口腔鳞状细胞癌(oral squamous cell carcinoma,OSCC)简称口腔鳞癌,是口腔颌面部最常见的上皮源性恶性肿瘤,占所有口腔恶性肿瘤的90%以上
[1-2]。近年来,尽管在OSCC的治疗上取得了进展,但因其侵袭性强、转移率高和易复发的特点,患者5年生存率仍不超过50%
[3]。因此,深入研究OSCC的潜在生物标志物和治疗靶点,对提高其诊治水平具有重要意义。
高尔基体膜蛋白1(Golgi membrane protein 1,GOLM1),又称为GP73、GOLPH2,主要表达于上皮来源的细胞中,在成人巨细胞肝炎中鉴定发现
[4-5]。GOLM1编码基因位于人类染色体9q21.33上,全长3 042 bp,其1 200 bp的开放阅读框包含两个编码区,分别可编码400个和391个氨基酸序列
[6]。作为维持高尔基体稳态的关键调控因子,GOLM1与Giantin蛋白共定位于高尔基体膜上,并协同参与囊泡运输和蛋白糖基化等细胞过程
[4,6]。GOLM1的表达失调与肿瘤和感染性疾病密切相关
[7]。研究表明,GOLM1在肝癌
[8-9]、前列腺癌
[10]、结直肠癌
[11]、肺癌
[12]、卵巢癌
[13]等多种实体恶性肿瘤中高表达,并通过调控肿瘤发生发展的关键通路发挥促癌作用。在OSCC中,GOLM1的表达上调,且在转移淋巴结中的表达显著高于原发灶,提示其可能参与OSCC的侵袭转移
[14]。然而,目前关于GOLM1在OSCC中的具体生物学功能及其分子机制尚未阐明。
本研究首先利用生物信息学分析GOLM1在头颈鳞状细胞癌(head and neck squamous cell carcinoma,HNSCC)中的表达情况及其与预后的关系;继而采用分子生物学技术检测OSCC组织和细胞中GOLM1的表达水平;最后以OSCC细胞系HSC-3和SCC-25为研究对象,探究沉默GOLM1对OSCC细胞增殖、迁移、侵袭和上皮间充质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)的作用,并初步解析其分子机制,以期为OSCC的诊断和治疗提供新的理论依据。
1 材料和方法
1.1 材料和试剂
1.1.1 临床样本
OSCC组织及癌旁组织取自西南医科大学附属口腔医院口腔颌面外科,所有标本经过病理科检查认证,患者知情同意并通过西南医科大学附属口腔医院医学伦理委员会批准(编号:20220531-002)。
1.1.2 细胞系
人正常口腔角质细胞(human oral keratinocy-tes,HOK)(深圳豪地华拓生物科技有限公司);人OSCC细胞株HSC-3和SCC-25(上海中乔新舟生物科技有限公司)。
1.1.3 其他材料和试剂
DMEM培养基(武汉普诺赛生命科技有限公司);胎牛血清(BI公司,以色列);青霉素-链霉素双抗、0.25%胰蛋白酶(上海碧云天生物技术有限公司);免疫组化SP试剂盒(北京博奥森生物技术有限公司);乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid,EDTA)抗原修复液、通用型组织固定液(武汉赛维尔生物科技有限公司);苏木素染液(北京鼎国昌盛生物技术有限责任公司);Stea-dyPure快速RNA提取试剂盒、Evo M-MLV反转录试剂盒、SYBR GreenProTaqHS预混型实时定量聚合酶链式反应(real-time quantitative polymerase chain reaction,qRT-PCR)试剂盒(湖南艾科瑞生物工程有限公司);磷酸甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde phosphate dehydrogenase,GAPDH)和GO-LM1引物[生工生物工程(上海)股份有限公司];shRNA(sh-NC和sh-GOLM1)[和元生物技术(上海)股份有限公司];CCK-8试剂盒(同仁公司,日本);Transwell小室(Corning公司,美国);Matrigel 基质胶(BD公司,美国);十二烷基磺酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gelelectrophoresis,SDS-PA-GE)制备试剂盒、RIPA总蛋白裂解液、BCA蛋白质浓度测定试剂盒、电化学发光(electrochemiluminescence,ECL)检测试剂盒(武汉阿斯本生物技术有限公司);抗GOLM1、抗转化生长因子-β1(transforming growth factor-beta 1,TGF-β1)、抗波形蛋白(Vimentin)抗体和重组人TGF-β1蛋白(武汉三鹰生物技术有限公司);抗Smad2、抗p-Smad2、抗E-钙粘蛋白(E-cadherin)和抗N-钙粘蛋白(N-cadherin)抗体(CST公司,美国)。
1.2 方法
1.2.1 生物信息学分析
TIMER2.0分析TCGA数据库中GOLM1在人体肿瘤组织中的表达,UNCLAN分析TCGA数据库中GOLM1在HNSCC不同临床分期中的表达,GEPIA分析TCGA和GTEx数据库中GOLM1表达对HNSCC患者生存率影响。
1.2.2 免疫组化(immunohistochemistry,IHC)
病理组织石蜡包埋、切片,EDTA修复,3%过氧化氢溶液中避光孵育,10%山羊血清室温封闭。加入一抗在4 ℃下过夜孵育。室温下二抗孵育1 h。加入DAB显色液。显微镜下呈棕黄色为阳性,PBS轻洗终止显色。苏木精复染。切片脱水、干燥,中性树脂密封。数字病理切片扫描仪(KF-PRO-002,宁波江丰生物信息技术有限公司)观察IHC结果。
1.2.3 细胞培养及转染
HSC-3使用DMEM高糖培养基(10%FBS+1%青霉素-链霉素溶液)、SCC-25使用DMEM F-12培养基(10%FBS+1%青霉素-链霉素溶液)在37 ℃、5%CO
2条件下培养。细胞生长至对数生长期后接种至6孔板,细胞密度生长至40%时按照说明书进行转染,将细胞分为未转染组(Control组)、转染空载病毒组(sh-NC组)、转染病毒组(sh-GO-LM1组),每孔加入1 μg/μL的Polybrene-plus提高转染效率,转染12 h后换液,72 h后观察转染荧光。确认转染成功后每孔加入含2 mg/L嘌呤霉素的培养液,定期观察,若Control组细胞死亡,表示稳定转染细胞株筛选成功,可进行后续实验。实验所用慢病毒的转染序列见
表1。在挽救实验中,使用10 ng/mL的重组人TGF-β1蛋白处理细胞24 h后,进行后续实验。
1.2.4 qRT-PCR
将对数生长期的细胞接种于6孔板,培养24 h后,使用Steady Pure快速RNA提取试剂盒按照说明提取细胞总RNA。使用Evo M-MLV反转录试剂盒逆转录cDNA。SYBR Green ProTaqHS预混型qPCR试剂盒处理后进行扩增。以GAPDH为内参,2
-△△Ct法进行相对定量分析。所用引物序列见
表2。
1.2.5 CCK-8实验
将细胞以3×103个/孔接种到96孔板中,置于培养箱中分别培养24、48和72 h。将CCK-8液与培养基以1∶9比例混合,每孔加入100 μL混合后的液体,培养箱中孵育2 h,使用酶标仪在450 nm处检测每孔的光密度(optical density,OD)值。
1.2.6 集落形成实验
将细胞以1×103个/孔接种于6孔板中,每3 d换一次液。培养14 d后,PBS缓冲液清洗,4%多聚甲醛固定,0.1%结晶紫染色,拍照记录。Ima-geJ分析集落形成个数。
1.2.7 划痕实验
在6孔板背面用记号笔做3条平行线,将对数生长期细胞以8×105个/孔接种于6孔板中,待细胞生长至80%密度时,用灭菌后的200 μL移液枪头在孔内进行垂直于记号笔平行线的划痕。PBS缓冲液清洗2次,每孔加入2 mL无血清培养基培养。在0、24 h分别于倒置显微镜下记录同一位置划痕愈合情况。ImageJ分析划痕愈合率。
1.2.8 Transwell迁移和侵袭实验
迁移实验:细胞饥饿处理24 h后,以3×104个/孔接种于无血清培养基的Transwell小室上室中,下室中加入含10%FBS培养基600 μL。培养24 h后,PBS缓冲液清洗,4%多聚甲醛固定,棉签擦去上室中未迁移细胞,0.1%结晶紫染色,显微镜下随机取5个视野观察并拍照记录。
侵袭实验:用预冷的无血清DMEM培养基稀释Matrigel基质胶,上室中加入100 μL稀释混合液,放入孵育箱中,直至变为半固态。将饥饿处理后的细胞以3×104个/孔接种于无血清培养基的Transwell小室上室中,下室中加入含10%FBS培养基600 μL。培养36 h,余同迁移实验。
1.2.9 免疫印迹(Western blot)实验
RIPA裂解液冰上裂解30 min提取总蛋白,BCA蛋白质浓度测定试剂盒测定样品蛋白浓度。加入适当量的5×蛋白上样缓冲液,95~100 ℃沸水浴5 min。制备SDS-PAGE凝胶进行电泳,转膜,加封闭液至转好的膜室温封闭1 h。除去封闭液,一抗4 ℃过夜。二抗室温孵育30 min。加入ECL发光液曝光显影。ImageJ进行灰度分析。
1.3 统计学分析
使用Graphpad prism 10.0软件进行统计分析,实验数据以均数±标准差表示,2组间差异比较采用独立样本t检验,多组间差异比较采用单因素方差分析。P<0.05被认为具有统计学意义。
2 结果
2.1 GOLM1在HNSCC中的表达及与预后的关系
基于TCGA数据库的分析显示,GOLM1在膀胱癌、胆管癌以及HNSCC等多种实体瘤组织中均呈高表达(
P<0.05,
图1A);GOLM1在不同临床分期HNSCC中的表达较正常组织中均升高(
图1B)。使用GEPIA对基于TCGA和GTEx数据库中提取的数据分析显示,GOLM1高表达组的HNSCC患者总体生存率显著低于低表达组(
P<0.05,
图1C)。OSCC是HNSCC的主要瘤种之一,这提示GOLM1在OSCC中有类似的异常高表达模式,且其过表达与患者预后不良密切相关。
2.2 GOLM1在OSCC组织和细胞中的表达
IHC结果显示,GOLM1在OSCC组织中的表达较癌旁组织明显升高(
图2A)。qRT-PCR和Wes-tern blot结果显示,相较于HOK,在HSC-3和SCC-25中GOLM1的mRNA和蛋白表达水平均明显升高(
P<0.05,
图2B、C)。由此表明,GOLM1在OSCC中表达升高。
2.3 sh-GOLM1转染效率检测
荧光显微镜观察结果显示,Control组细胞未检测到荧光信号,而sh-NC组、sh-GOLM1 1#组、sh-GOLM1 2#组和sh-GOLM1 3#组均呈现显著的荧光表达(图
3A、
4A)。qRT-PCR检测结果表明,与Control组相比,sh-NC组GOLM1 mRNA表达水平无显著差异(
P>0.05);而sh-GOLM1 1#组、sh-GOLM1 2#组和sh-GOLM1 3#组的GOLM1 m-RNA表达均显著下调(
P<0.05),其中sh-GOLM1 1#组的抑制效果最为显著(图
3B、
4B)。基于上述结果,选择sh-GOLM1 1#组作为sh-GOLM1组进行后续实验。Western blot分析显示,sh-GOLM1组的GOLM1蛋白表达水平较Control组和sh-NC组均显著降低(
P<0.05,图
3C、
4C),这一结果与qRT-PCR检测结果一致。以上结果表明,在HSC-3和SCC-25细胞中成功实现了GOLM1基因的敲低。
2.4 沉默GOLM1对OSCC细胞增殖的影响
CCK-8结果示,HSC-3和SCC-25 sh-GOLM1组的OD
450值较sh-NC组均明显降低(
P<0.05,
图5A、B)。集落形成实验显示,沉默GOLM1后,HSC-3和SCC-25的集落形成数目明显减少(
P<0.05,
图5C、D)。结果表明,沉默GOLM1可显著抑制OSCC细胞的增殖能力。
2.5 沉默GOLM1对OSCC细胞迁移、侵袭的影响
细胞划痕结果显示,HSC-3和SCC-25的sh-GOLM1组在24 h的划痕相对愈合面积均显著低于sh-NC组(
P<0.05,
图6A、B)。Transwell迁移实验进一步证实,与sh-NC组相比,HSC-3和SCC-25的sh-GOLM1组穿过上室的细胞数显著降低(
P< 0.05,
图6C、D)。同样,Transwell侵袭实验结果显示,HSC-3和SCC-25 sh-GOLM1组中穿膜细胞数量也显著低于sh-NC组(
P<0.05,
图6C、D)。这些结果表明,沉默GOLM1可显著抑制OSCC细胞的迁移和侵袭能力。
2.6 沉默GOLM1对OSCC EMT的影响
Western blot结果显示,在HSC-3和SCC-25中,与sh-NC组相比,sh-GOLM1组E-cadherin的表达显著上升,而N-cadherin和Vimentin的表达显著下降(
P<0.05,
图7A、B)。这表明,沉默GO-LM1可抑制OSCC的EMT。
2.7 GOLM1通过TGF-β1/Smad2通路调控OSCC的进展
基因集富集分析(gene set enrichment analysis,GSEA)显示GOLM1与TGF-β信号通路存在显著关联(
P<0.05,
图8A)。Western blot结果表明,sh-GOLM1组TGF-β1、Smad2、p-Smad2表达较sh-NC组显著降低(
P<0.05,
图8B、C)。加入重组人TGF-β1的挽救实验结果显示,sh-GOLM1+TGF-β1组细胞的增殖(
图9)、迁移和侵袭能力(
图10)较sh-GOLM1组细胞显著增强(
P<0.05)。由此表明,GOLM1可通过TGF-β1/Smad2通路促进OSCC的进展。
3 讨论
近年来,OSCC在全球的发病率总体呈上升趋势
[1]。据统计,2022年中国OSCC年新增病例31 733例,死亡15 745例,凸显其严峻的疾病负担
[15]。目前,根治性手术仍是主要治疗手段,但伴随的创伤性组织缺损及不可逆性功能损伤,常导致患者面容损毁和生存质量显著下降
[16]。因此,探寻OSCC诊疗的潜在标志物并探究其作用机制,对提高OSCC诊疗效果具有重要的临床意义。
GOLM1是一种定位于顺式高尔基体上的糖基化蛋白,在蛋白质翻译后修饰与分选的过程中发挥关键作用
[5]。大量研究
[8-13]表明,GOLM1在肝癌、结直肠癌、非小细胞肺癌等多种实体恶性肿瘤中呈异常高表达,且其表达水平与患者不良预后显著正相关。在OSCC领域,Li等
[14]利用组织芯片技术证实GOLM1在OSCC组织中异常高表达,其表达水平虽与肿瘤大小、病理分级和淋巴结转移状态等临床病理特征无统计学差异,但与患者总生存期缩短显著相关。Xi等
[17]在HNSCC的相关研究中,也得到了类似的结果。本研究通过整合TCGA和GTEx数据库进行生物信息学分析,发现GOLM1在HNSCC组织中的表达显著上调,且高表达患者预后不良。结合IHC、qRT-PCR和Western blot的实验结果,本研究进一步在临床样本和细胞水平验证了GOLM1在OSCC中的异常高表达特征。这些结果与上述研究形成重要互补,共同确立了GOLM1在OSCC的发生发展中的潜在生物学价值。
GOLM1可通过多维度分子机制参与肿瘤恶性表型调控。Wang等
[9]发现GOLM1可通过与丙酮酸激酶M2的协同作用,促进血管生成和M2型巨噬细胞的极化,从而导致肝癌的恶性进展和索拉非尼的获得性耐药。在结直肠癌中,Dang等
[11]研究显示GOLM1通过募集髓源性抑制细胞构建免疫抑制微环境,进而促进肿瘤转移。朱海鹏等
[12]研究发现,沉默GOLM1可阻断PI3K/AKT/mTOR通路的磷酸化级联反应,显著抑制肺腺癌细胞的增殖、侵袭和迁移能力。然而,目前关于GOLM1在OSCC中的具体作用及其调控机制尚未见相关报道。在OSCC中,Li等
[14]发现GOLM1在转移性淋巴结中的表达显著高于原发灶,提示其可能参与OSCC的侵袭转移调控。本研究通过构建shRNA慢病毒稳转系统,成功建立了GOLM1稳定低表达的OSCC细胞模型。功能学实验显示,沉默GOLM1后HSC-3和SCC-25的增殖、迁移和侵袭能力显著下降,这从细胞学层面初步揭示了GOLM1在OSCC恶性进展中的关键作用。
EMT作为肿瘤转移的核心生物学过程,其分子特征表现为E-cadherin等上皮标志物的表达缺失,同时伴随N-cadherin、Vimentin等间充质标志物的异常激活
[18-19]。研究
[6]表明,GOLM1作为EMT的重要调控因子,可通过多维度调控机制(包括蛋白表达调控、转录激活和胞内运输过程)驱动EMT进程。在结直肠癌中,Mao等
[20]发现GOLM1可通过蛋白激酶B/糖原合成激酶3β(protein kinaseB/glycogen synthase kinase 3β,AKT/GSK- 3β)通路促进EMT的发生Z。在本研究中,沉默GOLM1后,OSCC细胞E-cadherin的表达明显升高并伴随N-cadherin和Vimentin显著下调。这表明GOLM1在OSCC EMT进程中发挥驱动作用。
为了进一步探究GOLM1的作用机制,本研究通过GSEA富集分析发现其与TGF-β信号通路存在显著关联。作为EMT的核心调控通路,TGF-β信号激活的经典传导机制涉及配体与转化生长因子βⅠ型/转化生长因子βⅡ型受体复合物(transforming growth factorβ typeⅠ/transforming growth factorβ typeⅡreceptor complex,TβRⅠ/TβRⅡ)结合,触发Smad2/3磷酸化并与Smad4形成转录复合体入核调控靶基因
[21-23]。本研究发现,沉默GOLM1可导致TGF-β1、Smad2及其磷酸化形式p-Smad2的蛋白水平显著下降。而sh-GOLM1细胞在经外源性TGF-β1处理后,可成功逆转因沉默GOLM1而导致的HSC-3和SCC-25细胞增殖、迁移和侵袭能力的下降。笔者推测GOLM1在OSCC中可能通过双重机制调控TGF-β1/Smad2通路:一方面调节TGF-β1的表达水平,另一方面调控Smad2的磷酸化激活过程,从而促进OSCC的恶性生物学行为进展。这或许可解释其在多种恶性肿瘤转移侵袭中的广谱促进作用。需要指出的是,本研究尚未阐明GOLM1与TGF-β1/Smad2通路相互作用的具体分子界面,且缺乏体内实验验证,这些都是后续研究的重点方向。
近年来,基于蛋白组学技术的新型标志物筛选已成为OSCC的热点研究领域。通过对唾液、血清和组织样本的蛋白组学分析,研究人员已筛选出多个具有诊断潜力的OSCC的标志物,如白细胞介素(interleukin,IL)-6、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor α,TNF-α)、基质金属蛋白酶1(matrix metalloproteinase 1,MMP1)等
[3,24]。研究
[25]发现,弗林蛋白酶通过对GOLM1上R52V-RR55PC位点的酶切作用,促进该蛋白从细胞中释放,从而使其能够在体液中被检测到。在肝癌领域,血清GOLM1的诊断效能(敏感性/特异性)显著优于传统标志物甲胎蛋白,已成为肝癌早期诊断和术后复发病情评估的理想标记物
[26]。本研究及既往文献表明,GOLM1在OSCC组织样本中具有潜在的诊断价值,然而其作为非侵入性生物标志物在血清和唾液等体液样本中的检测价值仍有待进一步验证。
综上所述,GOLM1在OSCC组织和细胞中的表达显著升高。沉默GOLM1后,HSC-3和SCC-25细胞的增殖、迁移、侵袭和EMT受到抑制,TGF-β1/Smad2/p-Smad2的表达均显著降低;而外源性TGF-β1处理可逆转因沉默GOLM1而导致的OSCC恶性生物学行为下降。由此推测,GOLM1可通过TGF-β1/Smad2信号通路促进OSCC的增殖、迁移、侵袭和EMT。这些发现为GOLM1作为OSCC潜在的诊疗靶点提供了一定的理论依据,但其对TGF-β1/Smad2通路的具体调控机制及体内功能验证仍需深入研究。