结直肠癌是全球高发恶性肿瘤,亦是癌症相关死亡的第2大主要病因
[1]。近年来,我国结直肠癌发病率与死亡率持续攀升,目前已成为全球结直肠癌新发病例和死亡病例最多的国家
[2]。由于该病早期临床症状隐匿、缺乏特异性表现,约25%的患者初诊时即已出现远处转移
[3]。现阶段结直肠癌的临床治疗手段以手术、放化疗、生物治疗及免疫治疗为主,但晚期患者预后极差,5年生存率仅为14%
[4]。
磷脂酰肌醇聚糖(GPI)锚定生物合成T类(PIGT)是异五聚体糖基磷脂酰肌醇转酰胺酶(GPIT)的核心亚基,主要负责催化GPI锚定蛋白的成熟与膜定位,进而调控多种功能蛋白的生物学活性
[5]。研究表明,PIGT功能异常与多种人类病理进程密切相关,其基因突变可诱发多种发育缺陷及神经系统疾病
[6]。而PIGT异常高表达可通过调控桩蛋白磷酸化、GLUT1糖基化等分子机制,促进乳腺癌侵袭转移与膀胱癌恶性进展
[7-9]。同时,GPIT复合物各亚基的肿瘤生物学功能具有显著的肿瘤微环境依赖性,其另一关键亚基PIGU在分化型甲状腺癌中表达下调
[10],却在肝细胞癌中异常高表达,促进肿瘤恶性进展
[11, 12]。尽管现有研究证实了PIGT在多种肿瘤中的调控作用,但目前尚无研究系统阐明PIGT在结直肠癌中的表达特征与生物学功能。为筛选PIGT调控结直肠癌进展的潜在下游机制,本研究通过转录组测序及通路富集分析初步发现,NF-κB信号通路是PIGT潜在的下游调控通路,提示PIGT可能通过该通路参与结直肠癌恶性进展。
NF-κB信号通路是介导结直肠癌及多种恶性肿瘤增殖、炎症应答、化疗耐药、侵袭转移的核心信号枢纽
[13, 14]。在经典激活通路中,IκBα蛋白降解后可释放P65/P50二聚体,使其入核启动下游靶基因的特异性转录
[15]。上皮-间质转化(EMT)是肿瘤细胞获得迁移、侵袭及远处转移能力的核心生物学程序,其调控机制在结直肠癌研究中备受关注
[16, 17]。NF-κB信号通路是调控EMT程序的重要上游信号通路
[18-24]。
基于上述研究空白与前期测序预测结果,本研究提出科学假设:PIGT可作为上游关键调控因子激活NF-κB信号通路,诱导EMT程序活化,进而促进结直肠癌的侵袭与转移。本文探究PIGT对结直肠癌恶性生物学行为的调控作用,并明确NF-κB/EMT信号轴在其中的介导机制,旨在补充完善结直肠癌恶性进展的分子调控网络,为结直肠癌精准靶向治疗提供全新的实验依据与理论基础。
1 材料和方法
1.1 生信分析
TNMplot(
https://tnmplot.com/)是一个整合了TCGA、GEO等多个公共数据集的在线分析平台,可用于泛癌基因表达及生存预后分析,本研究利用该平台的泛癌表达模块,分析PIGT在多种恶性肿瘤(包括结直肠癌)中的表达差异。UALCAN(
http://ualcan.path.uab.edu/)是一个基于TCGA数据集的在线工具,可用于评估肿瘤组织与正常组织中基因的mRNA表达水平,本研究通过该平台验证PIGT在结直肠癌肿瘤组织与正常对照组织中的表达差异。GEPIA(
http://gepia.cancer-pku.cn/)是一个基于TCGA和GTEx数据库的公共平台,能够进行广泛的基因表达和生存分析,涵盖了9736个肿瘤样本和8587个正常样本。我们利用GEPIA数据库对结直肠癌肿瘤组织与正常对照组织中PIGT的mRNA表达水平进行了分析。X轴表示样本类型(肿瘤组织与正常组织),Y轴显示每百万转录本(TPM)的平均log2表达丰度。
1.2 生存预后分析
Kaplan-Meier Plotter(kmplot.com)数据库是一个基于公共转录组数据与生存信息的在线生存分析平台,该平台汇集了多个公共数据库中的基因表达数据和患者生存信息,能够评估不同基因在多种癌症中的生存预后。根据平台默认参数对PIGT进行Kaplan-Meier生存分析,P≤0.05为差异具有统计学意义,分别探究其在Ⅰ期及Ⅱ~Ⅳ期患者中10年内无复发生存期(RFS)的预后差异。
1.3 细胞培养
人结直肠癌细胞系HCT116和HCT8(武汉普诺赛生命科技有限公司),NCM460(武汉旗赛生命科技有限公司)。NCM460、HCT116和HCT8细胞采用RPMI 1640培养基培养,所有培养基中均添加10%胎牛血清(FBS)、100 U/mL青霉素及100 μg/mL链霉素(Penicillin-Streptomycin混合液),所有细胞均置于37 ℃、5% CO2的恒温培养箱中培养。
1.4 总RNA提取及qPCR
RNA提取和实时定量PCR使用RNA提取试剂盒(上海圣尔生物公司)从细胞中提取总RNA,利用反转录及qPCR试剂盒,以总RNA为模板,通过逆转录合成互补DNA(cDNA),在 Bio-Rad CFX96 实时荧光定量PCR系统上进行qPCR 检测,GAPDH作为内参,具体引物序列设计如下:PIGT:正向引物5'-CAACCAGGAC AACGAGACATT-3',反向引物5'-GTCAAGCAAGTC ATAGATGGCAT-3';GAPDH:正向引物5'-GGAGCGA GATCCCTCCAAAAT-3',反向引物5'-GGCTGTTGTC ATACTTCTCATGG-3';引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。
1.5 Western blotting
使用含蛋白酶抑制剂的裂解溶液在冰上裂解细胞30 min,然后在4 ℃以12 000 g离心10 min,收集上清溶液。使用BCA蛋白检测试剂盒(Pierce)测量总蛋白浓度。在室温下用5%脱脂牛奶封闭PVDF膜2 h。然后在4 ℃与相应抗体孵育过夜。然后用PBST洗涤3次,10 min/次,在室温下加入二抗2 h,洗涤20 min后,加入增强化学发光剂(Amersham)在暗室中观察蛋白质,在室温孵育5 min后进行曝光和显影。使用ImageJ软件对条带进行分析。比较前将相对蛋白表达水平归一化为GAPDH。
研究中使用的一抗包括:抗PIGT(1∶1000,Abcam),GAPDH(1∶40 000)、E-cadherin(1∶2000)、N-cadherin(1∶1500)、Vimentin(1∶1000)、P65(1∶1000)、P-P65(1∶500,Abways),VEGF-C(1∶1000)、MMP9(1∶1000,Proteintech)。二抗为辣根过氧化物酶(HRP)标记兔抗人IgG(1∶40 000,Abways)。
1.6 细胞转染
采用Lipofectamine 3000试剂(Invitrogen)将靶向PIGT的shRNA质粒(shPIGT)及阴性对照质粒(shNC)分别瞬时转染至HCT116和HCT8细胞中。shPIGT及shNC的序列分别为:5'-GCCGAGTCT ATGTGGACAT-3'与5'-GTTCTCCCGAACGTGTCAC GT-3',引物由GenePharma公司合成。转染48 h后收集细胞,通过Western blotting分析验证PIGT的敲低效率。
1.7 集落形成试验
取对数生长期的细胞制备单细胞悬液,将细胞1000/孔接种于6孔板中,在37 ℃、5% CO2培养箱内常规培养2周。期间定期更换培养基,待集落形成后弃去培养基,PBS洗涤,用4%多聚甲醛固定20 min,0.1%结晶紫染色30 min,使用ImageJ软件计数≥50细胞以上的集落。实验独立重复3次。
1.8 软琼脂克隆形成实验
为评估细胞的锚定非依赖性生长能力,将1.2%琼脂糖与2×完全培养基等体积混合后铺于6孔板中制备底层支撑,待凝固后将单细胞悬液与0.7%上层软琼脂混合后覆于底层之上。待双层琼脂凝固后,加入1~2 mL/孔完全培养基防止干燥,置于37 ℃、5% CO2培养箱中培养2周,期间每3~4 d更换培养基。培养结束后于显微镜下计数直径>50 μm或细胞数≥50的克隆,并计算克隆形成率。实验独立重复3次。
1.9 伤口愈合试验
将细胞以5×10⁵/孔的密度接种于6孔板中,于37 ℃、5% CO2培养箱中培养至形成致密单层。随后,用200 μL无菌移液器吸头在细胞单层上垂直划出划痕,PBS洗涤2次以去除脱落细胞,更换为含1% FBS的RPMI 1640低血清培养基。分别于划痕后0 h、48 h在显微镜下拍摄划痕区域,使用ImageJ软件测量并计算划痕宽度的相对闭合率。实验独立重复3次。
1.10 Transwell迁移与侵袭实验
Transwell实验使用24孔板进行,其中包括孔径为8 μm的聚碳酸酯膜。在不含FBS的培养基中计数细胞并将其浓度调节至2×105/mL。将200 μL细胞悬液加入Transwell的上室。下室中填充含10%FBS的完全培养基。37 ℃、5% CO2培养箱24 h后,将细胞在甲醛溶液中固定20 min,0.1%结晶紫染色20 min, 并用PBS洗涤,倒置显微镜下拍照计数。对于侵袭实验,除上室涂有100 μL matrigel(Xiamen Mogengel),其余步骤同迁移实验,实验独立重复3次。
1.11 体外血管生成实验
基质胶(Matrigel)避免反复冻融,使用前置于冰上完全融化。实验前将24孔板及相应枪头于4 ℃预冷1 h。融化后的基质胶以300 µL/孔均匀铺入预冷的24孔板中,置于37 ℃孵育30~60 min,使其充分固化。分别收集无血清条件下培养的HCT116和HCT8细胞及其对照的条件培养基。将HUVEC细胞密度调整至3×105~1×106/孔,分别接种于不同处理组的条件培养基中,培养12 h。最后,在显微镜下观察并拍照,使用ImageJ软件对小管总长度、分支点数等指标进行分析。实验独立重复3次。
1.12 转录组测序
转录组测序分析相关技术服务由武汉赛维尔生物科技有限公司提供。核心实验流程包括总RNA提取、质检与定量、文库构建、簇生成与上机测序,以及最终的数据分析。文库质量通过安捷伦生物分析仪2100系统进行评估。差异表达分析采用DESeq2 R软件包进行,筛选条件设定为校正后P<0.05且|log2FC|≥1.5的基因,并将其定义为显著差异表达基因。差异表达基因的GO富集分析通过clusterProfiler R软件包完成,而差异基因信号通路的GSEA分析则基于GSEA网络的分子特征数据库开展。
1.13 脂多糖恢复实验
细胞分为sh-NC组、sh-PIGT组、sh-PIGT+LPS组;各组细胞转染24 h后处理:sh-PIGT+LPS组加入终浓度1 μg/mL脂多糖,处理24 h收集蛋白用于检测NF-κB通路 P-P65表达及EMT及转移相关蛋白表达;其余组加入等量完全培养基同步培养。采用Western blotting检测各组目标蛋白表达水平。
1.14 裸鼠皮下荷瘤模型
选用4~6周龄SPF级BALB/c裸鼠,动物饲养及实验操作均符合单位实验动物伦理委员会要求(伦理批号:No.2022[K]036-01)。取对数生长期的sh-PIGT及sh-NC结直肠癌HCT116细胞,用PBS调整细胞浓度至3×107/mL,于每只裸鼠右侧腋窝皮下接种0.1 mL细胞悬液,设置6只/组,细胞接种后第10天,CO2窒息法处死裸鼠测量瘤体质量,取部分瘤体组织,提取总蛋白,采用Western blotting检测瘤组织中PIGT蛋白表达水平。
1.15 统计学分析
所有实验独立重复3次。采用GraphPad Prism 8软件完成数据统计分析。实验数据以均数±标准差表示,两组间比较采用t检验,多组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 PIGT在结直肠癌组织中表达上调
TNMplot数据库的泛癌分析显示,PIGT在包括结直肠癌在内的多种恶性肿瘤组织中均上调(
P<0.05,
图1A)。UALCAN和GEPIA数据库验证结果显示,在结直肠癌临床组织样本中,PIGT的mRNA表达水平高于正常对照组(
P<0.05,
图1B、C)。PIGT在结直肠癌组织中存在异常高表达。
2.2 PIGT高表达与中晚期结直肠癌患者不良预后相关
生存分析结果显示,PIGT 对结直肠癌患者预后的影响存在明显的分期差异。在Ⅰ期患者中,PIGT 高表达组与低表达组间的 RFS差异无统计学意义(HR= 0.31,95%
CI 0.06~1.74; log-rank
P=0.16);而在Ⅱ~Ⅳ 期患者中,相较于低表达组,PIGT高表达与 RFS 缩短相关(HR=1.41,95%
CI 1.08~1.85;log-rank
P=0.012,
图2)。
2.3 PIGT在结直肠癌细胞系中表达上调
qPCR和Western blotting检测2株结直肠癌细胞系(HCT116,HCT8)和正常结直肠黏膜细胞系NCM460发现,PIGT在HCT116和HCT8细胞中的mRNA和蛋白表达水平均高于NCM460细胞(
P<0.05,
图3A、B)。
2.4 利用瞬时转染敲低PIGT构建功能研究模型
Western blotting结果显示,与阴性对照组相比,shRNA转染组细胞中的PIGT蛋白表达水平被有效敲低(
P<0.001,
图4)。
2.5 敲低PIGT抑制结直肠癌细胞的增殖能力
集落形成实验结果显示,与阴性对照组相比,敲低PIGT降低了HCT116和HCT8细胞形成的集落数量和大小(
P<0.001,
图5A)。软琼脂克隆形成实验结果显示,敲低PIGT后,细胞在软琼脂中形成的克隆球数量明显减少(
P<0.001,
图5B)。
2.6 敲低PIGT抑制结直肠癌细胞的迁移与侵袭能力
伤口愈合实验显示,敲低PIGT延缓了HCT116和HCT8细胞伤口的闭合速度(
P<0.001,
图6A)。Transwell迁移实验进一步证实,穿越聚碳酸酯膜的细胞数量在敲低组减少(
P<0.001,
图6B)。侵袭实验发现敲低PIGT同样削弱了细胞穿越基质胶屏障的能力(
P<0.001,
图6C)。
2.7 敲低PIGT抑制由结直肠癌细胞诱导的血管生成
体外血管形成实验结果显示,与对照组相比,来自PIGT敲低细胞的条件培养基抑制了HUVEC细胞形成管腔状结构的能力(
P<0.001,
图7)。
2.8 敲低PIGT逆转结直肠癌细胞的EMT进程并下调下游效应分子
Western blotting显示,敲低PIGT后,上皮标志物E-cadherin的蛋白水平上调;而间质标志物N-cadherin、Vimentin则下调(
P<0.001)。此外,与细胞侵袭和血管生成密切相关的下游效应蛋白MMP9和VEGF-C的表达也明显降低(
P<0.001,
图8A、B)。
2.9 转录组学分析揭示PIGT通过激活NF-κB信号通路影响结直肠癌细胞功能
对PIGT敲低的HCT116细胞进行了转录组测序,共筛选出852个显著差异表达基因(其中444个基因表达上调,408 个基因表达下调,
图9A)。GO分析显示差异基因在“白细胞迁移”等免疫炎症过程、“AP-1转录复合物”等关键结构、“细胞因子活性”等效应功能上均显著富集(
图9B)。KEGG通路富集分析显示,差异基因最显著地富集于NF-κB信号通路,同时涉及细胞因子受体互作、IL-17等相关炎症通路,共同构成一个以NF-κB为核心的肿瘤相关炎症网络(
图9C)。
2.10 敲低PIGT抑制NF-κB信号通路的激活
Western blotting分析显示,在敲低PIGT的HCT116和HCT8细胞中,P65亚基的磷酸化水平(P-P65)降低(
P<0.001),而总P65蛋白量基本保持不变(
图10)。
2.11 脂多糖恢复实验验证PIGT通过调控NF-κB通路影响结直肠癌EMT进程
Western blotting结果显示,与sh-NC组相比,sh-PIGT组HCT116、HCT8细胞中P-P65磷酸化水平降低(
P<0.01),上皮标志物E-cadherin表达上调,间质标志物N-cadherin、Vimentin及转移相关蛋白MMP9、VEGF-C表达下调(
P<0.05)。与sh-PIGT组相比,sh-PIGT+LPS组P-P65磷酸化水平回升,且经24 h脂多糖处理后,E-cadherin表达下调,N-cadherin、Vimentin、MMP9、VEGF-C表达均恢复(
P<0.05,
图11)。
2.12 敲低PIGT抑制裸鼠皮下结直肠癌肿瘤生长
构建裸鼠皮下异种移植瘤模型,结果显示,与sh-NC组相比,sh-PIGT组裸鼠皮下瘤体大小及质量均降低(
P<0.01)。瘤体组织 Western blotting检测证实,sh-PIGT组PIGT蛋白表达水平低于sh-NC组,体内敲低效果稳定(
P<0.001,
图12)。
3 讨论
尽管结直肠癌的治疗策略持续优化、患者生存率有所提升,但其仍是侵袭性最强的恶性肿瘤之一,常表现为术后易复发、早期即发生转移等临床特征
[25]。本研究首次在结直肠癌中系统阐明,糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定通路的关键组分PIGT,可调控NF-κB信号活化及EMT程序,进而影响结直肠癌恶性进展。本研究通过多维度证据证实,PIGT在结直肠癌组织与细胞系中显著高表达,且其高表达与患者不良预后密切相关,这确立了PIGT作为一个潜在的致癌基因与预后生物标志物。在功能层面,敲低PIGT能有效抑制结直肠癌细胞的增殖、迁移、侵袭及体外血管生成能力,表明PIGT是维持结直肠癌恶性表型的关键分子。
为阐明PIGT的分子机制,本研究首先进行无偏倚的转录组测序。分析结果显示,差异表达基因最显著富集于NF-κB信号通路,并同时涉及“白细胞迁移”、“细胞因子活性”及“AP-1转录复合物”等与肿瘤炎症及转移密切相关的功能模块
[25]。这一系统生物学证据提示NF-κB通路是PIGT发挥作用的关键下游枢纽。基于该线索,在蛋白水平进一步验证,发现敲低PIGT可显著降低NF-κB关键蛋白P65的磷酸化水平,并同步逆转EMT相关蛋白表达,脂多糖回复实验进一步证实,外源性激活 NF-κB 可明显回救 PIGT 敲低所致的 P65 磷酸化抑制及 EMT 相关蛋白改变。以上结果从组学筛选到分子验证再到功能回复,较为完整地揭示了PIGT 通过调控 NF-κB 通路进而影响 EMT 进程、驱动结直肠癌恶性进展的调控轴。该发现与PIGT在乳腺癌、膀胱癌中的促癌作用一致
[7-9],并与GPIT复合物另一亚基PIGU通过NF-κB驱动肝癌的报道相呼应
[11, 12],共同支持GPIT复合物可能通过不同亚基介入NF-κB等核心通路,从而形成一种潜在的泛癌调控机制,与既往乳腺癌、膀胱癌研究相比,本研究首次在结直肠癌中证实 PIGT 的促癌作用,并聚焦于 NF-κB 炎症-EMT 转移轴揭示其独特调控机制,同时明确其与患者无复发生存期的相关性,是对 GPI 锚定蛋白在肿瘤中功能研究的重要拓展。
在此基础上,一个更深层的问题随之产生:PIGT如何将其经典的GPI锚定功能与NF-κB信号激活相偶联?我们推测,其核心机制在于PIGT介导的GPI锚定功能对于特定信号受体在质膜上富集的关键作用。已有研究提示,典型的GPI锚定蛋白如尿激酶受体(uPAR)可通过激活Akt信号导致NF-κB通路活化
[26];另一方面,抑制GPI锚定蛋白CD14的表达可阻断NF-κB信号激活
[27]。基于此,本研究提出一个合理的工作模型:PIGT很可能通过促进uPAR或功能类似的信号受体(如特定整合素或生长因子受体)在质膜上的高效锚定,增强细胞对微环境信号的感知,进而启动下游IKK/NF-κB级联反应。这一模式与膀胱癌中PIGT通过调节GLUT1糖基化与膜运输驱动肿瘤进展的发现相吻合
[9]。当然,PIGT也可能通过影响Wnt/β-catenin等其他结直肠癌相关通路间接调控NF-κB
[28, 29],这为未来研究留下了探索空间。
本研究具有一定的转化前景。PIGT的表达水平与患者不良预后显著相关,使其有潜力作为一种新型预后生物标志物,用于识别高复发风险的结直肠癌患者,实现更精准的风险分层。同时,针对PIGT-NF-κB信号轴的干预,可能为NF-κB通路高度激活的晚期患者提供新的治疗策略。 本研究仍存在若干局限性:在机制上,本研究仅采用脂多糖进行回复验证,而脂多糖为非特异性NF-κB激动剂,尚无法完全排除其他通路的间接影响,且PIGT与NF-κB之间的直接分子关联及其通过GPI锚定调控的关键下游效应蛋白仍未明确。未来结合蛋白质组学系统鉴定PIGT调控的GPI锚定蛋白谱,并开展更具特异性的通路拯救实验,将有助于进一步完善其分子机制,为后续靶向治疗开发提供更坚实的理论依据。
综上,PIGT在结直肠癌及细胞系中异常高表达,其高表达与患者不良预后密切相关,PIGT 可能通过调控 NF-κB 信号通路,促进结直肠癌细胞增殖、迁移、侵袭及 EMT 进程,有望成为结直肠癌潜在的预后生物标志物及靶向治疗靶点。
河北省自然科学基金(H2022402009)
河北省省级科技计划项目(ZF2023221)