刁新峰,李新茂,候 亮,魏志玄
1.南陽醫(yī)學(xué)高等??茖W(xué)校第一附屬醫(yī)院神經(jīng)外科,河南 南陽 473000;
2.武安市第一人民醫(yī)院神經(jīng)外科,河北 邯鄲 056300
膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中較為常見的原發(fā)性惡性腫瘤,易復(fù)發(fā)且死亡率極高[1-3]。了解膠質(zhì)瘤發(fā)病的分子機(jī)制有助于尋找治療膠質(zhì)瘤的新策略。N6-甲基腺苷(N6-methyladenosine,m6A)修飾是常見的一種RNA修飾手段[4-5]。m6A甲基轉(zhuǎn)移酶、去甲基化酶及識別蛋白構(gòu)成了m6A家族的主要部分,Wilms瘤1-相關(guān)蛋白(Wilms’ tumor 1-associating protein,WTAP)是其中一類m6A甲基轉(zhuǎn)移酶[6]。有研究[7]表明,WTAP在惡性膠質(zhì)瘤中顯著上調(diào),但其具體作用及機(jī)制不明。本研究將進(jìn)行詳細(xì)探討。B細(xì)胞特異性莫洛尼氏鼠白血病病毒整合位點(diǎn)1(B cell-specific Moloney murine leukemia virus integration site 1,BMI1)以往被發(fā)現(xiàn)在膠質(zhì)瘤組織和細(xì)胞中表達(dá)明顯升高[8],高水平的BMI1在低氧條件下顯著增加膠質(zhì)瘤干細(xì)胞增殖并抑制其凋亡[9]。本研究旨在探討m6A甲基轉(zhuǎn)移酶WTAP是否能通過甲基化修飾促進(jìn)BMI1的穩(wěn)定性,分析其對膠質(zhì)瘤細(xì)胞惡性表型和異常代謝的影響及機(jī)制,為進(jìn)一步了解驅(qū)動膠質(zhì)瘤進(jìn)展的因素和采取更好的干預(yù)措施提供參考。
經(jīng)短串聯(lián)重復(fù)序列(short tandem repeat,STR)鑒定正確的人正常腦神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞H E B 和人膠質(zhì)瘤細(xì)胞系U 2 5 1 均購自美國典型培養(yǎng)物保藏中心(American Type Culture Collection,ATCC),相關(guān)抗體和細(xì)胞外酸化率(extracellular acidification rate,ECAR)試劑盒均購自英國Abcam公司,TRIzol試劑盒購自美國Invitrogen公司,LipofectamineTM3000轉(zhuǎn)染試劑、實時熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)(realtime fluorescence quantitative polymerase chain reaction,RTFQ-PCR)試劑盒和酶標(biāo)儀均購自美國Thermo Fisher公司,反轉(zhuǎn)錄試劑盒購自寶生物工程(大連)有限公司,過表達(dá)質(zhì)粒及其siRNA干擾質(zhì)粒均由上海吉瑪制藥技術(shù)有限公司設(shè)計并合成,Seahorse XF 96細(xì)胞外通量分析儀購自美國Agilent公司,四甲基偶氮唑鹽(methyl thiazoyl terazolium,MTT)檢測試劑盒、細(xì)胞葡萄糖含量檢測試劑盒和乳酸生成試劑盒均購自北京索萊寶生物科技有限公司,Magna甲基化RNA免疫沉淀(Methylated RNA immunoprecipitation,MeRIP)? m6A試劑盒和放線菌素D試劑均購自美國Millipore公司。
通過DisGeNET數(shù)據(jù)庫(https://www.disgenet.org/)獲取膠質(zhì)瘤的疾病風(fēng)險基因,篩選以基因-疾病關(guān)聯(lián)(gene-disease association,GDA)評分排名的前50個基因。通過StarBase數(shù)據(jù)庫(http://starbase.sysu.edu.cn/)預(yù)測RNA結(jié)合蛋白(RNAbinding protein,RBP)-mRNA關(guān)系并篩選潛在的mRNA。通過UniProt數(shù)據(jù)庫(https://www.uniprot.org/)查找相關(guān)蛋白序列,通過RPIseq數(shù)據(jù)庫(http://pridb.gdcb.iastate.edu/RPISeq/)對RBP與mRNA的結(jié)合分?jǐn)?shù)進(jìn)行評價,采用Venn工具(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/Venn/)獲取交集結(jié)果。為尋找目的基因的m6A修飾位點(diǎn),借助RMbase數(shù)據(jù)庫(http://rna.sysu.edu.cn/rmbase/)和SRAMP網(wǎng)站(http://www.cuilab.cn/sramp/)預(yù)測分析。GTEx網(wǎng)站(https://gtexportal.org/home/)用于預(yù)測BMI1與WTAP的相關(guān)性。
收集2019年12月—2020年12月在南陽醫(yī)學(xué)高等??茖W(xué)校第一附屬醫(yī)院就診并經(jīng)病理學(xué)檢查證實為膠質(zhì)瘤的47例患者作為Glioma組,其中男性25例,女性22例,年齡29 ~ 74歲,平均年齡(49.83±10.48)歲。納入標(biāo)準(zhǔn):① 術(shù)中經(jīng)兩名或兩名以上病理科醫(yī)師確認(rèn)為膠質(zhì)瘤;② 初次被確診為膠質(zhì)瘤且入院前未經(jīng)歷過放療、化療、免疫治療等任何形式的抗腫瘤治療;③ 既往無腦卒中等腦科疾病史。排除標(biāo)準(zhǔn):① 曾有腦組織損傷史;② 合并其他惡性腫瘤;③ 合并其他免疫系統(tǒng)疾??;④ 合并有重要臟器功能障礙。同時排除在南陽醫(yī)學(xué)高等??茖W(xué)校第一附屬醫(yī)院因腦損傷行腦組織碎片清除術(shù)的惡性腫瘤患者30例,收集其正常腦組織作為對照組(Normal組),其中男性17例,女性13例,年齡33 ~ 63歲,平均年齡(47.17±7.98)歲。腦組織自采集離體后立即置于-80 ℃條件下保存。本研究受試患者臨床資料完整,試驗開始前已獲得患者及家屬的知情同意,術(shù)中及術(shù)后所有程序均經(jīng)南陽醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校第一附屬醫(yī)院倫理委員會核查批準(zhǔn)后進(jìn)行。
HEB細(xì)胞復(fù)蘇后將其置于含10%胎牛血清(fetal bovine serum,F(xiàn)BS)的RPMI-1640培養(yǎng)基中常規(guī)培養(yǎng),U251細(xì)胞置于含1%青霉素-鏈霉素和10% FBS的DMEM培養(yǎng)基中常規(guī)培養(yǎng)(37 ℃、CO2體積分?jǐn)?shù)為5%、濕度70% ~ 80%)。待細(xì)胞培養(yǎng)至密度為80% ~ 90%時進(jìn)行1∶3傳代。轉(zhuǎn)染前24 h將細(xì)胞接種于不含抗生素的培養(yǎng)基中,在融合度達(dá)到30% ~ 50%時在37 ℃條件下采用LipofectamineTM3000試劑盒進(jìn)行轉(zhuǎn)染操作。將oe-WTAP(過表達(dá)WTAP序列)、sh-WTAP(敲減WTAP序列)、sh-BMI1(敲減BMI1序列)、oe-WTAP-NC、sh-WTAP-NC及sh-BMI1-NC轉(zhuǎn)染至細(xì)胞后6 h,更換新鮮的培養(yǎng)液,繼續(xù)培養(yǎng)至48 h。
采用TRIzol試劑進(jìn)行總RNA提取,向裂解產(chǎn)物中加入氯仿溶液混勻,10 min后以12 000 r/min離心15 min,加入異丙醇后混勻,靜置10 min后再次以12 000 r/min離心10 min,棄去上清液,借助紫外分光光度計測定RNA濃度和純度。以RNA為模板,參照反轉(zhuǎn)錄試劑盒說明書進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄合成單鏈cDNA,隨后采用SYBR Premix EX Taq試劑盒,根據(jù)PCR引物(表1)進(jìn)行擴(kuò)增,采用RTFQPCR系統(tǒng)分析每個反應(yīng)的Ct值,GAPDH作為內(nèi)參基因,用2-△△Ct計算目的基因的相對表達(dá)水平。
表1 RTFQ-PCR引物序列Tab.1 RTFQ-PCR primer sequences
將對數(shù)生長期的細(xì)胞用磷酸緩沖鹽溶液(phosphate-buffered saline,PBS)清洗后以體積比1∶4加入RIPA裂解液,并在冰上進(jìn)行研磨裂解。隨后以12 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心30 min,收集上清液,采用二辛可寧酸(bicinchoninic acid,BCA)法測定蛋白質(zhì)濃度。完成十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecylsulphate polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)后轉(zhuǎn)膜,室溫下用5%的脫脂牛奶封閉,加入一抗anti-WTAP(1∶1 000)和anti-BMI1(1∶10 000)溫育過夜。第2天添加辣根過氧化物酶(horseradish peroxidase,HRP)標(biāo)記的二抗山羊抗兔免疫球蛋白G(immuroglobulin G,IgG)(1∶1 000),室溫下在搖床上溫育1 h。用含有吐溫-20三乙醇胺緩沖鹽溶液(tris-buffered saline Tween,TBST)洗膜后添加化學(xué)發(fā)光試劑顯色顯影,并置于全自動凝膠成像分析儀下曝光拍照,采用Image J軟件對蛋白條帶灰度進(jìn)行定量分析,蛋白的相對含量 = 目標(biāo)條帶灰度值/GAPDH條帶灰度值。
將對數(shù)生長期細(xì)胞進(jìn)行消化、重懸并且調(diào)整細(xì)胞密度后接種至96孔板中,在培養(yǎng)0、24、48、72 h時,分別向每孔中加入20 μL MTT工作液,溫育4 h后吸棄孔內(nèi)溶液,每孔加入150 μL二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide,DMSO),振蕩10 min。借助酶標(biāo)儀檢測490 nm波長處的吸光度(D)值,并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算各組細(xì)胞增殖活 力。
收集細(xì)胞,加入提取液超聲破碎1 min,4 ℃下以15 000 r/min的速率離心10 min后加入氯仿溶液振蕩混勻,再次于4 ℃下以15 000 r/min的速率離心3 min,取上清液用于檢測。采用葡萄糖檢測試劑盒測定葡萄糖消耗水平,將樣本和試劑混勻后在37 ℃下保溫15 min后,讀取505 nm波長處的D值并進(jìn)行相應(yīng)計算。采用乳酸生成試劑盒檢測乳酸生成水平,將波長調(diào)至570 nm測定D值并進(jìn)行相應(yīng)計算。ECAR根據(jù)制造商的說明,使用Seahorse XF 96細(xì)胞外通量分析儀測量,并按照ECAR檢測試劑盒說明書分別在不同時間點(diǎn)添加葡萄糖、糖酵解抑制劑2-脫氧葡萄糖及寡霉素與不同轉(zhuǎn)染組細(xì)胞共培養(yǎng),以檢測ECAR。
借助Magna MeRIP? m6A試劑盒對細(xì)胞進(jìn)行MeRIP檢測。分離出總RNA用m6A抗體或抗小鼠IgG進(jìn)行免疫沉淀,并與Magna ChIP蛋白/G磁珠共溫育。洗脫后的RNA采用RTFQ-PCR分析進(jìn)行檢測。
為評估RNA的穩(wěn)定性,借助放線菌素D進(jìn)行RNA分解實驗。將培養(yǎng)的細(xì)胞接種至96孔板中添加放線菌素D,終濃度為5 μg/mL,并分別在0、3、6 h收集細(xì)胞。分離出總RNA,隨后進(jìn)行RTFQ-PCR以量化BMI1 mRNA的相對表達(dá)水平(相對于0 h)。
采用Prism 8.0統(tǒng)計軟件對研究數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,計數(shù)資料以n表示,采用χ2檢驗或Fisher確切概率法進(jìn)行檢驗。計量資料以±s表示。兩組間比較采用t檢驗,多組間比較采用單因素方差分析(ANOVA)。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。
利用RTFQ-PCR對WTAP的表達(dá)進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn),與正常腦組織比較,WTAP在膠質(zhì)瘤組織中的表達(dá)水平顯著上調(diào)(P<0.05,圖1A)。且相對于人正常神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞HEB,WTAP在U251細(xì)胞中的表達(dá)水平顯著上調(diào)(P<0.05,圖1B)。根據(jù)WTAP在膠質(zhì)瘤組織中表達(dá)水平的中位數(shù)將其分為高表達(dá)組和低表達(dá)組,分析WTAP表達(dá)與患者臨床病理學(xué)特征的關(guān)系,結(jié)果顯示,WTAP的表達(dá)與膠質(zhì)瘤患者的世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)分級有關(guān)(P<0.05),與性別、年齡和腫瘤大小均無關(guān)(P均>0.05,表2)。綜上所述,WTAP在膠質(zhì)瘤中表達(dá)上調(diào),推測其表達(dá)失調(diào)可能與膠質(zhì)瘤的發(fā)生有關(guān)。
圖1 WTAP表達(dá)在膠質(zhì)瘤中顯著上調(diào)Fig.1 WTAP expression was significantly upregulated in glioma
表2 WTAP在膠質(zhì)瘤組織中的表達(dá)及其與患者臨床病理學(xué)特征的關(guān)系Tab.2 Expression of WTAP in glioma tissue and its relationship with clinicopathological characteristics of patients
干預(yù)膠質(zhì)瘤細(xì)胞中WTAP的表達(dá)并檢測各組細(xì)胞的增殖和糖酵解情況,MTT結(jié)果顯示,sh-WTAP組細(xì)胞活力較sh-WTAP-NC組明顯下降(P<0.05,圖2A)。sh-WTAP組U251細(xì)胞的葡萄糖消耗和乳酸輸出均明顯減少(P均<0.05,圖2B、2C),同時ECAR明顯減弱(P<0.05,圖2D)。綜上所述,敲減WTAP可抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖及葡萄糖有氧代謝能力。
圖2 敲減WTAP抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞增殖及有氧糖酵解Fig.2 Knockdown of WTAP inhibits glioma cell proliferation and aerobic glycolysis
通過StarBase數(shù)據(jù)庫獲取WTAP作為結(jié)合蛋白可能結(jié)合的基因,共3 226個。通過DisGeNET數(shù)據(jù)庫檢測膠質(zhì)瘤相關(guān)基因(CUI:C0017638),根據(jù)GDA評分選擇風(fēng)險系數(shù)最高的前50個基因,Venn篩選結(jié)果顯示共有9個交集基因,分別為MYB、APC、TP53、EGFR、BMI1、PPM1D、ALK、NTRK1和HLA-A(圖3A)。通過RPIseq數(shù)據(jù)庫對WTAP與MYB、APC、TP53、EGFR、BMI1、PPM1D、ALK、NTRK1、HLA-A結(jié)合分?jǐn)?shù)進(jìn)行評價,結(jié)果顯示,BMI1與WTAP結(jié)合能力最強(qiáng)(RF分級為0.8,SVM分級為0.97,表3)。通過RMbase數(shù)據(jù)庫預(yù)測到WTAP的作為m6A調(diào)節(jié)因子的DNA功能域為GAAGAAG(圖3B)。通過SRAMP網(wǎng)站發(fā)現(xiàn)BMI1存在多個具有非常高可信度的m6A甲基化修飾位點(diǎn)(圖3C)。GTEx網(wǎng)站預(yù)測結(jié)果顯示,BMI1與WTAP在腦組織中的表達(dá)呈正相關(guān)(r= 0.78,P<0.05,圖3D)。綜上預(yù)測結(jié)果,推測WTAP可能通過m6A修飾的方式調(diào)控BMI1。
圖3 WTAP可能通過m6A修飾的方式調(diào)控BMI1的表達(dá)Fig.3 WTAP may regulate the expression of BMI1 through m6A modification
表3 RPIseq預(yù)測結(jié)果Tab.3 RPIseq prediction results
RTFQ-PCR結(jié)果顯示,與正常腦組織相比,BMI1在膠質(zhì)瘤組織中的表達(dá)水平顯著上調(diào)(P<0.05,圖4A),且與WTAP在膠質(zhì)瘤組織中的表達(dá)水平呈正相關(guān)(P<0.05,圖4B)。BMI1在U251細(xì)胞中的表達(dá)水平較HEB細(xì)胞顯著上調(diào)(P<0.05,圖4C)。在U251細(xì)胞中分別過表達(dá)和敲減WTAP并對m6A含量進(jìn)行檢測,結(jié)果顯示,相對于oe-WTAP-NC組,oe-WTAP組的m6A含量增加(P<0.05),而相對于sh-WTAPNC組,sh-WTAP組的m6A含量降低(P<0.05,圖4D)。MeRIP-RTFQ-PCR檢測結(jié)果顯示,過表達(dá)WTAP能夠富集更多的BMI1 mRNA,而敲減WTAP則能夠減少BMI1的富集(P均<0.05,圖4E)。RTFQ-PCR和放線菌素D實驗檢測結(jié)果表明,相對于oe-WTAP-NC組,oe-WTAP組的BMI1 mRNA表達(dá)增加,RNA穩(wěn)定性增強(qiáng)(P<0.05),而相對于sh-WTAP-NC組,sh-WTAP組的BMI1 mRNA表達(dá)減少,BMI1穩(wěn)定性降低(P<0.05,圖4F、4G)。
圖4 WTAP以m6A依賴的方式上調(diào)BMI1在膠質(zhì)瘤中的表達(dá)Fig.4 WTAP upregulates BMI1 expression in gliomas in an m6A-dependent manner
RTFQ-PCR結(jié)果顯示,過表達(dá)WTAP能夠上調(diào)BMI1的表達(dá),而oe-WTAP對BMI1表達(dá)的促進(jìn)作用能被sh-BMI1部分挽救(P<0.05,圖5A)。MTT結(jié)果顯示,oe-WTAP組細(xì)胞活力較oe-WTAP-NC組顯著增強(qiáng)(P<0.05),葡萄糖攝取和乳酸生成均顯著增加(P均<0.05),同時ECAR顯著上調(diào)(P<0.05),而與oe-WTAP+sh-BMI1-NC組相比,oe-WTAP+sh-BMI1組細(xì)胞活力減弱,葡萄糖攝取和乳酸生成減少,ECAR顯著下降(P均<0.05,圖5B ~ 5E)。上述結(jié)果表明,WTAP能以m6A依賴的方式上調(diào)BMI1,并促進(jìn)膠質(zhì)瘤細(xì)胞惡性增殖和糖代謝異常。詳細(xì)機(jī)制見圖5F。
圖5 WTAP通過m6A依賴的方式上調(diào)BMI1的表達(dá)進(jìn)而誘導(dǎo)膠質(zhì)瘤細(xì)胞增殖和糖代謝異常Fig.5 WTAP upregulates BMI1 expression in an m6A-dependent manner and induces glioma cell proliferation and abnormal glucose metabolism
本研究證實m6A甲基轉(zhuǎn)移酶WTAP通過增強(qiáng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的異常增殖和代謝從而發(fā)揮致癌作用。WTAP通過m6A甲基化修飾增強(qiáng)了BMI1的轉(zhuǎn)錄穩(wěn)定性,從而提高BMI1的表達(dá)水平并促進(jìn)細(xì)胞增殖和糖酵解效應(yīng)。
WTAP作為甲基轉(zhuǎn)移酶家族的一員,能夠協(xié)調(diào)METTL3-METTL14異源二聚體定位到核斑點(diǎn),影響m6A沉積并且調(diào)控一系列不同的生物學(xué)過程,如mRNA轉(zhuǎn)錄、剪接、翻譯、核出口、定位和穩(wěn)定性等[10-11]。WTAP作為m6A調(diào)節(jié)因子被發(fā)現(xiàn)其水平升高能促進(jìn)包括癌癥在內(nèi)的多種疾病的進(jìn)展,例如,WTAP在多種腫瘤中表達(dá)上調(diào),并通過與RNA加工和細(xì)胞增殖中的不同蛋白質(zhì)相互作用從而發(fā)揮致癌作用[12],WTAP能調(diào)節(jié)ATF4的m6A修飾,促進(jìn)心肌缺血再灌注損傷[13]。WTAP通過結(jié)合HK2的m6A修飾位點(diǎn),增強(qiáng)HK2 mRNA穩(wěn)定性,從而促進(jìn)胃癌的有氧糖酵解[14]。C5aR1陽性中性粒細(xì)胞可通過WTAP依賴的ENO1 m6A甲基化影響乳腺癌細(xì)胞的糖酵解活性及腫瘤生長[15]。本研究發(fā)現(xiàn)并證實WTAP在膠質(zhì)瘤中表達(dá)異常增強(qiáng),且通過m6A修飾的方式上調(diào)BMI1的表達(dá)水平。BMI1被發(fā)現(xiàn)是膠質(zhì)瘤細(xì)胞的原癌基因[16],因此本研究對其具體作用進(jìn)行了初步探討。Lu等[17]研究發(fā)現(xiàn),癌細(xì)胞表現(xiàn)出獨(dú)特的代謝表型,依靠有氧糖酵解來支持其增殖和同化生長,被稱為沃伯格效應(yīng),其能加速腫瘤生長和增殖。有氧糖酵解參與多種癌癥的轉(zhuǎn)移,包括胰腺癌、肺癌和乳腺癌等[18]。作為一種高轉(zhuǎn)移性的癌癥類型,膠質(zhì)瘤也被報道與糖酵解有關(guān)[19]。在進(jìn)一步的研究[20]中,m6A被確定為調(diào)節(jié)沃伯格效應(yīng)的關(guān)鍵機(jī)制,并與不利的預(yù)后密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn),敲減WTAP、BMI1均能顯著抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞增殖活力,葡萄糖吸收、乳酸生成減少,ECAR下降,從而減弱糖酵解活性,進(jìn)而抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞生長,此作用是通過m6A甲基化修飾機(jī)制來實現(xiàn)的。
本研究存在一定的缺陷:首先,未進(jìn)一步通過動物實驗對WTAP/BMI1在膠質(zhì)瘤中的作用進(jìn)行驗證;其次,沒有對BMI1下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等進(jìn)行分析,這也是今后需要深入研究的方向??傊?,本研究通過臨床標(biāo)本分析和細(xì)胞水平實驗證實m6A甲基轉(zhuǎn)移酶WTAP可能是膠質(zhì)瘤發(fā)生和代謝過程中的調(diào)控表觀遺傳的關(guān)鍵分子,揭示了WTAP/BMI1軸在膠質(zhì)瘤中的角色,有助于人們深入了解膠質(zhì)瘤中糖代謝重編程的分子機(jī)制,有望為膠質(zhì)瘤的防治提供新的線索。
利益沖突聲明:所有作者均聲明不存在利益沖突。