头颈鳞状细胞癌(head and neck squamous cell carcinoma,HNSCC)是全球范围内较常见的癌症之一,通常与吸烟、饮酒和某些类型的人类乳头瘤病毒感染等风险因素有关
[1-2]。2022年估计发病率为2%,死亡率为1.9%
[3]。由于HNSCC常伴随高转移率和高复发率,通过手术、放疗、化疗、靶向治疗和免疫治疗等这些多学科治疗可以减少死亡率
[4]。早期诊断和治疗的患者表现出更好的预后,但HNSCC通常在晚期才被诊断,加之其复杂的病理机制,HNSCC的治疗仍然面临重大挑战
[5]。因此,迫切需要确定HNSCC精准的早期诊断生物标志物、预后生物标志物和治疗靶点。
母抗十二肽同源物(mothers against decapentaplegic homolog,SMAD)是一组蛋白质,在转化生长因子-β(transforming growth factor beta,TGF-β)超家族的信号传导中发挥核心作用
[6]。SMAD7作为一种抑制性SMAD蛋白
[7],与血管重塑相关联
[8],主要通过调节TGF-β信号通路发挥作用。血管重塑是指血管结构和功能随时间发生的变化,这在多种生理和病理过程中都非常重要,如在发育、伤口愈合、肿瘤血管生成、动脉粥样硬化和一些心血管疾病中
[6-7,9-14]。且有研究
[15]表明SMAD7可能是肿瘤治疗中的一个潜在靶点。最近,它在多种癌症中的作用被报道,包括乳腺癌
[16]、肝细胞癌
[17]、结直肠癌
[18]、胶质母细胞瘤
[19]、非小细胞肺癌
[20]、胃癌
[21]。SMAD7在多种癌症中被认为具有抑制肿瘤的作用。它通过负向调节TGF-β信号通路,影响细胞增殖、分化和凋亡
[15]。
血管细胞黏附分子1(vascular cell adhesion molecule 1,VCAM-1)是一种细胞表面糖蛋白,属于免疫球蛋白超家族成员
[22]。研究
[23]发现头颈癌患者治疗前血清中VCAM-1显著高于健康志愿者,可能作为头颈癌筛查的一个因素,且HNSCC衍生的间充质干细胞(mesenchymal stromal cells,MSC)可以表达VCAM-1,它在T细胞与MSC的物理相互作用中起着关键作用,并可能通过这种方式影响T细胞的行为
[24]。加之VCAM-1在血管重塑中也起着多方面的作用,包括促进白细胞黏附和迁移、参与炎症反应和血管修复过程
[25]。M2型巨噬细胞通过直接与内皮细胞共培养来下调极晚期抗原4(very late antigen-4,VLA4)和VCAM-1的表达,从而减少血管通透性。靶向VLA4/VCA-M-1轴可以增强血管完整性并抑制卵巢癌体内腹水的形成
[26]。VCAM-1在多种癌症中过表达,包括急性髓性白血病(acute myeloid leukemia,AML)
[27]、结直肠癌
[28]、乙型肝炎病毒相关肝细胞癌
[29]等。VCAM-1和SMAD7虽然在细胞信号传导中扮演不同的角色,但它们在某些生物学过程和疾病中可能存在交互作用。然而,SMAD7和VCAM-1在HNSCC发展和进展中的相关性仍然难以确定。
在本研究中,通过生物信息学结合细胞实验研究SMAD7在HNSCC中的表达情况及其对患者预后的影响,探究SMAD7调节VCAM-1影响HNSCC生物学行为的机制,评估SMAD7与HNSCC基因突变、DNA甲基化和免疫细胞浸润的相关性。
1 材料和方法
1.1 数据获取
从UCSC xena(
https://xenabrowser.net/)获得HNSCC的RNA-seq数据和临床信息,包括528个肿瘤样本、2个转移样本和82个相邻正常组织的转录组数据和相应患者的临床信息(
表1)。
1.2 SMAD7在多种肿瘤中的表达及与HNSCC临床病理特征的相关性
从TIMER2.0(
http://timer.cistrome.org/)数据库获得SMAD7在所有癌症基因组图谱(the cancer genome atlas,TCGA)肿瘤中的表达及HNSCC中SMAD7的表达与HNSCC临床病理特征的相关性。从GEPIA(
http://gepia.cancer-pku.cn/index.html)数据库获得SMAD7在TCGA肿瘤中的表达,尤其是HNSCC。
1.3 试剂和仪器
人HNSCC细胞系HSC-4、CAL-27、SCC-9,人口腔黏膜癌前病变细胞DOK,正常口腔上皮角质细胞HOK由四川大学口腔疾病防治全国重点实验室惠赠。DMEM高糖培养基、胰蛋白酶(Gibco公司,美国),胎牛血清(浙江美森细胞科技有限公司),青-链霉素混合液(Hyclone公司,美国),助转染剂(SignaGen Laboratories公司,美国),嘌呤霉素(Biofoxx公司,德国),兔抗人SMAD7单克隆抗体(湖南远泰生物技术有限公司),β-actin抗体(SAB公司,美国),兔二抗IgG-HRP、酶标仪(Thermo公司,美国),全蛋白提取试剂盒(北京索莱宝科技有限公司),聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)膜、Cell Counting Kit-8试剂盒(北京兰杰柯科技有限公司)。3种靶向沉默SMAD7基因的shRNA和1种无意义的NegativeshRNA慢病毒载体(即sh1、sh2、sh3、control)由美国GeneCopoeia公司合成,序列见
表2。
1.4 细胞培养
SCC-9在添加了10%胎牛血清(fetal bovine serum,FBS)、1%青-链霉素及5 μg/mL氢化可的松混合液的F12培养基中培养,HSC-4、CAL-27、DOK细胞在添加了10%FBS和1%青-链霉素混合液的DMEM培养基中培养,HOK细胞在含生长因子的K-SFM培养基中培养。所有细胞在37 ℃、5%CO2的孵育箱进行培养、传代。用SMAD7特异性shRNA转染HSC-4细胞(sh1、sh2、sh3)。同时,使用非靶向shRNA转染HSC-4细胞作为阴性对照(control组),进行细胞实验。
1.5 细胞增殖实验
将4组细胞以每孔2 000个的密度接种在96孔板中,在1、2、3、4和5 d于上述孔板中加入10%CCK-8溶液孵育2 h,在450 nm处检测光密度(optical density,OD)值。
1.6 细胞迁移和侵袭能力检测
细胞划痕实验检测细胞迁移情况。将4组细胞分别接种到6孔板中,细胞融合度达到80%~90%后,用1 mL移液管尖端刮擦细胞层,划痕完成后,洗去漂浮细胞,继续培养,在0、24、48 h观察并拍照。Transwell实验检测细胞侵袭能力。用不含FBS的培养基分别重悬4组细胞,将1×105个细胞接种到12孔Transwell小室中,每个小室上层加入200 μL。将含有20%FBS的600 μL培养基放入下室。24 h后,将穿过的细胞用4%多聚甲醛固定,并用0.1%结晶紫染色。通过显微镜(100倍放大)计数迁移的细胞个数。
1.7 Western blot检测细胞SMAD7及相关蛋白表达
采用全蛋白提取试剂盒对4组细胞进行总蛋白提取、蛋白定量检测、电泳、转膜、5%脱脂牛奶封闭、一抗(SMAD7、VCAM-1一抗稀释比例均为1∶1 000)孵育过夜、二抗孵育、电化学发光(electrochemiluminescence,ECL)试剂盒处理PVDF 膜,打开Bio-Rad凝胶图像处理系统,进行曝光显影,采集图片,并使用ImageJ软件进行图像分析。
1.8 基因集富集分析
在HNSCC的表达谱中,根据SMAD7基因表达中位数分为高SMAD7组和低SMAD7组,运用R软件DESeq2(1.26.0)包,以|log2(FC)|>1.5和Adj.p value<0.05为条件,筛选SMAD7共表达差异基因。用R软件ggplot2包绘制火山图和热图。ST-RING数据库(
https://cn.string-db.org/)对数据集中SMAD7共表达基因进行蛋白质互作网络(protein interaction network,PPI)构建,并且利用Cytoscape(3.9.1)的ClueGO插件对SMAD7及top20共表达差异基因进行基因本体论(gene ontology,GO)、京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)富集分析,GO分析分为分子功能(molecular function,MF)、生物学过程(biological process,BP)和细胞成分(cellular component,CC)3类。
1.9 HNSCC中SMAD7与VCAM-1表达的相关性
基于富集分析结果,使用GEPIA及TIMER2.0研究HNSCC中SMAD7与VCAM-1表达的相关性,推测其相互作用机制,并在细胞实验中通过Wes-tern blot验证SMAD7敲低后VCAM-1的表达变化。
1.10 SMAD7在HNSCC的诊断和预后价值分析
使用GEPIA及GraphPad 9.0探索TCGA和GEO数据集中SMAD7在HNSCC的诊断和预后价值分析。
1.11 基因突变和DNA甲基化分析
选择cBioPortal(
https://www.cbioportal.org/)数据库分析SMAD7的遗传变异及其与HNSCC患者总生存率(over survival,OS)和无进展生存期(progression-free survival,PFS)的相关性。
选择MethSurv(
https://biit.cs.ut.ee/methsurv/)评估SMAD7的DNA甲基化水平,以及SMAD7 DNA甲基化对HNSCC患者的预后价值。
1.12 免疫浸润分析
选择TISCH(
http://tisch.comp-genomics.org/)分析SMAD7在不同数据集和细胞类型中的表达。
在ScTIME Portal(
http://sctime.sklehabc.com/)平台HNSC-GSE103322中进行免疫细胞聚类分析,研究HNSCC中22种免疫细胞及肿瘤细胞的相关性。
选择TIMER2.0(
http://timer.cistrome.org/)研究HNSCC中SMAD7表达与B细胞、CD8+T细胞、CD4+T细胞、巨噬细胞、中性粒细胞及树突状细胞之间的关系。为了进一步证实HNSCC中SMA-D7表达与免疫细胞浸润水平之间的关系,在TIMER2.0中使用Spearman相关性分析来探索SMAD7与免疫细胞免疫标志物之间的相关性,并将纯度调整后的部分Spearman rho值作为其相关性程度。
1.13 统计分析
所有数据均使用R软件(版本4.4.1)、GraphPad 9.0进行处理。使用One-Way ANOVA检验比较不同组中SMAD7的表达。采用卡方检验分析SMAD7表达与临床病理因素的相关性。受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic curve,ROC)法分析SMAD7对HNSCC的临床诊断价值。采用Kaplan-Meier(KM)方法和单因素、多因素COX回归分析SMAD7的临床意义与预后(OS)的相关性。P<0.05被认为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 SMAD7在HNSCC中的表达及与临床病理特征的相关性
TIMER2.0和GEPIA的数据显示,SMAD7在HNSCC肿瘤组织中的表达显著高于癌旁组织和正常组织,这表明SMAD7可能是一种新的癌基因(
图1A~C)。使用Western blot进一步研究HNSCC细胞系中SMAD7的表达,证实了SMAD7在肿瘤细胞中的表达高于正常细胞,其中HSC-4细胞中SMAD7表达最明显(
图1D)。在TIMER2.0数据库中,SMAD7在HNSCC组织中的表达与年龄、性别、分期等临床病理特征相关。
2.2 SMAD7对HNSCC细胞恶性生物学行为的影响
为了研究SMAD7对HNSCC细胞功能的影响,使用shRNA抑制HSC-4细胞中SMAD7的表达(
图2A、B)。CCK-8测定结果表明,与control组相比较,sh1、sh2、sh3组HSC-4细胞的增殖显著降低(
图2C)。Transwell实验和细胞划痕愈合实验显示,下调SMAD7的表达可显著抑制HSC-4细胞迁移和侵袭(
图2D、E)。结果表明,SMAD7表达可促进HNSCC细胞的增殖、迁移和侵袭。
2.3 HNSCC中SMAD7对VCAM-1表达的影响
为研究SMAD7与共表达基因相关性,筛选了SMAD7共表达基因。结果发现HNSCC患者中SMAD7共表达基因有188个上调和75个下调(
图3A),STRING和Cytoscape制作共表达基因PPI初步了解各基因之间的相互作用(
P<0.05)(
图3B、C),筛选出top20的基因,进一步探究SMAD7与top20基因之间的相互作用(
图3D、E),并对其进行GO和KEGG富集分析,结果显示这21个基因主要富集于cell matrix adhesion(细胞-基质黏附)、collagen-containing extracellular matrix(含有胶原的细胞外基质)、collagen binding(胶原结合)、protein digestion and absorption(蛋白质的消化和吸收)等通路,主要与细胞的识别、细胞的活化和信号转导、细胞的增殖与分化、细胞的伸展与移动等多种相关途径有关(
图4)。
富集分析结果表明VCAM-1与SMAD7共同富集在多个信号通路,且VCAM-1与肿瘤血管生成及癌症细胞转移相关。GEPIA与TIMER2.0对TCGA数据进行了分析,显示SMAD7表达与VCAM-1具有相关性(
P<0.05)(
图5A、B)。Western blot结果显示,下调SMAD7表达可以抑制HSC-4细胞中的VCAM-1(
图5C)。结果表明,抑制SMAD7表达可以有效地下调VCAM-1的表达水平,为HNSCC的早期治疗提供了新的靶点。
2.4 SMAD7在HNSCC中的诊断和预后价值
使用TCGA和GEO数据集探索SMAD7在HNSCC中的诊断潜力。结果表明SMAD7对HNSCC的早期诊断有价值(AUC=0.762 9)(
图6A),但是SMAD7表达较高的患者并没有较差的OS和无病生存率(disease free survival,DFS)(
图6B~D)。
2.5 SMAD7基因突变和DNA甲基化
cBioPortal数据库分析发现HNSCC中SMAD7基因发生增加、深度缺失的频率分别为1.08%和0.41%,SMAD7突变率为1.5%(22/1 476)。KM图和数轶检验的结果表明,SMAD7遗传变异较高的患者并没有较差的OS和PFS(P>0.05)。
在MethSurv中探索了SMAD7 DNA甲基化的热图,结果显示,HNSCC样本中有18个SMAD7的DNA甲基化水平发生改变(
图7A)。COX回归和KM分析发现Cg00214056、Cg07661480、Cg-14283454、Cg05119084、Cg13398027位点DNA甲基化与HNSCC预后密切相关(
P<0.05,
图7B、C)。DNA甲基化可能是SMAD7过表达的一个促成因素。这些结果表明,SMAD7的甲基化可能会显著影响HNSCC患者的预后。
2.6 SMAD7表达与肿瘤免疫浸润的关系
利用TISCH数据库发现,SMAD7在CD4+T细胞、CD8+T细胞及树突状细胞等各种免疫细胞中高表达,尤其在HNSC-GSE103322中SMAD7表达最显著,对其进行免疫细胞聚类分析,可视化各免疫细胞中SMAD7的表达,分析HNSCC中22种免疫细胞及肿瘤细胞的相关性,结果提示肿瘤细胞与CD4细胞、CD8细胞和B细胞等免疫细胞呈负相关。
利用TIMER2.0数据库发现,SMAD7表达与CD4+T细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和树突状细胞的浸润水平呈正相关(
图8A)。XCELL分析结果表明,SMAD7表达与M1巨噬细胞的浸润程度呈正相关(
图8B),但与M2巨噬细胞的浸润水平无显著相关性。SMAD7表达与单核细胞、肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophages,TAM)、M1及M2巨噬细胞的大多数标志物之间存在显著相关性(
P<0.05)(
图8C~F)。
3 讨论
HNSCC细胞可通过淋巴和血液系统转移,而转移会显著影响患者预后
[30]。对于在经过根治性手术后出现无法手术切除的复发性或转移性的HNSCC患者,非手术治疗策略至关重要
[31]。因此,迫切需要确定HNSCC精准的早期诊断生物标志物、预后生物标志物和治疗靶点。
SMAD7作为一种抑制性SMAD蛋白,与肿瘤的多种生物学行为相关。近年来,SMAD7在癌症中的作用已经在一些肿瘤中进行了研究,如SMA-D7调节肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(TNF-related apoptosis-inducing ligand,TRAIL)信号通路和增强癌症细胞对TRAIL介导凋亡的敏感
[15]。肿瘤坏死因子受体相关因子2能够通过增强SMAD特异性E3泛素蛋白连接酶2介导的轴抑制蛋白1泛素化降解来影响SMAD7的水平,从而影响其对TGF-β信号通路的抑制作用,导致信号通路的激活增强
[17]。SMAD7可能通过调控信号转导和转录激活因子3来间接影响X染色体连锁的凋亡抑制蛋白的表达,从而影响结直肠细胞的迁移和细胞骨架的组织
[18]。此外,SMAD7还能通过诱导核转录因子κB(nuclear transcription factor κB,NF-κB)的抑制因子的表达来抑制NF-κB的激活,从而减少炎症反应
[32]。然而,其在HNSCC中的表达模式、临床价值和生物学功能尚不清楚。本研究结果为了解SMAD7在促进HNSCC进展中的病理作用及其作为HNSCC新诊断生物标志物和治疗靶点的潜在价值提供了见解。
数据库分析与细胞检测显示,在HNSCC的组织和细胞中SMAD7的表达高于正常组织和细胞,且与临床病理特征相关,尤其是年龄和性别,提示SMAD7可能在HNSCC的发生和发展中扮演重要角色。为了进一步评估SMAD7在HNSCC中的作用,对高表达SMAD7的HSC-4细胞进行基因沉默,并分别用CCK-8、Transwell和细胞划痕愈合实验验证,结果表明敲低SMAD7可抑制HNSCC细胞的增殖、侵袭和转移。
通过基因富集分析发现SMAD7与VCAM-1之间存在相关性。VCAM-1在多种生物学过程和疾病中发挥重要作用
[28-29]。VCAM-1的阻断可以作为消除癌细胞的替代策略
[27]。相关生物信息学和细胞生物学实验表明,SMAD7的表达与VCAM-1呈正相关,表明SMAD7可能通过调节VCAM-1表达在HNSCC中发挥致癌作用。后续将进一步研究VCAM-1在SMAD7调控HNSCC发生发展中的作用。
尽管在HNSCC中SMAD7表达较高,但本研究发现SMAD7表达较高的患者并没有较差的OS。这表明SMAD7可能不是一个预后不良的独立因素。而根据ROC曲线结果,SMAD7在区分HNSCC患者和健康个体方面具有很高的诊断价值,这表明SMAD7可以作为诊断的潜在生物标志物。此外,KM检验表明,SMAD7在HNSCC中的突变率较低,且与患者的OS和PFS无显著相关性,需要进一步调查以验证其对预后的影响。接下来,通过MethSurv数据库研究DNA甲基化状态,研究显示不同的DNA位点与OS不良显著相关。
近年来,肿瘤相关免疫细胞和肿瘤免疫疗法引起了人们的广泛关注
[33]。一些研究
[34]表明,免疫细胞浸润对HNSCC的预后有影响。SMAD7表达与HNSCC中巨噬细胞、树突状细胞、中性粒细胞和CD4+T细胞的浸润水平之间存在着显著的正相关。此外,SMAD7表达与免疫细胞标志物基因之间的相关性暗示了SMAD7可能参与调节HNSCC的肿瘤免疫作用。TAM在肿瘤转移和治疗耐药性中起着关键作用,通常会促进未经治疗的肿瘤的进展
[35]。TAM具有显著的可塑性,可以是肿瘤支持性的(M2巨噬细胞)或抗瘤性的(M1巨噬细胞)
[36]。笔者推测SMAD7可能参与了M2型TAM的浸润过程。抑制SMAD7可能会减少TAM的浸润,尤其是M2-TAM的浸润,这可能成为免疫治疗的新思路。
综上所述,SMAD7在HNSCC中高表达,敲除SMAD7可以抑制HNSCC的进展,并诱导VCA-M-1的下调,SMAD7可能通过调节VCAM-1促进HNSCC细胞增殖、侵袭和转移,但需要进一步的研究来证实这些结果并揭示潜在的机制。SAMD7遗传改变和DNA甲基化状态表明,SMAD7在HNSCC中具有重要的预后评估和临床病理诊断价值。SMAD7可通过调节肿瘤免疫细胞浸润水平从而影响HNSCC的发生发展。本研究表明SMAD7是HNSCC有前景的潜在诊断和免疫相关治疗靶点。但研究有一定的局限性,后续可开展更进一步的细胞生物学实验,探索SMAD7在HNSCC中的相关通路及其作用机制,验证其作为早期诊断、预后评估标志物及进行相关免疫治疗的可行性。