肝细胞癌是最常见的恶性肿瘤之一
[1],慢性乙型/丙型肝炎感染是肝细胞癌的主要危险因素,其他危险因素还包括糖尿病、肥胖和慢性饮酒等
[2]。肝癌患者常常不能及时诊断,而且缺乏有效治疗
[3]。事实上,患者确诊通常发生在肝癌晚期,此时已经出现肝损伤和其他复杂症状,这个阶段缺乏能有效提高患者生存率的手段
[4]。因此,肝癌的早期诊断对获得更好的治疗效果至关重要。
长链非编码RNA(lncRNA)是一种特殊类型的RNA,其长度超过200个核苷酸且没有编码蛋白质的功能
[5]。众所周知,lncRNA是各种生物过程的关键调节因子,特别是免疫反应和代谢
[6],通过与转录因子或表观遗传修饰因子相互作用,促进mRNA的衰变,介导其他遗传调节因子之间的相互作用
[7]。因此,lncRNA的异常表达或功能障碍可诱导多种严重疾病,如癌症。目前已经发现多种lncRNA在各种类型的人类癌症发生和进展中起着积极作用
[8]。lncRNA在肝癌进展中的作用已有许多研究报道,例如FTX、HULC、HOTAIR、LINC、MALAT1、UCA1、XIST等,它们主要影响肝癌细胞增殖、迁移、侵袭、血管生成和化疗耐药性等
[7,9,10]。lncRNA的表观遗传和转录调控作用使其有可能作为早期发现肝癌的预测因子、进展或复发的指标以及预后的生物标志物
[11]。然而,lncRNA在肝癌中确切的生物学功能及其潜在的复杂机制尚未得到充分揭示。
本研究发现了一种有前景的lncRNA,即ENSG00000271218.1(HClnc1),它的生物学功能此前并未被报道。通过TCGA临床数据库分析发现,HClnc1在肝癌组织中高表达。功能试验表明,HClnc1增加肝癌细胞的增殖、迁移、侵袭。机制上,HClnc1通过靶向调控RBBP5/KAT2B表观遗传修饰复合物,促进ODC1转录。HClnc1具有可用于肝癌诊断、治疗和预后的潜力。
1 材料和方法
1.1 细胞株
人肝癌细胞系HepG2、Huh-7和人胚肾细胞系293T购自中国科学院上海细胞库。
1.2 主要材料
特级胎牛血清(Viva cell);DMEM培养基(Gibco);PBS缓冲液(白鲨);青/链霉素双抗、胰蛋白酶消化液(苏州新赛美生物科技有限公司);结晶紫染色液(上海碧云天生物技术股份有限公司);FuGENE转染试剂、BrdUrd标记溶液(罗氏);Transwell板(康宁);TRIzol试剂(Invitrogen);PrimeScript RT试剂盒(Takara);GAPDH、RBBP5、KAT2B和ODC1抗体及抗RBBP5和KAT2B抗体(CST);BrightStar生物检测试剂盒(Ambion);Megna RNA结合蛋白免疫沉淀试剂盒(Millipore);IgG抗体、A/G PLUS琼脂糖(Santa Cruz Biotechnology)。
1.3 实验方法
1.3.1 生物信息学分析
1.3.2 细胞培养
参照相关文献
[12],所有细胞均在含10%胎牛血清的DMEM培养基中培养,培养箱培养条件设置为37 ℃和5% CO
2。选取对数生长期细胞,当生长汇合至70%~90%时进行后续实验。
1.3.3 质粒和慢病毒构建
对照shRNA、HClnc1 shRNA1/2、ODC1 shRNA、RBBP5 shRNA、KAT2B shRNA、过表达HClnc1慢病毒以及本研究涉及的质粒由和元生物技术(上海)股份有限公司构建。干扰位点和相应的引物序列为:HClnc1(shRNA-1,745-763位,5'-GGACCTAATGTCTGTCCAT-3';shRNA-2,1258-1276位,5'-GGAAATTACTAGTGTCCAT-3'),ODC1(770-788位,5'-GCATGTATCTGCTTGATAT-3'),RBBP5(154-172位,5ʹ-GCTGATGGAACTTTGGATT-3'),KAT2B(1956-1974位,5'-GGAGCCACTTTAA TGGGAT-3')。使用Lipofectamine 2000(Invitrogen)将psPAX2和pMD2G(包装质粒)以及重组质粒共转染293T细胞。转染后48 h,收集慢病毒并感染靶细胞。使用FuGENE转染试剂将编码人lncRNA(HClnc1)的质粒转染到肝癌细胞中,使用空载体作为阴性对照。
1.3.4 细胞增殖、克隆、侵袭和迁移实验
通过BrdUrd掺入试验评价细胞增殖。将对照或处理过的肝癌细胞以大约5×10
3/孔接种到96孔板中。在细胞培养后的不同时间点,将BrdUrd标记溶液以10 μL/孔与细胞混合。根据说明书,在孵育2 h后对反应产物进行定量,以评估细胞增殖。参照相关文献
[12],处理后48 h,将细胞接种在10 cm规格的培养皿中并培养。孵育结束时,用多聚甲醛固定克隆细胞15 min,用0.5%的结晶紫染色30 min后计数。
为了进行迁移分析,将无血清培养基中的细胞(5×105/200 μL)加入到含有8.0 μm孔聚碳酸酯膜的transwell上室,将含有20%胎牛血清的培养基加入下室。孵育48 h后,用棉签去除上表面的细胞,同时固定穿过膜并粘附在膜下表面的细胞,0.1%结晶紫染色观察。侵袭试验方法同迁移试验,但上室所使用的膜具有Matrigel涂层。
1.3.5 qRT-PCR分析
实验方法参照相关文献及试剂盒说明书。使用TRIzol试剂(Invitrogen)提取总RNA,并使用PrimeScript RT试剂盒提取1 μg的RNA用于cDNA合成。内参引物,GAPDH-F(5'-AATCCCATCA CCATCTTC-3')和GAPDH-R(5'- AGGCTGTTGTCAT ACTTC -3'),由上海捷瑞生物提供。
1.3.6 免疫印迹分析
实验方法参照相关文献[
13,
14]。收集细胞后,加入裂解液裂解细胞,4 ℃高速离心。弃上清,冰冷PBS润洗,离心,超声破碎细胞,4 ℃ 高速离心,收集上清。BCA法蛋白定量,使用loading buffer与PBS配制WB样品,确保各泳道中的蛋白浓度一致。将蛋白转移至PVDF膜上,封闭完成后依次孵育一抗和二抗(一抗稀释比例为,ODC1 1∶1000,RBBP5 1∶500,KAT2B 1∶1000,GAPDH 1∶2000;二抗稀释比例为1∶1000),随后进行显影与分析。
1.3.7 双荧光素酶报告基因
为分析HClnc1对ODC1转录的靶向调控作用,我们构建了ODC1启动子荧光素酶报告基因质粒(pGL3-ODC1)与针对HClnc1的shRNA及内参质粒(Renilla luciferase)共转染HepG2细胞。48 h后,根据双荧光素酶报告系统(Promega)说明书操作裂解细胞,加入发光液后在Panomics Luminometer (Affymetrix, Santa Clara)上进行检测。利用海肾素荧光作为内参照对结果进行均一化处理。
1.3.8 RNA Pull-down和蛋白质谱检测
参照相关文献进行RNA Pull-down分析
[15]。将细胞核裂解物与生物素化的 HClnc1 RNA探针以及链霉亲和素磁珠共孵育,离心收集磁珠,将与RNA结合的蛋白质洗脱下来,经SDS-PAGE电泳分离,然后进行银染。为了鉴定与HClnc1特异性相互作用的蛋白,对HClnc1和反义HClnc1下拉洗脱物进行比较,选取在HClnc1下拉样本中最明显的条带切下,按照先前文献[
16]所述方法进行液相色谱-质谱联用(LC-MS)分析、数据库检索以及蛋白质鉴定。
1.3.9 RNA免疫沉淀(RIP)试验
本研究使用Megna RNA结合蛋白免疫沉淀试剂盒(Millipore)进行RNA免疫沉淀。通过qRT-PCR鉴定共沉淀的RNA。同时检测总RNA和正常IgG对照的RNA信号。检测HClnc1的引物为HClnc1-F(5'-CGGAAGGTTACCCATC-3')和HClnc1-R(5'-TTCTCTCTCCACAAATCG-3'),由上海瑞捷生物提供。
1.3.10 免疫共沉淀(Co-IP)试验
使用裂解缓冲液制备细胞裂解物,用KAT2B、RBBP5或正常IgG抗体孵育裂解物,接着在4 ℃下与蛋白A/G PLUS琼脂糖一起孵育2 h。然后用裂解缓冲液洗涤免疫复合物3次,使用上述抗体进行蛋白质印迹分析。
1.4 统计学分析
数据采用Excel和GraphPad Prism 8.0软件进行统计分析,结果以均数±标准差表示。各组数据间比较采用单因素方差分析,P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 lncRNA ENSG00000271218.1(HClnc1)在肝癌组织中高表达
对来自TCGA的数据分析发现,与邻近正常组织(
n=50)相比,lncRNA HClnc1在肝癌组织(
n=374)中高表达(
P<0.001,
图1A)。
2.2 干扰HClnc1抑制肝癌细胞增殖、侵袭和迁移
培养48、72和96 h后,细胞增殖能力均低于对照组,尤其在72 h后(
P<0.001,
图1B)。平板克隆试验显示,HClnc1干扰组细胞集落形成数量明显低于对照组(
图1C、D)。进一步的transwell试验显示,干扰HClnc1明显减少了穿过上室膜的肝癌细胞数量(
图1E~G),与对照组比较有明显差异(
P<0.001)。
2.3 过表达HClnc1促进肝癌细胞增殖、侵袭和迁移
培养24 h后Huh7细胞数量明显增加,48 h和96 h后细胞数量增加更为明显(
P<0.001,
图2A)。集落形成实验显示,过表达HClnc1也显著增加肝癌细胞的克隆数量(
P<0.001,
图2B、C)。进一步的transwell实验显示,不管上室膜是否涂有Matrigel,穿过膜的细胞数量均增加(
P<0.001,
图2D~F)。
2.4 干扰ODC1逆转HClnc1诱导的肝癌细胞增殖、侵袭和迁移
ODC1基因表达在肝癌组织中升高(
P<0.001,
图3A),而且与生存率负相关(
P<0.001,
图3B)。进一步实验发现,HepG2细胞干扰HClnc1后下调了(
P<0.001)ODC1的mRNA(
图3C)和蛋白(
图3D)表达。双荧光素酶报告基因分析显示,干扰HClnc1后荧光强度明显降低(
P<0.001,
图3E)。单独干扰ODC1后明显减少了增殖、迁移和侵袭细胞数量(
P<0.001,
图3F~H)。尽管过表达HClnc1增加了增殖、侵袭和迁移细胞数量(
P<0.05或
P<0.01),但干扰ODC1则逆转了这种作用(
P<0.01或
P<0.001,
图3I~K)。
2.5 HClnc1与RBBP5和KAT2B蛋白结合
SDS-PAGE电泳和银染分析发现,HClnc1的Pull-down样本中有2个特定的条带(
图4A)。将其切胶后进行蛋白质谱分析,结果鉴定出55种潜在的结合蛋白(
图4B)。其中条带1包含RBBP5蛋白,条带2包含KAT2B蛋白,免疫印迹分析证实了HClnc1与RBBP5或KAT2B蛋白结合(
图4C)。进一步RIP分析,结果发现HClin1均能与RBBP5或KAT2B抗体有效结合(
图4D)。与IgG对照组相比,在RBBP5和KAT2B抗体的免疫沉淀物中分别检测到约4.8倍和4.1倍水平的HClnc1 RNA富集(
图4E、F)。
2.6 干扰HClnc1阻止RBBP5和KAT2B蛋白相互结合
Co-IP分析结果显示,RBBP5抗体能明显与KAT2B蛋白结合,而KAT2B抗体也能明显与RBBP5蛋白结合,与对照组比较,表达量无明显差异(
图5A)。而在干扰HClnc1的HepG2细胞中,RBBP5和KAT2B抗体共沉淀的这两种蛋白量均减少(
图5B)。Co-IP结果显示RBBP5与KAT2B抗体结合明显减少,而KAT2B也与RBBP5抗体的结合减少(
图5C)。
2.7 HClnc1通过链接RBBP5 和KAT2B调控ODC1转录
HepG2细胞中,过表达HClnc1上调了ODC1蛋白表达,干扰RBBP5或KAT2B则下调ODC1蛋白表达,并且阻断了HClnc1诱导的ODC1蛋白上调(
图6A)。ChIP分析发现RBBP5和KAT2B能直接结合ODC1的启动子区域(
图6B)。干扰RBBP5或KAT2B则降低其结合效率,而干扰HClnc1则会同时降低RBBP5和KAT2B与ODC1启动子区域的结合效率(
P<0.001,
图6C)。
3 讨论
大多数长链非编码RNA(lncRNA)有严格的组织或肿瘤特异性,可能是人类癌症发生发展的潜在指征
[10]。lncRNAs CCHE1、CRNDE、DGCR5和LINC等能够高灵敏度和特异性地区分肝癌患者的肿瘤组织和正常组织
[16-19]。我们前期对10例临床样本进行lncRNA测序分析发现,lncRNA ENSG00000271218.1(HClnc1)在肝癌组织中高度表达,与基于TCGA数据库的分析结果一致,但其在恶性肿瘤中的生物学功能及调控机制并不清楚。我们推测,HClnc1可能与上述lncRNAs相似,能够调节肝癌的发生发展。
癌细胞的两个关键特征包括大规模的增殖以及快速的转移能力,从而使其区别于正常细胞。本研究针对这些关键特征来探索HClnc1在肝癌进程中的作用。通过在肝癌细胞中干扰或过表达HClnc1,发现前者抑制细胞的增殖、侵袭和迁移能力,而后者则加强了这些作用。这些功能试验结果证实了HClnc1对肝癌的促进作用,与其他研究一致,显示出与lncRNAs PWRN1、TRPC7、HEIH、LINC01116和CRNDE在癌症特别是肝癌中的类似功能
[20-24]。
鸟氨酸脱羧酶1(ODC1)是多胺代谢途径中腐胺转化的限速酶
[25],在肝癌等很多癌症中高表达
[26-28],而且与癌症复发正相关
[29]。已有研究证实,lncRNAs对恶性肿瘤的调控作用与ODC1密切相关。lncRNA LVBU在结直肠癌中高表达,且与预后不良相关。LVBU通过阻止BCL6降解,阻断p53介导的对参与尿素循环/多胺合成基因ODC1的抑制,从而促进结直肠癌细胞增殖、病灶形成和肿瘤发生
[30]。通过对TCGA临床样本数据库分析发现,ODC1基因在肝癌组织中高表达,而且与生存率负相关,表明其与肝癌的发生和预后密切相关。我们通过qRT-PCR和免疫印迹分析发现,干扰HClnc1后明显降低了ODC1蛋白和mRNA的表达。进一步的功能实验发现,ODC1干扰可以显著抑制肝癌细胞的增殖能力,transwell结果也显示干扰ODC1后细胞的侵袭和迁移能力降低。我们还发现,干扰ODC1显著抵消了过表达HClnc1对肝癌细胞增殖、侵袭和迁移的促进作用。双荧光素酶检测分析显示,干扰HClnc1后抑制ODC1启动子的活性。这些结果表明,HClnc1可能通过增强ODC1转录促进了肝癌进展。ODC1在肝癌中的确切功能和分子机制目前尚不清楚,但有研究显示其通过加速糖酵解和脂质生物合成来促进肝癌生长
[31],而多胺代谢是参与肝癌代谢异质性转换的关键代谢途径
[26, 32],这为我们今后从能量和脂质等代谢途径角度探索HClnc1和ODC1在肝癌中的相互关系提供了研究方向。
lncRNA常通过与染色质相互作用和招募蛋白质复合物进行染色质重塑来调节基因表达
[33]。作为表观遗传调节复合物的关键成员,RBBP5参与组蛋白H3K4三甲基化的调节
[34],而KAT2B在组蛋白H3K9等乙酰化中起着重要作用
[35],它们均能与lncRNA相互作用。LINC00930能够招募RBBP5和GCN5复合物至PFKFB3启动子区域,增加组蛋白H3K4三甲基化和H3K9乙酰化水平,激活PFKFB3转录,从而促进鼻咽癌进展
[36];lncRNA AFAP1-AS1与KAT2B结合,促进组蛋白H3K14乙酰化,增加RBM3转录,增强鼻咽癌的致瘤性
[37]。本研究通过pull-down和Co-IP等分析发现,HClnc1和两种表观遗传调控蛋白RBBP5和KAT2B之间存在相互作用,干扰HClnc1后显著抑制RBBP5和KAT2B的相互结合,提示HClnc1对RBBP5-KAT2B复合物具有调节作用。这些结果表明,HClnc1可能调节组蛋白甲基化/乙酰化,从而转录激活肝癌相关基因。进一步研究发现,HClnc1靶向调控了RBBP5/KAT2B复合物,而RBBP5和KAT2B能够富集于ODC1的启动子,促进ODC1的转录。
综上所述,本研究首次明确了lncRNA HClnc1在肝癌进程中的生物学功能及潜在的分子机制。HClnc1在肝癌组织中高表达,能明显促进肝癌细胞的增殖、侵袭和迁移能力。机制上,HClnc1与RBBP5/KAT2B表观遗传修饰复合物相互作用,增加ODC1的启动子活性,增强ODC1转录,从而促进肝癌细胞生长和转移。本研究为进一步开发HClnc1作为肝癌的诊断指标、治疗靶点或预后生物标志物奠定了基础。
国家自然科学基金(82174023)