结直肠癌(CRC)作为全球发病率和死亡率均居高不下的恶性肿瘤之一,对人类健康的威胁不容小觑
[1-3]。CRC已成为癌症相关死亡的主要原因之一,其发病率在许多国家仍在上升
[4-7]。尽管CRC的治疗手段包括手术、放化疗和靶向治疗在过去的几十年里取得了显著进展,但因肿瘤的高度异质性及复杂的分子生物学背景,患者5年生存率仍然较低。CRC的高复发率和转移性进一步加剧了治疗难度
[8, 9]。因此,寻找与CRC发生发展相关的新型分子标志物,并了解其作用机制,对提高CRC患者的预后具有重要意义。
近年来,随着对肿瘤代谢异常研究的深入,代谢重编程作为肿瘤发生发展的重要驱动力之一,逐渐成为研究热点。Warburg效应,即肿瘤细胞即使在有氧条件下也偏好通过糖酵解途径生成能量,是肿瘤代谢的典型特征
[10, 11]。在这一代谢途径中,己糖激酶2(HK2)作为糖酵解途径中第一个关键限速酶,主要存在于恶性或快速增殖的肿瘤中,较少见于正常组织中,在癌细胞重编程葡萄糖代谢中起关键作用
[11-15]。这提示HK2可能在肿瘤的发生和进展中发挥重要作用。
HK2在结直肠癌中可能具有促进肿瘤发展的潜在作用,但目前研究多集中于体外实验,缺乏体内实验的数据支持及具体机制探究,并且大多数研究忽略了HK2与肿瘤免疫微环境的关系,这限制了对HK2在肿瘤发展过程中的系统理解。本研究旨在探讨HK2在CRC组织中的表达特点,并深入了解HK2与结直肠癌的预后、恶性生物学行为及其免疫微环境的关系,从而为结直肠癌的临床治疗提供新的理论和实验依据。
1 材料和方法
1.1 组织标本
人类结直肠癌组织样本从南方医院普通外科获得,并经南方医院医学伦理委员会批准(伦理批号:NFEC-2022-300),共8例配对的肿瘤组织与正常组织样本。
1.2 主要试剂和仪器
逆转录试剂盒、荧光定量试剂盒(瑞真生物);细胞培养基及胎牛血清(Gibco);HK2过表达慢病毒(维真生物);Western blotting 抗体:HK2抗体(abcam,1∶1000),β-actin抗体(abcam,1∶2000),羊抗兔蛋白二抗(abcam,1∶2000);免疫组化抗体:HK2抗体(abcam,1∶200),Ki-67抗体(abcam,1∶200);CCK-8细胞增殖试剂盒(Biosharp);流式抗体:anti-CD45(Biolegend),anti-CD8A(Biolegend);3-BP(MedChemExpress);Ganoderic acid A(GA,MedChemExpress)。
1.3 方法
1.3.1 生物信息学方法
从UCSC数据库(
https://xenabrowser.net/)和GEO数据库中获取结直肠癌患者转录组学及临床预后数据,对每个表达值进行log2(X+0.001)变换分析。使用R包“limma”分析HK2基因在结直肠癌和正常组织间的表达差异,使用R包“maxstat”计算结直肠癌中HK2的最佳截断值,根据此截断值采用Kaplan-Meier生存曲线分析两组患者的总体生存(OS)差异,并使用Log-rank检验比较两组的生存曲线。
使用R包MCP Counter以及Timer方法,根据HK2基因表达评估结直肠癌中相关免疫细胞的浸润评分;采用Pearson相关性分析检验HK2基因与免疫检查点之间的相关性。
1.3.2 免疫组织化学方法
组织脱水后行石蜡包埋,2.5 μm切片,将石蜡切片组织放入65 ℃烤箱烤片1 h;随后依次转移至二甲苯以及梯度浓度酒精进行脱蜡,复水:二甲苯(15 min,2次);100%酒精(10 min);90%酒精(10 min);70%酒精(10 min);1×TBS缓冲液(5 min,2次),高压抗原修复;TBS漂洗,3%过氧化氢溶液室温孵育30 min;TBS漂洗,4 ℃,过夜孵育一抗;TBS漂洗,滴加二抗,室温孵育30 min;TBS漂洗后DAB显色液显色;苏木素复染核;盐酸酒精分化;梯度脱水后封片。
1.3.3 Western blotting实验
向待检测组织及细胞中加入适量蛋白裂解液使其充分裂解;使用BCA法检测蛋白浓度,配置10% SDS-PAGE分离胶和5% SDS-PAGE的浓缩胶,将蛋白与5×SDS上样缓冲液混合;100 ℃,金属浴5 min。取20 μg上样,设定恒压110 V,电泳结束后,将蛋白恒流转移至PVDF膜上,根据目标蛋白的相对分子质量设定相应的时间;TBST漂洗后,加入5%脱脂奶粉封闭常温1 h,TBST漂洗,加入一抗,4 ℃,过夜;TBST漂洗,滴加HRP标记的二抗室温孵育1 h;TBST漂洗,加入ECL,置于化学发光成像仪器内现象。
1.3.4 RT-qPCR
待测的组织或者细胞加入RNA抽提试剂Trizol裂解,加入1/5体积的氯仿,震荡后室温静置15 min;12 000 r/min,4 ℃,离心15 min,吸取上清液至新的去酶EP管;加入等体积异丙醇,室温静置15 min,12 000 r/min,4 ℃,离心15 min,弃上清;加入1 mL无水乙醇,12 000 r/min,4 ℃,离心5 min,弃上清;室温下晾干,加入适量DEPC水混匀于冰上放置,使用分光光度计测RNA浓度以及纯度。
RNA逆转录按PrimeScirpt逆转录试剂盒(Takara)说明书操作,Real-time PCR按SYBR I Premix ExTaqTM(Takara)试剂盒说明书操作,PCR反应采用罗氏480Real-TimePCR系统。引物序列(5'-3')由华大基因合成(
表1)。
1.3.5 细胞培养和慢病毒转染
鼠源性结直肠癌细胞(MC38、CT26)培养于含10%胎牛血清的DMEM培养基中,人源性结直肠癌细胞(HCT116、RKO、CACO2、SW480)培养于含10%胎牛血清的1640培养基中;均在37 ℃、5% CO2的培养箱中培养。
人/鼠源性HK2过表达慢病毒均由山东维真生物公司合成,按说明书对结直肠癌CT26和HCT116进行转染。实验分组为:HK2-NC和HK2-OE。通过RT-qPCR和Western blotting实验验证转染细胞株的过表达效率。
1.3.6 CCK-8细胞增殖实验
将对数生长期CRC细胞胰酶消化,PBS清洗2次,制备成单细胞悬液,计数后,将100 μL、1×103 /孔接种于96孔板中,置于37 ℃、5% CO2条件下培养。分别在第1、3、5天加入10 μL的CCK-8试剂,培养2 h后,使用酶联免疫检测仪测定吸光度A450 nm,绘制细胞生长曲线。
1.3.7 平板克隆形成实验
将对数生长期CRC细胞胰酶消化,PBS清洗2次,制备成单细胞悬液,计数后,以500、750、1000/孔,2 mL体系的梯度密度接种六孔板中(依据CRC细胞生长情况判断),每2 d换液1次。当培养皿出现肉眼可见的克隆团时(10~14 d),停止培养,弃去培养基,PBS轻柔清洗2次,每孔加入1 mL甲醇固定20 min。弃去固定液,加入1 mL/孔1%结晶紫染色30 min后流水缓慢冲洗多余染液,空气干燥。
1.3.8 Transwell实验
在Transwell小室中,上室加入无血清细胞悬液,下室加入含血清的培养基作为趋化因子。细胞孵育24 h后,擦去未穿透膜的细胞,使用甲醇固定膜下侧的细胞,并用结晶紫染色。最后通过显微镜观察并计数穿膜细胞。其中迁移实验通过让细胞穿过不含基质胶的带孔膜(8 µm孔径),评估细胞的运动能力;而侵袭实验则在膜上涂覆基质胶,模拟体内细胞外基质。
1.3.9 异种移植瘤模型
CT26细胞扩大培养后,消化成单细胞悬液,用无血清的培养基洗3次,将细胞密度调整为1×107/mL。取4~6周龄、体质量为18~22 g的Balb/c小鼠。每只小鼠大腿外侧皮下注射100 μL肿瘤细胞悬液,5只/组;每隔1 d用游标卡尺测量1次肿瘤体积,体积公式为V=L×W×H/2(V:体积;L:长;W:宽;H:高),绘制肿瘤生长曲线。处死小鼠后,分离肿瘤组织并置于10 %中性福尔马林中固定。
1.3.10 流式细胞分析
取小鼠皮下肿瘤组织,剪碎后加入5 mL消化液(含0.5 mg/mL Collagenase IV+0.1 mg/mL DNaseI+2% FBS的1640培养基),置于37 ℃摇床进行消化(200 r/min,30 min)。用70 μm滤网过滤获得单细胞悬液,4 ℃,400 g离心5 min,弃去上清。室温条件下,用1 mL红细胞裂解液裂解红细胞1 min,再用5 mL含1% FBS PBS终止,4 ℃,400 g离心5 min。取细胞沉淀进行流式抗体冰上30 min染色,流式缓冲液洗2遍后上机。
1.4 统计学方法
使用SPSS 22.0软件进行统计分析。计量资料以均数±标准差表示,两组间比较采用独立样本t检验,多组间比较采用单因素方差分析,相关性分析采用Pearson法。P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 HK2在结直肠癌的表达及与预后的关系
TCGA联合GTEx数据库分析显示,在CRC组织中,HK2的表达量高于正常组织(
P<0.0001,
图1A),且高表达HK2的患者有预后更差的趋势(
图1B)。
2.2 HK2在临床样本组织中的表达
免疫组化、Western blotting和RT-qPCR结果均显示,CRC组织中HK2表达水平明显高于癌旁组织(
P<0.01,
图2)。
2.3 CRC细胞株筛选和慢病毒转染结果
检测4株人源性细胞株及2株鼠源性细胞株HK2 mRNA的表达,人源性细胞中HK2 mRNA表达从高到低分别是LOVO、HT29、SW480、HCT116细胞(
P<0.01,
图3B),而在鼠源性细胞中CT26的HK2 mRNA表达低于MC38(
P<0.05,
图3A)。因此选用HCT116细胞和CT26细胞作为过表达转染载体。
转染后,CT26细胞和HCT116细胞HK2过表达组中蛋白表达量(
图3C、D)和mRNA水平(
P<0.01,
P<0.0001,
图3E、F)均高于NC组,过表达组细胞株构建成功。
2.4 HK2过表达对体外CRC细胞增殖能力的影响
CCK-8和平板克隆形成实验均显示,HK2过表达组的CT26和HCT116细胞的增殖能力高于对照组(
P<0.001,
P<0.0001,
图4)。
2.5 HK2过表达对体外CRC细胞迁移和侵袭能力的影响
Transwell结果显示,HK2过表达组的CT26(
P<0.01,
图5A、B)和HCT116细胞(
P<0.01,
图5C、D)的迁移能力和侵袭能力高于对照组。
2.6 HK2功能抑制对体外CRC细胞增殖、迁移和侵袭能力的影响
使用3-BP抑制肿瘤细胞HK2功能后,采用Transwell法分析HK2对CRC细胞迁移和侵袭的影响,结果显示3-BP处理组的MC38(
P<0.001,
P<0.01,
图6A、B)和CACO2细胞(
P<0.01,
图6C、D)的迁移数量和侵袭数量低于对照组。CCK-8结果显示,3-BP处理组的MC38和CACO2细胞的增殖能力明显低于对照组(
P<0.0001,
图6E、F)。
2.7 HK2对体内鼠源性CRC细胞增殖能力的影响
Balb/c小鼠皮下荷瘤实验(CT26)结果显示,HK2过表达可明显促进皮下肿瘤的生长速度(
P<0.001,
图7A、B),HK2过表达组皮下瘤重量(
P<0.01,
图7C)和体积(
P<0.01,
图7D)大于对照组;免疫组化结果显示,HK2过表达组肿瘤细胞的Ki-67增殖指数高于对照组(
图7E);流式细胞术分析显示,HK2过表达组瘤内CD8
+ T细胞数量下降(
P<0.01,
图7F、G)。
2.8 HK2对体内人源性CRC细胞增殖能力的影响
Balb/c-nu小鼠皮下荷瘤实验(HCT116)结果显示,HK2过表达可明显促进皮下肿瘤的生长速度(
图8A),HK2过表达组皮下瘤重量和体积大于对照组(
P<0.05,
图8B、C)。
2.9 HK2调控JAK/STAT信号通路
GSEA分析证实,在TCGA的CRC数据中具有高HK2表达的CRC患者中,JAK/STAT信号通路显著富集(
图9A);Western blotting检测结果显示,与对照组相比,CT26与HCT116细胞HK2过表达组JAK/STAT信号通路中STAT3磷酸化水平均增加(
P<0.0001,
P<0.001,
图9B~E)。
2.10 HK2通过JAK/STAT影响结直肠癌细胞生物学行为
在过表达HK2的同时给予JAK/STAT3通路抑制剂Ganoderic acid A(GA)处理,将实验分为NC、OE和OE+GA组。Transwell实验显示,HK2过表达可以促进CT26和HC116细胞的迁移和侵袭能力(
P<0.05,
图10A、B、D)。但经GA处理抑制JAK/STAT3通路后过表达组CT26和HCT116细胞迁移和侵袭能力受到抑制(
P<0.05,
图10A~D)。CCK-8验证细胞增殖能力可得到相同趋势(
图10E、F)。
2.11 HK2表达与肿瘤免疫细胞浸润水平的相关性分析
MCPcounter和Timer结果均显示HK2的表达与浸润性免疫细胞显著相关。其中MCPcounter分析结果显示T细胞、B细胞、髓样树突状细胞、自然杀伤细胞和中性粒细胞与HK2的表达呈正相关。TIMER分析结果显示,B细胞、CD8T细胞、巨噬细胞、DC细胞和中性粒细胞与HK2的表达呈正相关(
图11)。
2.12 HK2表达与免疫检查点的相关性
HK2与免疫检查点相关性分析结果显示,HK2的表达与PDCD1等免疫检查点的表达呈正相关(
P<0.001,
图12A)。GSE147571数据库分析显示,HK2表达与免疫检查点HAVCR2正相关,并和T细胞杀伤指标IFN-γ负相关(
P<0.0001,
图12B)。同样在GSE104645数据库发现HK2表达与免疫检查点HAVCR2正相关(
P<0.0001,
图12B)。
3 讨论
本研究旨在探讨HK2基因在结直肠癌中的表达特征及其作用机制,通过生物信息学分析发现,HK2在结直肠癌组织中呈现上调表达,且其高表达与患者不良预后密切相关。在体外细胞实验及体内动物模型中,敲低HK2基因显著抑制结直肠癌细胞系HCT116和CT26的增殖、侵袭和迁移能力,并且调控了肿瘤免疫微环境。进一步研究表明,HK2的敲低可能通过影响JAK/STAT信号通路,进而抑制结直肠癌细胞的生物学行为。
HK2在调控细胞代谢和促进细胞增殖方面发挥着重要作用,并且可能与肿瘤的发生及进展密切相关。近年来,越来越多的研究证实了HK2在多种肿瘤中的关键作用,因此,HK2有望成为一种潜在的肿瘤生物标志物。研究发现HK2在前列腺癌中通过促进肿瘤细胞增殖,并保护细胞免受化疗引发的凋亡
[16]。HK2在肺癌中高表达,增强了肿瘤细胞的干性特性,进而促进了小细胞肺癌细胞的增殖
[17]。HK2在肝癌组织中上调,抑制了肝癌细胞的凋亡并促进其增殖,从而增强了肿瘤对放疗的抵抗力
[18]。然而,HK2在结直肠癌中的具体作用及其潜在机制尚不清楚。尚无研究深入评估HK2在结直肠癌中的表达特征、预后意义、潜在机制及其对肿瘤免疫微环境的影响。
本文首先通过TCGA、GTEx和GEO数据集对HK2的表达水平进行分析,发现HK2在结直肠癌的表达水平高于对照癌旁组织,并且其表达水平与患者预后呈负相关。通过免疫组化、RT-qPCR和Western boltting对8例CRC患者肿瘤及癌旁组织的分析进一步验证HK2在肿瘤中的高表达水平特点。因此我们提出,HK2可能是CRC不良预后的重要预测指标。
肿瘤细胞能够通过血管和淋巴管进行远处转移,或通过直接侵入邻近的组织结构而扩散至相邻的部位,这是肿瘤恶性进展的重要特征之一,也往往是导致多种癌症患者死亡的主要原因
[19, 20]。在临床实践中,由于结直肠癌细胞具有较强的迁移和侵袭性,因此患者常常在疾病的早期阶段便发生肝脏等重要器官的转移。这种早期的转移增加了治疗难度,导致术后5年生存率大幅降低,严重影响患者长期预后和生存质量
[21-23]。因此,如何有效控制肿瘤的转移成为改善结直肠癌患者预后的关键挑战之一。本研究首先在体外通过慢病毒转染的方式,分别获得HK2过表达和空白对照CRC细胞株,Transwell实验表明,HK2过表达组肠癌细胞的迁移和侵袭能力明显增强。CCK-8、平板克隆形成实验及体内皮下荷瘤实验均证实,与对照组相比,HK2过表达组的肠癌细胞增殖能力在体内体外均显著提升。这表明HK2与结直肠癌细胞的恶性生物学行为密切相关。
JAK-STAT信号通路是细胞增殖、分化、凋亡和免疫调控的关键信号通路之一,该通路在多种肿瘤中存在异常激活,进而促进肿瘤的进展
[24-27]。已有研究表明p-STAT3信号通路的激活可导致体内外CRC细胞增殖和转移增强
[28, 29]。在TCGA数据库中,HK2高低表达组间的KEGG分析显示,JAK-STAT信号通路显著富集。Western blotting分析显示,HK2过表达可提高CRC细胞中p-STAT3的表达水平,与先前报道一致。随后使用JAK/STAT3信号通路抑制剂处理肿瘤细胞,发现其可逆转HK2过表达所介导的促增殖、迁移和侵袭作用。
在肿瘤微环境中,肿瘤细胞高表达HK2,增加葡萄糖消耗,导致代谢竞争,使T细胞功能受限,免疫抑制加剧。此外,HK2与炎症信号通路(如NF-κB)相关,参与免疫调节和炎症反应;作为糖酵解的关键酶,HK2在免疫细胞功能调控、代谢重编程以及肿瘤微环境中的免疫抑制中起着重要作用,这些研究都表明,HK2与免疫微环境之间存在紧密联系
[30-32]。本研究发现过表达HK2的肿瘤免疫微环境中CD8
+ T细胞数量明显减少,此外通过生物信息学分析揭示了HK2与多种免疫细胞浸润和PDCD1等免疫检查点的表达具有相关性,这些均提示HK2亦可能通过调控肿瘤免疫微环境在CRC中发挥作用。
尽管本研究揭示了HK2在CRC发展中的重要作用及其可能的分子机制,但仍存在一些局限性。首先,本研究主要集中在HK2对CRC细胞增殖、迁移和侵袭的影响,而对其在肿瘤其他生物学功能中的作用未深入探讨。其次,本研究通过生物信息学分析揭示了HK2与免疫微环境的相关性,但这些结果仍需进一步实验验证,特别是在体内实验模型中的验证。同时,应探索HK2作为CRC治疗靶点的可能性,研究其在临床应用中的潜在价值。
综上所述,HK2基因在结直肠组织中高表达,与肿瘤预后密切相关。HK2可能通过激活JAK-STAT信号通路,增强结直肠癌细胞的增殖、迁移和侵袭能力,从而促进肿瘤进展。此外,HK2还与肿瘤浸润免疫细胞及免疫检查点有紧密关联。因此,HK2有望成为结直肠癌患者的潜在治疗靶点。