根据最新的全球癌症统计数据,结肠直肠癌(colorectal cancer,CRC)是最常见的诊断癌症之一,也是全球癌症相关死亡的主要原因
[1]。尽管针对CRC的临床治疗策略取得了巨大进步,但仍有超过50%的接受切除术的患者发生转移
[2]。因此,探索和更好地理解驱动CRC进展的分子机制将有助于通过更好的预后预测和更有效的靶向治疗。微小RNA(microRNA,miRNA)是一类单链非编码RNA,通过结合3’-UTR区域下调目标mRNA地表达
[3]。研究表明,miRNA失调显著促进CRC的发展
[4]。最近报道了miR-200a-3p在CRC中的潜在致癌功能,表明miR-200a-3p在癌症预后和治疗的重要性
[5-6]。程序性细胞死亡4(programmed cell death 4,PDCD4)是一种新的肿瘤抑制基因,在转录和翻译水平抑制肿瘤进展,并调节多种信号转导途径,被认为是一种新的肿瘤抑制基因
[7]。在正常生理条件下,PDCD4蛋白主要位于细胞核内,当细胞微环境发生变化时(如细胞恶性增殖),可通过核输出信号转移到细胞质中
[7]。PDCD4还可以直接结合肿瘤细胞的核糖体,影响翻译过程,导致肿瘤细胞的凋亡
[8]。最近研究证实miR-200a-3p/PDCD4轴介导缺氧/再灌注损伤后心肌细胞凋亡
[9]。然而,尚不清楚miR-200a-3p/PDCD4轴是否介导CRC进展。因此,本研究旨在揭示miR-200a-3p/PDCD4轴在CRC中的临床意义。
1 资料与方法
1.1 对象
从2017年1月至2019年9月在长沙市第一医院(中南大学湘雅医学院附属长沙医院)接受根治性切除术或姑息性切除术的CRC患者中收集包含120对CRC组织和相应癌旁正常组织的队列。另1个队列包括50例诊断为CRC的患者;2019年1月至2020年1月从这些患者手术前后收集术前和术后血清样本;同时获得40例健康受试者和40例新诊断 CRC患者的血清。所有CRC患者均经病理确诊,术前均未接受放疗或化疗。标本由本院普外科研究人员收集,切除后立即在液氮中运输,在RNA提取前储存在-80 ℃。本研究经本院伦理委员会审查批准,患者和对照受试者提供知情同意书。
1.2 细胞系和培养
人正常结肠直肠上皮细胞系HCoEpic获自美国典型培养物保藏中心,CRC细胞(HCT116、DLD-1、HT29、LoVo和 SW480)获自中国科学院细胞库。HCoEpic细胞在补充有 10%胎牛血清的McCoy's 5A培养基(美国Gibco公司)中培养,HCT116、DLD-1、HT29和LoVo细胞在RPMI 1640培养基(美国Gibco公司)中培养,SW480细胞在DMEM/高葡萄糖培养基(美国Gibco公司)中培养。
1.3 细胞转染
由上海吉玛制药技术有限公司设计并合成靶向miR-200a-3p(si-miR-200a-3p)和siRNAs阴性对照(si-NC)。细胞培养至30%~50%汇合,用siLentFect脂质试剂(美国Bio-Rad公司)转染siRNAs。将miR-200a-3p和PDCD4的全长序列克隆到pcDNA3.1载体(美国Invitrogen公司)中,构建 miR-200a-3p过表达(miR-200a-3p-OE)和PDCD4过表达(PDCD4)质粒,同时将空载体用作阴性对照。当细胞达到大约 90%汇合时,用Lipofectamine 2000(美国Invitrogen公司)转染质粒。48 h后收获转染的细胞用于随后的实验。
1.4 RNA提取和qRT-PCR分析
使用 RNA Isolater总RNA提取试剂盒(南京诺唯赞医疗科技有限公司)从CRC标本和细胞中分离总RNA。通过 Nano drop 2000(美国Thermo Fisher Scientific公司)测定提取样品的质量和浓度。对于qRT-PCR分析,使用具有特异性茎环引物的miRNA第一链cDNA合成试剂盒(南京诺唯赞医疗科技有限公司)进行逆转录,然后使用miRNA Universal SYBR qPCR Master Mix(南京诺唯赞医疗科技有限公司)在 LightCycler 96仪器上进行 qRT-PCR(瑞士罗氏公司),使用以下循环条件:95 ℃ 5 min;40 次循环,95 ℃ 10 s,60 ℃ 60 s;熔化曲线分析。使用2-ΔΔCT方法计算相对RNA表达水平,U6作为miRNAs的参照。引物序列如下:U6,F:5′-CTCGCTTCGGCAGCACA-3′,R:5′-AACGCTTCACGAATTTGCGT-3′;miR-19b-3p,F:5′-CAGTGCAGGGTCCGAGGT-3′,R:5′-AAGCGACCTGTGCAAATCCATG-3′。
1.5 CCK-8增殖试验
用CCK-8法(美国APExBIO公司)测定CRC细胞的增殖能力。将对数生长期的细胞(每孔1 000个细胞)接种到96孔板中,并将10 μL CCK-8溶液添加到每个孔中,然后在37 ℃下孵育2 h。用分光光度计计算450 nm波长处的吸光度值,共3次。
1.6 集落形成试验
收集CRC细胞,将1×103个细胞接种到6孔板中,并在 37 ℃下孵育10 d。去除培养基后,用甲醇固定细胞,并用 0.1%结晶紫染色。然后计数并记录菌落数。
1.7 细胞迁移和侵袭分析
对于细胞迁移分析,将细胞悬液(1×105个细胞)稀释在0.2 mL无血清RPMI1640培养基中,并加入到上部Transwell室中,孵育20 h。使用涂有Matrige(美国BD Bioscience 公司)Transwell室进行细胞侵袭分析。转染的细胞常规孵育48 h。孵育后,用甲醛固定细胞30 min,并用结晶紫染色。通过显微镜对穿过滤膜的细胞进行计数。
1.8 荧光素酶报告基因分析
应用萤光素酶报告基因分析来研究PDCD4是否是miR-200a-3p的直接靶标。将PDCD4的3′ UTR序列克隆到 pcDNA3.0载体中。随后,用Vector或miR-200a-3p-OE共转染PDCD4载体。通过Centro LB 960微孔板式发光检测仪(德国Berthold公司)评估荧光素酶的相对值。
1.9 Western blot分析
从细胞中提取总蛋白,并使用BCA蛋白检测试剂盒(上海Beyotime公司)进行定量。将等体积的蛋白质样品进行 SDS-PAGE 电泳,并转移到PVDF膜(美国Millipore公司)上。在5%牛血清白蛋白中封闭1 h后,将膜与下列一抗在 4 ℃孵育过夜:PDCD4(1∶1 000;英国Abcam公司)、GAPDH(1∶2 000;美国Proteintech公司)。然后,将膜与山羊抗兔 IgG二抗(1∶10 000;美国Proteintech公司)在室温下孵育1 h。使用ECL-Plus蛋白质印迹检测系统(美国GE Healthcare公司)进行密度测定分析。
1.10 动物实验
18只雌性BALB/c裸鼠(6~8周龄)由北京维通利华实验动物技术有限公司提供,并在无特定病原体条件下饲养。将小鼠随机分为3组,每组6只:载体组(Vector组)、miR-200a-3p过表达组(miR-200a-3p-OE组)和miR-200a-3p过表达+PDCD4过表达组(miR-200a-3p-OE+PDCD4组)。为了构建远处转移模型,将具有载体、miR-200a-3p过表达、miR-200a-3p过表达+PDCD4过表达的SW480细胞(1×106个细胞)注射到无胸腺裸鼠的尾静脉中,通过Xenogen IVIS光谱体内成像系统(美国PerkinElmer公司)监测肺转移的荧光强度。8周后,解剖裸鼠的肺,计数肉眼可见的转移结节的数量,并收集转移结节用4%福尔马林固定,包埋在石蜡中,然后切成4 μm切片。使用链霉亲和素-过氧化物酶试剂盒(北京中山生物技术有限公司)进行免疫组织化学分析(immunohistochemical analysis,IHC)。载玻片与特异性针对PDCD4(英国Abcam公司)的抗体一起孵育。采用Ⅸ83倒置显微镜(日本Olympus公司)拍摄代表性照片。
1.11 统计学方法
使用SPSS 19.0软件进行统计分析。当前研究中的所有数据均以均值±标准差(x±s)表示。检验水准α=0.05。t检验或单向方差分析用于评估组间差异的显著性。受试者工作特征(receiver operating characteristic curve,ROC)曲线用于分析miR-200a-3p检测的敏感性和特异性。通过卡方检验计算miR-200a-3p表达与CRC临床病理参数的关系;通过Kaplan-Meier法和对数秩检验计算总生存率(overall survival,OS)和无病生存率(disease free survival,DFS)。使用单变量和多变量Cox比例风险回归模型来确定miR-200a-3p或其他临床病理参数对生存率的影响,并评估风险比。
2 结 果
2.1 CRC患者miR-200a-3p表达的临床意义
为了确定miR-200a-3p在CRC患者中的临床意义,首先通过随访数据在120例CRC患者队列中验证其表达。与癌旁正常组织相比,miR-200a-3p在CRC组织中显著上调(
P<0.05)(
图1A)。对另1组50例CRC患者手术前后的血清miR-200a-3p水平进行分析,与术前样品相比,术后血清样品中miR-200a-3p减少(
P<0.05)(
图1B)。然后评估另1组40例CRC患者和40例健康受试者中miR-200a-3p的血清表达,发现CRC患者中的血清miR-200a-3p显著高于健康受试者(
图1C)。此外,为了评估miR-200a-3p表达作为区分健康人和CRC患者的血清生物标志物的价值,基于40例CRC患者和40例健康受试者的数据生成ROC曲线。miR-200a-3p的曲线下面积(area under curve,AUC)为0.731(95%CI=0.633~0.857);在截止值为1.184时,约登指数为 0.475,灵敏度为65.4%,最佳特异性为87.5%。miR-200a-3p联合CEA检测显示出显著更高的诊断效率,AUC为0.882(95%CI=0.785~0.942)(
图1D)。
2.2 随访数据
根据miR-200a-3p表达的中位水平,将120例CRC患者队列分为高表达组和低表达组。与miR-200a-3p低表达组相比,miR-200a-3p高表达组的肿瘤直径>5 cm、浸润深度 T3/T4、淋巴结转移、远处转移和TNM分期Ⅳ期人数显著增加(
P<0.05)(
表1)。随后,基于120例患者的生存随访信息,Kaplan-Meier生存曲线显示,miR-200a-3p高表达与不良 OS和DFS正相关(
P<0.05)(
图2)。单变量Cox回归分析表明,miR-200a-3p表达、浸润深度、淋巴结转移、分化、TNM 分期和远处转移是OS的显著危险因素,和miR-200a-3p表达、浸润深度、淋巴结转移、分化、肿瘤大小和TNM分期是 DFS的显著危险因素(
P<0.05)(
表2)。多变量分析显示miR-200a-3p表达可以作为OS(
HR=2.077,95%CI=1.079~3.998,
P=0.029)和DFS(
HR=2.927,95%CI=1.179~7.270;
P=0.021)的独立预后生物标志物(
表3)。
2.3 miR-200a-3p在体外促进CRC的增殖、迁移和侵袭
miR-200a-3p的表达在CRC细胞中明显上调,与HCoEpic细胞相比,miR-200a-3p的表达在DLD-1细胞中相对较高,在SW480细胞中相对较低(
图3A)。因此,选择DLD-1 和SW480细胞进行进一步研究。用miR-200a-3p siRNAs 转染DLD-1细胞,qRT-PCR分析证实其成功沉默了miR-200a-3p(
图3B)。CCK-8和集落形成试验分析显示,与si-NC组相比,si-miR-200a-3p组DLD-1细胞活力和细胞集落数明显降低(
P<0.05)(
图3C、D)。Transwell试验显示si-miR-200a-3p组DLD-1细胞的迁移和侵袭细胞数明显低于si-NC组(
P<0.05)(
图3E)。相反,用miR-200a-3p过表达质粒转染SW480细胞,qRT-PCR分析证实miR-200a-3p明显增加(
P<0.05)(
图3F)。与Vector组相比,miR-200a-3p-OE组SW480细胞活力、细胞集落数、迁移和侵袭细胞数明显增加(
P<0.05)(
图3H、I)。
2.4 miR-200a-3p靶向CRC细胞中的PDCD4
miR-200a-3p过表达明显降低CRC细胞中PDCD4蛋白水平。相反,miR-200a-3p敲低显示出相反的结果(
图4A、B)。荧光素酶报道基因分析显示,与Vector相比,miR-200a-3p-OE明显降低了WT型PDCD4序列的荧光素酶报道基因的活性;然而,当miR-200a-3p结合位点突变(MUT)时,这种效应消失(
图4C)。
2.5 miR-200a-3p 通过抑制PDCD4促进CRC细胞的增殖和侵袭
为了进一步探索miR-200a-3p和PDCD4之间的相互作用,进行了救援实验。结果表明,miR-200a-3p-OE+PDCD4 组SW480细胞的细胞活力、细胞集落数、迁移和侵袭细胞数较miR-200a-3p-OE组明显降低(
P<0.05)(
图5A~C)。与体外结果一致,在转移的小鼠尾静脉注射模型中,miR-200a-3p-OE+PDCD4组SW480细胞的肺定殖、肺转移灶较miR-200a-3p-OE组明显减少(
P<0.05)(
图5D、E)。肺切片的 IHC染色证实了PDCD4的更高表达导致更少的转移灶形成(
图5F)。
3 讨 论
在许多类型的癌症中均报道了miRNAs的异常功能和表达谱,包括CRC
[10-12]。miR-200超家族是miRNAs的1个关键家族,主要参与调节癌症转移
[13]。miR-200a-3p在多种癌症中过度表达并发挥致癌作用。最近的研究表明,miR-200a-3p在卵巢癌中具有潜在致癌作用
[14]。Lee H等
[15]报道,miR-200a-3p通过调节双特异性磷酸酶6的表达增加了肝细胞癌细胞对5-氟尿嘧啶的耐药性。miR-200a-3p的致癌作用也通过转录后调节细胞质坍塌应答调停蛋白1的表达在人肝细胞癌中促进了5-氟尿嘧啶治疗后的细胞存活
[16]。临床分析显示,miR-200a-3p过表达与CRC患者的肿瘤直径、淋巴结转移和远处转移密切相关,表明miR-200a-3p有助于CRC的增殖和转移。随后,体外功能获得和丧失实验强调了miR-200a-3p在促进CRC细胞增殖、迁移和侵袭中的重要作用。更重要的是,尾静脉注射模型显示miR-200a-3p过表达后,体内远端器官的转移率明显增加。这些体内外结果表明,特异性靶向miR-200a-3p的siRNAs可以有效抑制CRC生长和转移。
先前的研究证实,miR-200a-3p通过抑制其下游靶基因PDCD4调节细胞的增殖、细胞周期进程和凋亡
[9]。虽然PDCD4被鉴定为位于细胞核的DNA结合蛋白,但其mRNA的调节发生在细胞质中,通过miR-200a-3p/PDCD4轴改变了被翻译的PDCD4表达量,最终改变了PDCD4蛋白转位入核的量。本研究通过免疫印迹和荧光素酶报告基因揭示了miR-200a-3p过表达明显降低CRC细胞中PDCD4蛋白水平,表明miR-200a-3p上调可以抑制CRC细胞中PDCD4蛋白表达。PDCD4是一种参与程序性细胞死亡的关键蛋白,已知在几种人类癌症中是一种新的肿瘤抑制因子
[17]。Wang Q和Yang HS
[18]表明,PDCD4通过抑制G1阶段的细胞周期进程来发挥其功能,PDCD4的缺失导致卵巢癌中细胞周期加速。还有研究证明PDCD4可以诱导细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p21和p27的表达,从而抑制细胞周期进程
[19]。虽然miR-200a-3p和PDCD4的相关性已经得到证实,但是miR-200a-3p/PDCD4在CRC中的确切机制仍然未知。本研究中,PDCD4过表达消除了miR-200a-3p上调的致癌作用,表明PDCD4至少部分介导了miR-200a-3p在CRC细胞中的致癌作用。
总之,本研究提供了miR-200a-3p在CRC细胞、组织和血清中表达明显增加的证据,并且可以作为诊断和预后的生物标志物。miR-200a-3p过表达通过抑制PDCD4表达促进CRC进展。对miR-200a-3p的进一步研究可能为CRC的诊断和治疗提供新的见解,并显著促进临床实践中的治疗。