣[14]。細(xì)胞能量代謝的重編程是腫瘤的重要標(biāo)志之一,其中葡萄糖代謝異常是腫瘤代謝的突出特征[15]。當(dāng)氧氣含量充足時,正常細(xì)胞的主要能量來源為葡萄糖有氧氧化,但腫瘤細(xì)胞更喜歡厭氧糖酵解來維持其生長和生存,這被稱為“瓦博格效應(yīng)”[16]。先前已有不少研究證明,轉(zhuǎn)錄因子MYC 可以直接促進(jìn)GLUT1及其他糖酵解基因如HK2、PFKP、PGK1、LDHA、ENO1[14,17]、PKM2[18]等的轉(zhuǎn)錄活性,刺激糖酵解途徑的進(jìn)程。Hideki 等[9]的研究表明,EGFR 信號既維持肺腺癌細(xì)胞的有氧糖酵解,又能促進(jìn)嘧啶合成等多條關(guān)鍵代謝通路。但目前仍未有研究證明,嘧啶合成的關(guān)鍵酶CAD 能夠直接調(diào)控MYC 及糖酵解途徑。本研究對TCGA 食管癌數(shù)據(jù)集進(jìn)行基因富集分析,顯示糖酵解通路富集在CAD 高表達(dá)組,經(jīng)過RT-qPCR 實(shí)驗(yàn),證實(shí)敲減CAD后糖酵解過程一系列酶的mRNA表達(dá)水平下 降 ,包括 HK2、PFKP、PGK1、ENO1、PKM2、LDHA 及 GLUT1。而MYC作為這些基因的轉(zhuǎn)錄因子,在敲減CAD后,其mRNA 和蛋白水平也呈現(xiàn)下降趨勢。這些結(jié)果表明,CAD 可能通過調(diào)控MYC和糖酵解途徑,從而與細(xì)胞的增殖息息相關(guān)。功能回補(bǔ)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,MYC 在CAD 調(diào)控食管癌細(xì)胞的增殖中擔(dān)任了重要角色。但是,CAD 能否通過MYC調(diào)控其他下游通路如絲氨酸-甘氨酸-單碳(serineglycine-one-carbon,SGOC)代謝等,有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。
同時,MYC 也是 Wnt/β-catenin 信號通路的關(guān)鍵下游靶蛋白[19]。He 等[20]指出,當(dāng)β-catenin 在細(xì)胞質(zhì)中積累,轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核,可激活下游靶基因MYC的轉(zhuǎn)錄,促進(jìn)結(jié)直腸癌的進(jìn)展。目前仍無研究報(bào)道,CAD能對β-catenin 進(jìn)行調(diào)控。而本研究的結(jié)果顯示,敲減CAD可減少β-catenin 的蛋白表達(dá)水平。由此推斷,CAD 可能通過調(diào)控 β-catenin 來激活 MYC 及其下游通路。此外,EMT 在腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用,本研究顯示敲減CAD可抑制EMT 關(guān)鍵分子vimentin 和 Snail 的表達(dá),說明 EMT 可能在 CAD 調(diào)控食管癌細(xì)胞遷移和侵襲中發(fā)揮重要功能。
綜上所述,本研究證明CAD 促進(jìn)食管癌細(xì)胞的增殖、遷移和侵襲,并顯示其調(diào)控β-catenin/MYC/糖酵解途徑及EMT 信號通路,MYC 介導(dǎo)了CAD 對增殖能力的調(diào)控。然而,CAD 以何種機(jī)制調(diào)控β-catenin/MYC 通路及食管癌細(xì)胞的遷移和侵襲,仍待進(jìn)一步研究。相關(guān)功能與機(jī)制的深入研究與探索,將揭示CAD在食管癌進(jìn)展中的重要作用與生物學(xué)意義。