肾癌是第三大泌尿系统恶性肿瘤,肾透明细胞癌(kidney renal clear cell carcinoma,KIRC)是最常见的亚型,占所有肾癌患者的70%
[1]。肾癌早期症状不明显,且缺乏有效的筛查指标,当出现血尿、腰痛、腹部肿块(三联症)时已属晚期
[2]。研究发现有远处转移的晚期KIRC的5年生存率低于10%
[3]。因此,寻找早期诊断指标和新的治疗靶点具有重要的临床意义。
G蛋白信号蛋白家族的调节因子(regulators of G-protein signaling,RGS)可以加速G蛋白α亚基的GTP酶活性,提高GTP到GDP的转化率
[4]。而GTP转化为GDP有利于肿瘤增殖、迁移、侵袭及血管生成
[5]。根据RGS结构域和蛋白结构的同源性将其分为8个亚家族(RZ/A、R4/B、R7/C、R12/D、RA/E、RGEF/F、RGRK/G和RSNX/H)
[6]。RGS17是最近发现的RZ/A亚家族成员,被报道与肺癌
[7]、前列腺癌
[8]、肝癌
[9]等多种肿瘤发生发展相关
[10]。James MA等
[11]研究发现RGS17在人肺癌及前列腺癌中高表达,并通过cAMP/PKA/CREB促进肿瘤细胞增殖。Zhang W等
[9]研究也证实miR-199通过靶向RGS17抑制肝细胞癌中的细胞增殖、迁移和侵袭。以上研究表明RGS17有成为肿瘤预后和治疗相关生物标志物的潜力,但RGS17在肾癌中的作用机制尚不十分明确。
本研究初步探讨了RGS17的表达与KIRC的临床病理特征和预后的关系。并进一步敲低RGS17,明确RGS17对肾癌细胞系ACHN细胞增殖迁移的影响。初步探究了RGS17对cAMP信号通路的调节作用,本研究发现,RGS17有潜力成为肾癌预后相关生物标志物。
1 材料与方法
1.1 主要材料与仪器
人肾细胞腺癌细胞ACHN细胞(武汉普诺赛生命科技有限公司);胎牛血清、DMEM完全培养基、胰酶细胞消化液(0.25%胰酶,含EDTA,不含酚红)、青霉素-链霉素溶液(100×)、CCK-8试剂(大连美仑生物技术有限公司);GAPDH、RGS17、PKA、p-PKA、CREB、p-CREB蛋白、蛋白提取试剂盒(ImmunoWay公司);蛋白酶和磷酸酶抑制剂混合液、快速封闭液、快速转膜液(苏州新赛美生物科技有限公司);BCA蛋白定量试剂盒(江苏凯基生物有限公司);SDS—PAGE蛋白上样缓冲液(5×)(中国碧云天公司);FuturePAGETM蛋白预制胶(艾思易生物科技有限公司);ECL发光液(Advansta公司);细胞、组织RNA柱式提取试剂盒、HiScript® Ⅲ All-in-one RT SuperMix、Perfect for qPCRTaq Pro Universal SYBR qPCR Master Mix(南京诺唯赞生物科技股份有限公司);通用型组织固定液(赛维尔生物科技有限公司);凝胶成像系统(美国Bio-Rad公司),荧光倒置显微镜 (德国蔡司公司),T100 THERMAL CYCLER PCR仪(美国Bio-Rad 公司)。
1.2 方法
1.2.1 不同临床分组样本RGS17表达量差异分析
使用Timer数据库进行泛癌表达分析。从癌症基因组图谱(The Cancer Genome Atlas,TCGA)数据库中获得KIRC的RNAseq数据和相应的临床信息。利用R软件研究RGS17在KIRC中的表达差异及其与临床特征的关系,绘制箱线图,计算RGS17的差异表达。本研究所用数据均为标准化后TPM数据,其数据分布接近正态分布。
1.2.2 生存预后分析
采用Kaplan-Meier(K-M)生存分析,分析KIRC患者RGS17生存天数、无疾病生存时间与表达之间的关系。根据RGS17 mRNA表达水平中值分为低表达组和高表达组。Log-rank用于检验K-M生存分析、比较上述两组的生存差异,进行了诊断ROC、timeROC分析以比较RGS17基因的诊断与预后预测准确性。采用单因素和多因素logistic回归分析确定KIRC的独立预后因素。
1.2.3 RGS17的相关基因分析及GO、KEGG分析
使用STRING网站评估蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interaction,PPI)的生物学工具,获取50个RGS17相关基因,并构建PPI网络。并对相关基因集进行GO和KEGG富集分析。
1.2.4 免疫组化
石蜡切片烘箱60 ℃烤1 h后置于二甲苯Ⅰ10 min、二甲苯Ⅱ 10 min、无水乙醇5 min、95%乙醇5 min、85%乙醇 5 min、70%乙醇5 min、蒸馏水5 min脱蜡水化,自来水冲洗1 min。按照免疫组化试剂盒说明书进行免疫组化染色后,加入DAB显色液5~10 min复染,再进行分化反蓝透明处理再经苏木素返蓝液返蓝2~5 s,最后添加中性树胶进行封片。
1.2.5 细胞获得与培养
细胞完全培养基为:DMEM+10%胎牛血清+1%青/链霉素双抗,于37 ℃、5%CO2培养箱中培养。倒置显微镜观察细胞生长密度到70%~80%时,用0.25%胰酶消化传代进行后续实验。
1.2.6 RT-qPCR实验
使用Lipo8000™试剂转染shRNA NC(阴性对照)及shRNA RGS17 质粒48 h后,使用试剂盒提取细胞RNA,并逆转录为cDNA,qPCR 反应条件为:95 ℃预变性30 s,95 ℃ 10 s,60 ℃ 30 s,溶解曲线反应,循环数为40个。最后,采用2
-ΔΔCt 分析计算RGS17的表达。所用引物如下,见
表1。
1.2.7 Western blot实验
提取总蛋白,蛋白定量使用BCA法,加上样缓冲液后100 ℃变性5 min。电泳后恒流电转于PVDF膜上,封闭10 min,TBST浸洗3遍后一抗4 ℃过夜孵育。TBST再次浸洗3次,二抗孵育1 h,TBST浸洗3次后曝光。以GADPH为内参,计算相对蛋白表达量。
1.2.8 CCK-8实验
取对数生长细胞,以初始密度4×103/孔接种于96孔板上。细胞贴壁后,按照完全培养基:CCK-8=10∶1的比例配制CCK-8悬液;吸除细胞培养基后,PBS润洗;去掉PBS,每孔加入等量的CCK-8悬液,放回培养箱避光孵育2 h。收集不同时间段所测得的OD值作图。
1.2.9 平板克隆实验
取对数生长期的细胞,以初始密度500个细胞每孔接种于6孔板上,使细胞分散均匀。当培养皿中出现肉眼可见的克隆时,培养终止。弃去培养液,用PBS润洗后,4%多聚甲醛进行细胞固定,结晶紫染色液进行染色,用流水洗去染色液并待其干燥。用显微镜计数大于10个细胞的克隆数。
1.2.10 划痕实验
培养皿中细胞满到90%时,用无菌移液管尖端垂直均匀划痕;用PBS轻轻润洗3次,更换无血清培养基,将细胞放回培养箱中;每隔6 h显微镜下查看细胞迁移情况,分别于0 h、12 h 拍照记录,计算各组闭合率。
1.2.11 Transwell实验
按照细胞传代步骤消化离心,用无血清培养基重悬,细胞计数,使得每个上室中细胞浓度为1×104个/300 μL;下室为含胎牛血清20%的500 μL培养基;培养箱中培养48 h;取出小室,移液枪吸弃小室内残余溶液,固定使用4%多聚甲醛;取出小室,棉签拭去小室上层细胞,倒扣风干,结晶紫染色液避光染色30 min后将小室置于 PBS中漂洗干净,显微镜下观察拍照、计数。
1.3 统计学方法
生信分析方法和R软件包均使用v4.3.2版R软件执行。其余数据应用SPSS 26.0软件(IBM Corp,Armonk,NY,USA)进行数据处理。服从正态分布的计量资料以均数±标准差(x±s)表示,采用单因素方差分析或成组t检验进行组间比较。检验标准α=0.05。
2 结 果
2.1 RGS17在KIRC及其他肿瘤中的表达水平
本课题组使用Timer数据库中获取33种肿瘤及癌旁样本RGS17的表达,发现在浸润性乳腺癌、胆管癌、肾透明细胞癌、肾乳头状细胞癌、肝癌、肺腺癌、肺鳞状细胞癌、嗜铬细胞瘤和副神经节瘤、前列腺癌、胃癌中,RGS17较癌旁样本高表达,皮肤黑色素瘤转移瘤RGS17表达较皮肤黑色素瘤增高,但在肾显色细胞癌中,RGS17表达较癌旁样本下降(
图1A)。由于Timer数据库时效性,本课题组从TCGA官方数据库中下载最新KIRC mRNA表达队列,其中有542个肿瘤样本及72个癌旁样本,对其RGS17表达进行差异分析,并对其中72组成对样本进行配对样本差异分析,使用箱线图进行展示。结果与之前一致,即RGS17在KIRC中表达较癌旁样本升高(均
P<0.001,
图1B、C)。
2.2 RGS17表达验证
收集肾透明细胞癌及其配对癌旁组织进行mRNA及免疫组织化学染色,结果证实KIRC组织中RGS17的蛋白表达水平高于正常组织(
图2A~C)。
2.3 RGS17与临床变量的相关性分析
为了揭示RGS17与KIRC临床性状之间的相关性,本研究比较了不同年龄、性别、病理分级、临床分期、T分期、N分期、M分期RGS17的表达差异,结果提示:不同年龄及性别之间也未见明显差异(
图3A、B)。发现RGS17上调与更高的T分期、临床分期及远处转移相关(均
P<0.01,
图3D、F、G);而淋巴结转移、更高病理分期的患者RGS17表达升高不明显(
P=0.13、0.085,
图3C、E);此外,本课题组还创建了1个热图来比较展示高低表达组在年龄、性别、病理分级、临床分期、T分期、N分期、M分期等临床数据方面的差异(
图3H)。
2.4 RGS17与KIRC预后相关
K-M生存分析结果表明,RGS17高表达组的总生存时间(overall survival,OS)及无进展生存期(progression-free survival,PFS)较RGS17低表达组短(均
P<0.001,
图4A、B)。本研究进一步构建了受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线以明确RGS17对KIRC的诊断价值(
图4C),发现RGS17表达水平能较好区分肿瘤组织和正常组织,AUC值为0.746(95%CI=0.697~0.794),而时间依赖性的ROC曲线分析显示,基于RGS17表达水平预测KIRC患者1、3、5年生存率的AUC值均在0.6以上(
图4D)。除此之外,本课题组还进行单变量和多变量Cox回归分析,以探讨RGS17表达水平的预后价值。单变量Cox回归分析结果表明RGS17、年龄、临床分期、病理分级与OS相关(均
P<0.001,
图4E)。多变量Cox独立预后分析结果表明,RGS17、年龄、临床分期、病理分级为KIRC的独立预后因素(均
P<0.05,
图4F)。
2.5 Nomogram模型构建及校准曲线
根据单因素、多因素Cox独立预后分析结果,选取为独立预后因素且HR值较高的临床分期、病理分级及RGS17表达构建Nomogram模型,RGS17高表达组得分约为46分(
图5A),校准曲线显示出观测值与预测值具有较好的一致性,提示nomogram模型在预测KIRC患者1、3、5年生存率方面具有较高的临床价值(
图5B)。
2.6 RGS17相关基因的PPI网络和功能富集分析
使用STRING在线工具构建RGS17相关PPI网络,以预测RGS17生物学功能(
图6A)。并对RGS17及其相关基因进行GO分析,发现这些基因主要富集在G蛋白偶联受体调节、GTP酶激活等相关通路(
图6B)。此外,还对RGS17及其相关基因KEGG中代谢、遗传信息处理、环境信息处理、细胞过程通路进行富集分析,发现RGS17相关基因在cAMP信号通路,cGMP-PKG信号通路、PI3K-Akt信号通路等信号通路上明显富集(
图6C)。
2.7 RGS17 敲低效率验证
通过RT-qPCR和Western blot方法检测RGS17 mRNA 和蛋白水平,结果显示:RGS17转染shRGS17质粒后,ACHN细胞中RGS17mRNA及蛋白表达明显下降(
P<0.001,
图7A~C)。
2.8 RGS17 敲低对ACHN增殖的影响
通过CCK-8及平板克隆实验检测shNC及shRGS17组ACHN细胞的增殖情况,结果证明:RGS17敲低抑制ACHN细胞增殖活性(
P<0.001,
图8A),转染RGS17细胞生长10 d后增殖克隆数为对照组的2.59倍(
P<0.001,
图8B)。
2.9 RGS17敲低对ACHN迁移和侵袭的影响
通过划痕实验及transwell实验检测shNC及shRGS17组ACHN细胞的迁移侵袭情况。结果提示,与对照组相比,shRGS17组12 h划痕愈合面积明显减少(
P<0.001,
图9A、B)。Transwell迁移及侵袭实验也发现了相同的结果,即抑制RGS17的表达将明显降低ACHN细胞的迁移和侵袭能力(
P<0.001,
图9C、D)。
2.10 RGS17敲低对PKA/CREB通路的影响
通过Western blot实验检查PKA/CREB通路中PKA、CREB蛋白及其磷酸化表达的变化,结果提示,敲低RGS17后,PKA、CREB蛋白表达减少(
P<0.05,
图10A、B),其磷酸化水平也下降(
P<0.001,
图10A、C),提示RGS17下调会抑制PKA/CREB通路的激活。
3 讨 论
在非小细胞肺癌
[7]、前列腺癌
[8]、卵巢癌
[10]、乳腺癌
[6]、肝癌
[9]、结直肠癌
[12]等多种类型的癌症中发现RGS17高表达,并在肿瘤生长和转移中发挥潜在作用。通过泛癌分析,本研究验证了相似结论,发现RGS17在浸润性乳腺癌、胆管癌、肾透明细胞癌、肾乳头状细胞癌、肝癌、肺腺癌、肺鳞状细胞癌、嗜铬细胞瘤和副神经节瘤、前列腺癌、胃癌、皮肤黑色素瘤转移瘤中高表达。
本研究从TCGA获取KIRC患者数据评估RGS17预后价值。本课题组发现KIRC样本RGS17表达较正常样本明显上调,免疫组化实验及PCR也得到相同结果。且RGS17表达升高与不良的临床病理特征如T分期、远处转移相关。但淋巴结转移、更高病理分期患者表达升高不明显。K-M曲线显示,RGS17表达水平较高的KIRC患者拥有较短的OS和PFS。ROC曲线结果提示RGS17能较好区分正常与KIRC患者,并能较好预测1、3、5年生存率,有作为KIRC诊断和预后标志物的潜能。肾癌男性发病率高于女性,且男性肾癌患者往往肿瘤体积更大,分期更高,预后更差
[13]。研究发现年龄、性别、病理分级、TNM分期是肾癌患者独立预后因素
[14-15]。选取RGS17、年龄、性别、临床分期、病理分级进行单因素及多因素回归分析,结果发现年龄、临床分期、病理分级、RGS17是KIRC的独立预后因子。选取其中HR值较高的RGS17表达、临床分期、病理分级构建nomogram预后模型,校准曲线显示出观测值与预测值具有较好的一致性,提示该nomogram模型在预测KIRC患者1、3、5年生存率方面具有较高的临床价值。
为了进一步明确RGS17影响肾癌的机制,本研究在体外对RGS17进行敲减,发现RGS17的下调会抑制肾癌细胞ACHN的增殖、迁移和侵袭。这与远处转移的KIRC患者拥有高RGS17表达的结果一致。以上结果证明RGS17在KIRC发生发展过程中起促癌作用。
G蛋白耦联受体(G-Protein Coupled Receptors,GPCRs)参与大部分细胞生理功能的调节,目前市面上约34%的药物都直接或间接以G蛋白耦联受体作为靶点
[16]。RGS蛋白可以作为GTP酶激活蛋白作用于G蛋白α亚基,加速与Gα亚基结合的GTP水解速度,使Gα亚基更快地恢复到非活性的 GDP结合状态,负调控G蛋白偶联受体信号通路,参与细胞的生长、增殖、分化和迁移
[17-18]。目前研究发现RGS17的功能主要集中在加速GTP的水解及诱导G蛋白的失活
[19]。本课题组对RGS17进行PPI网络构建,并将其相关基因集进行GO富集分析,也发现生物过程 、细胞组分、分子功能中,RGS17相关基因集富集结果均包含GTP酶激活及G蛋白偶联受体调控相关通路。
细胞外信号与GPCRs结合后通过介导腺苷酸环化酶的活性,调控ATP向cAMP转化
[20]。cAMP是首个发现的第二信使,在细胞信号传导中扮演着重要角色,主要通过PKA及其下游效应因子调节多种靶基因的转录,影响细胞生物学行为
[21]。cAMP表达增高能促进PKA激活cAMP反应元件结合蛋白(cAMP-responsive element binding protein,CREB),使CREB靶基因(如血管内皮生长因子
[22]或细胞周期蛋白D1
[23])过度转录,从而影响细胞增殖。研究发现RGS17蛋白表达水平的改变具有级联效应,RGS17过表达可通过降低Gαi/o/z活性,操控cAMP反应元件调控基因的转录
[24]。在肺癌中,RGS17上调导致cAMP过度表达
[11],减少cAMP依赖的PKA抑制剂介导的生长停滞效应
[11]。Tie P等
[25]研究证实cAMP/PKA/CREB通路的激活促进肾癌细胞增殖和侵袭。Zhang B等
[26]提出肾癌细胞株(ACHN、GRC-1和786-O)中Gα亚基的表达显著较正常肾上皮细胞HK-2明显增加,并依赖PKA相关通路发挥作用。而RGS17基因敲除会导致Gα亚单位信号的长时间抑制,抑制PKA/CREB通路的激活
[24]。但RGS17在KIRC患者中对cAMP通路的影响及机制尚未探明。本研究在KIRC患者中对RGS17相关基因集中进行GO富集时发现腺苷酸环化酶调节型G蛋白偶联受体信号通路富集,KEGG富集分析时发现其在cAMP通路上显著富集。推测RGS17通过影响GPCRs,活化腺苷酸环化酶,介导cAMP经典通路激活进而参与肾癌进展。为此,本研究进一步进行体外实验,探索cAMP通路关键蛋白PKA、CREB表达变化,结果提示RGS17的敲低下调了PKA、CREB蛋白表达,并使得PKA磷酸化水平及CREB蛋白磷酸化水平降低下调,减弱了PKA及CREB的活性。因此,本课题组认为RGS17可能通过介导cAMP经典通路,参与肾癌发生发展过程。
综上所述,本研究通过生物信息学发现了RGS17在KIRC患者中高表达,与肿瘤转移、更高T分期等不良预后相关,且拥有较低的OS和PFS。RGS17是KIRC的独立预后因素。使用RGS17表达、临床分期、病理分级构建nomogram预后模型能较好预测1、3、5年生存率。RGS17的敲低可以抑制肾癌细胞的增殖、迁移和侵袭能力。这可能与其下调抑制cAMP通路的激活有关。本研究结果初步证明了RGS17在KIRC患者肿瘤生长、转移及预后中起关键作用,有望成为肾癌诊疗新分子靶点,为后续RGS17的深入研究提供了重要的生物信息学基础和相关理论依据。