结直肠癌是全球常见的恶性肿瘤之一,其发病率和死亡率分别位于第3位和第2位
[1]。尽管诊疗技术不断进步,但部分患者仍面临复发和转移的风险,其潜在的分子机制尚未完全阐明。深入探索结直肠癌发生发展的调控网络,对于发现新的诊断标志物和治疗靶点具有重要意义。
传统观点认为,蛋白主要来源于mRNA的翻译。然而,随着高通量测序和核糖体印记分析技术的发展,越来越多的研究发现,被注释为非编码RNA的转录本同样具备编码潜能,其翻译产生的多肽或蛋白质在肿瘤演进中扮演着重要角色
[2-6]。环状RNA是一类具有共价闭合环状结构的非编码RNA,具有稳定性高的特征,大量研究表明环状RNA在多种肿瘤恶性进展中发挥关键作用
[7-9]。机制上,早期研究主要集中于环状RNA作为微小RNA(miRNA)“海绵”或与蛋白结合而发挥功能
[7, 8]。近年来,环状RNA的编码能力被逐渐揭示,为理解肿瘤调控机制提供了新视角
[10-18]。环状RNA由于缺乏5’端帽子结构,其翻译起始依赖于内部核糖体进入位点或m6A修饰介导的非经典途径
[19, 20]。
环状RNA hsa_circ_0001178源自亲本基因USP25的第2、3外显子,根据环状RNA命名规范
[21],我们将其命名为circUSP25(2,3),简称circUSP25。已有研究表明,circUSP25在结直肠癌组织中表达上调,并可通过吸附miR-382/587/616上调EZB1表达,进而促进肿瘤细胞转移
[22]。值得注意的是,Van等
[23]通过核糖体印记测序发现circUSP25能与核糖体结合,这提示circUSP25可能具有编码蛋白的潜力,但目前尚无相关实验报道。本研究旨在验证circUSP25的编码能力,鉴定其翻译产物的亚细胞定位及生物学功能,并初步探索其分子机制,以期为揭示结直肠癌恶性进展的机制提供新思路。
1 材料和方法
1.1 人结肠癌细胞株及培养条件
本研究所用人源结肠腺癌细胞系SW620与HCT116均购自森贝伽生物科技有限公司,分别采用DMEM(生航)和McCoy's 5A培养基(森贝伽),并添加10%胎牛血清(森贝伽)。所有细胞均在恒温37℃、含5% CO2的培养箱中常规培养与传代,选取处于对数生长期的细胞进行实验。
1.2 小干扰RNA(siRNA)、载体构建与细胞转染
针对PHB2的siRNA由苏州吉玛基因股份有限公司设计并合成,siRNA序列:GGUUCCAGUACCCCA UUAUTT。circUSP25-Flag及其突变体circUSP25-Flag-Mut过表达载体均由广州睿博生物科技有限公司完成构建。首先采用基因合成技术获得circUSP25目的片段,并通过定点突变方法将其翻译起始密码子ATG突变为TAA。进一步将获得的野生型与突变型circUSP25序列分别克隆至环状RNA真核表达载体pCD5-ciR(吉赛)中,从而成功构建相应的过表达质粒。所有构建的载体均经Sanger测序鉴定,结果证实插入序列及突变位点完全正确。细胞转染操作使用Lipofectamine 3000转染试剂(Thermo Fisher),按照试剂说明进行siRNA及质粒的转染。
1.3 Western blotting
circUSP25-Flag、circUSP25-Flag-Mut及对照载体分别转染SW620和HCT116细胞。转染后48 h,应用RIPA裂解液(弗德)裂解细胞,离心后收集总蛋白,取等量蛋白进行SDS-PAGE凝胶电泳分离,应用湿转系统将蛋白转移至PVDF膜(Millipore),并置于快速封闭液(新赛美)中室温孵育封闭。封闭结束后,分别与以下一抗在4 ℃条件下孵育过夜:anti-Flag(1∶1000,ImmunoWay)和anti-β-Tubulin(1∶2000,Proteintech)。次日,膜经充分洗涤后,加入辣根过氧化物酶标记的山羊抗兔/小鼠二抗(1∶5000,弗德),室温继续孵育1h。ECL超敏发光液(弗德)进行化学发光,应用化学发光成像系统采集并记录蛋白信号图像。
1.4 免疫共沉淀与质谱鉴定
参照之前发表文章中的方法进行
[8]。应用裂解缓冲液提取细胞总蛋白,将细胞裂解液与Flag抗体(ImmunoWay)或对照IgG(ABclonal)混合,于4 ℃翻转孵育2 h。随后向混合物中加入约20 μL琼脂糖珠(Santa Cruz),置于4 ℃继续孵育过夜。充分洗涤并收集琼脂糖珠后,洗脱结合蛋白。洗脱产物经SDS-PAGE凝胶电泳分离,并采用快速银染试剂盒(碧云天)进行染色。最后,将差异蛋白条带切下,由微纳菲生物技术有限公司(深圳)进行质谱分析。
1.5 细胞免疫荧光检测
SW620及HCT116细胞接种于共聚焦培养小皿,培养24 h,根据实验需要可进行线粒体染色,细胞经预热的Mito-Tracker探针(200 nmol/L,碧云天)于37 ℃孵育20 min,随后以4%多聚甲醛固定10 min,0.2% Triton X-100处理15 min增强通透性,并用山羊血清封闭30 min,之后加入一抗anti-Flag(1∶200,ImmunoWay)与anti-PHB2(1∶200,Proteintech),4 ℃孵育过夜,次日加入DyLight488/DyLight647标记的羊抗鼠/兔二抗(1∶200,ImmunoWay),室温避光孵育1 h,DAPI染色细胞核,激光共聚焦显微镜下观察并采集图像。
1.6 CCK-8检测
细胞转染质粒24 h后收集,调整细胞密度后以1×10³/孔、100 μL培养基接种于96孔板,边缘孔加无菌PBS。培养至相应时间点,加入10 μL/孔 CCK-8溶液(恩晶),置于细胞培养箱中继续孵育2 h,应用酶标仪检测吸光度A450 nm,分别于第1、2、3、4天进行检测。
1.7 Transwell小室迁移实验
HCT116细胞转染质粒24 h后收集细胞,以无血清培养基重悬并计数。在Transwell小室下室加入含10%胎牛血清的完全培养基,上室接种3×10⁴个细胞。迁移48 h后取出小室,用4%多聚甲醛固定,吉姆萨染色。在显微镜下随机选取5~7个200倍视野采集图像,计数细胞数。
1.8 统计学分析
使用GraphPad Prism 9.5.1软件进行Student t检验,计量资料以均数±标准差表示,以P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 环状RNA circUSP25具有编码蛋白的开放阅读框
Sanger测序表明circUSP25是USP25在转录后由第2、3外显子背向剪接形成的环状RNA(
图1A)。应用circRNADb
[24]和circBank
[25]数据库搜索,发现circUSP25含有编码121个氨基酸的开放阅读框(ORF),ORF从第128 bp起始密码子ATG开始,跨2次剪切位点后在第47 bp终止密码子TAA结束(
图1B)。本研究在circUSP25终止密码子TAA前插入Flag序列,克隆入pCD5-ciR载体,构建circUSP25-Flag载体,再突变circUSP25-Flag的起始密码子ATG为TAA构建circUSP25-Flag-Mut载体(
图1C、D)。
2.2 circUSP25编码蛋白的鉴定
Western blotting显示只有circUSP25-Flag载体可表达出蛋白,而ATG突变的载体不能翻译出蛋白(
图2A),进一步应用免疫沉淀技术富集circUSP25翻译的蛋白,通过电泳分离、银染、质谱,在16 000 D左右的条带中鉴定到属于circUSP25编码蛋白的肽段(
图2B),免疫荧光显示circUSP25翻译的蛋白位于结肠癌细胞的细胞质(
图2C)。
2.3 circUSP25编码的蛋白定位于结肠癌细胞的线粒体
本研究应用TargetP-2.0
[26]数据库分析circUSP25编码蛋白的信号肽,发现蛋白的氨基端1-32aa内含有线粒体转运肽(图
3A),
1-32aa是circUSP25编码的蛋白所特有的,其亲本基因USP25编码的蛋白没有线粒体转运肽。免疫荧光显示circUSP25编码的蛋白定位在结肠癌细胞的线粒体(
图3B)。
2.4 circUSP25编码的蛋白促进结肠癌细胞增殖和迁移
在SW620和HCT116细胞中过表达circUSP25-Flag,CCK-8实验表明circUSP25-Flag过表达能够促进结肠癌细胞的增殖(
P<0.05,
图4A),Transwell小室表明过表达circUSP25-Flag能够促进结肠癌细胞迁移(
P<0.001,
图4B)。
2.5 circUSP25编码的蛋白与线粒体蛋白结合
应用免疫共沉淀将circUSP25编码蛋白所结合的蛋白富集下来,银染后对35 000左右的差异条带进行质谱鉴定,共鉴定到138个蛋白,其中相对分子质量大小符合的有15个蛋白,按照可信度和唯一肽段数量从高到低排列后,发现排在前4位的有3个是线粒体蛋白(
图5A~C)。免疫荧光也表明circUSP25编码的蛋白与PHB2在线粒体共定位(
图5D)。CCK-8和Transwell迁移实验表明,敲低PHB2可回复circUSP25对结肠癌细胞增殖及迁移的促进作用(
图6A、B)。
3 讨论
本研究发现环状RNA circUSP25能够编码一个定位于线粒体的新蛋白。功能实验表明,该蛋白促进结肠癌细胞增殖与迁移。进一步的机制探索发现,circUSP25编码的蛋白可与PHB2等线粒体蛋白结合,提示其可能通过影响线粒体功能来发挥促癌作用。
首先,本研究证实了circUSP25的编码能力。通过构建带有Flag标签的起始密码子野生型及突变载体,Western blotting结果显示仅野生型circUSP25可成功表达Flag标签蛋白,而突变载体则丧失翻译能力,质谱鉴定进一步验证了该蛋白肽段的存在。这一发现不仅验证了核糖体印记测序的预测结果
[23],也拓展了对circUSP25在结直肠癌中作用机制的认识。既往研究仅揭示了circUSP25作为miRNA“海绵”的非编码调控功能
[22],而本研究首次证明其具有编码能力,这提示circUSP25可能通过编码蛋白和非编码RNA双重途径参与肿瘤恶性进展过程。其次,本研究明确了该蛋白的亚细胞定位及功能。生物信息学预测及免疫荧光实验证实,circUSP25编码的蛋白定位于结肠癌细胞的线粒体,这与亲本基因USP25编码的蛋白定位不同,提示该环状RNA翻译了一个具有独特定位的新蛋白。CCK8和Transwell实验结果显示,过表达该蛋白能够显著促进结肠癌细胞的增殖和迁移,表明其在线粒体定位可能与其促癌功能密切相关。
在机制方面,免疫共沉淀联合质谱鉴定发现,circUSP25编码的蛋白能够与线粒体蛋白PHB2等结合。PHB2作为阻抑素蛋白家族成员,其功能具有多样性。一方面,PHB2定位于线粒体内膜,参与维持线粒体嵴形态、调控细胞增殖与凋亡,在多种肿瘤中发挥促癌作用
[27-30];另一方面,PHB2也是介导线粒体自噬的关键受体,其功能异常可能导致受损线粒体堆积,从而影响细胞稳态
[31]。因此,circUSP25编码蛋白与PHB2的结合,可能通过调控PHB2的稳定性、亚细胞定位或线粒体自噬受体功能,进而影响线粒体代谢与细胞命运,这为本研究发现的促增殖和迁移表型提供了潜在的分子解释。然而,本研究仍存在一定的局限性。首先,我们虽鉴定到与circUSP25编码蛋白相互作用的线粒体蛋白,但其具体的调控机制,例如如何影响PHB2的功能或线粒体稳态,仍需进一步深入探索。其次,本研究主要依赖于外源性过表达实验,后续需定制特异性抗体,检测结直肠癌临床样本及细胞系中该蛋白的内源性表达水平,并结合体内动物模型进一步验证其促癌功能。
综上所述,本研究揭示了circUSP25可编码定位于线粒体的新蛋白,该蛋白可能通过与线粒体蛋白PHB2等相互作用,促进结肠癌细胞的生长与迁移。这一发现揭示了circUSP25在结肠癌恶性进展中的新功能,为理解环状RNA的多重调控机制提供了新视角,也为结肠癌的诊断与治疗提供了潜在的新靶点。
国家自然科学基金(82573244)
国家自然科学基金(81902479)
江苏省卫健委医学科研项目(M2024038)
广东省基础与应用基础研究基金(2021A1515010665)
宿迁市科技计划(KY202304)
宿迁市科技计划(M202503)
宿迁英才雄英计划(SQXY202436)