甲状腺癌是常见的内分泌系统疾病,甲状腺乳头状癌(PTC)和甲状腺滤泡状癌(FTC)均起源于滤泡上皮细胞,占甲状腺癌的95%以上,其中PTC最常见
[1]。目前,PTC的发病机制还未明确阐明
[2]。载脂蛋白C1(APOC1)是载脂蛋白C家族中的小分子蛋白,主要在肝脏表达,与高密度脂蛋白和极低密度脂蛋白代谢密切相关
[3],参与脂质运输、稳定脂蛋白结构
[4-6]。近年研究表明APOC1在肺癌
[7]、肝癌
[8]、肾癌
[9]、卵巢癌
[10]高表达。促进细胞增殖、迁移和侵袭;与结直肠癌细胞周期、凋亡密切相关
[11];胃癌中APOC1的表达与肿瘤直径、肿瘤分期和淋巴结转移相关
[12];并且乳腺癌患者血清APOC1水平高于健康人,其可作为乳腺癌的候选血清诊断生物标志物
[13]。JAK2/STAT3信号通路是细胞增殖过程中的关键通路,抑制该通路抑制细胞增殖、促进凋亡
[14]。课题组前期研究证实在PTC中APOC1与JAK2/STAT3信号通路相关
[15],然而,APOC1是否通过JAK2/STAT3信号通路对PTC细胞周期、凋亡和增殖能力产生影响未见报道。
本研究拟探讨APOC1在PTC中的表达及改变APOC1水平对PTC细胞增殖、凋亡及JAK2/STAT3信号通路的影响,以期为APOC1参与PTC进展的分子机制提供有关证据。
1 材料和方法
1.1 组织标本
PTC组织芯片(ThyP120C-S01,上海芯超有限公司),该芯片已通过伦理委员会批准(伦理批号:W2024145)。40例PTC组织和癌旁组织(距肿瘤边缘2 cm以上)由河北北方学院附属第一医院耳鼻咽喉头颈外科手术切除并提供。本实验经医院伦理委员会批准(伦理批号:W2024145),患者均已签署知情同意书。
1.2 细胞系及所需试剂
RPMI 1640培养基、胎牛血清(Gibco);Janus激酶(JAK)2抑制剂AG490(MCE);Lipofectamine 2000(赛默飞);shRNAC、shRNA1、shRNA2、shRNA3、OERNAC、OEAPOC1质粒(和元);逆转录试剂盒(天根);2×Realab Green PCR Fast mixture(兰博利德);实验相关引物(通用生物);Trizol(艾德莱);提蛋白试剂盒(普利莱);实验相关抗体(Affinity);细胞周期检测试剂盒(Elabscience);细胞凋亡检测试剂盒(APE×BIO);人甲状腺乳头状癌细胞株K1,TPC-1,BCPAP及人正常甲状腺细胞Nthyori 3-1细胞株(北纳创联研究院)。
1.3 细胞培养
将甲状腺癌细胞系K1,TPC-1,BCPAP及正常细胞系Nthyori 3-1取出复苏,分别用含有1%青、链霉素双抗、10%FBS的1640培养基培养,将其置于37 ℃恒温、5% CO2培养箱中孵育。待细胞汇合度达90%及以上,用胰酶将细胞消化1∶2传代。
1.4 细胞转染和分组
对APOC1表达量最高的TPC-1细胞进行沉默,APOC1表达量最低的BCPAP细胞进行增强。实验分为APOC1沉默对照组(shRNAC)、沉默组(shRNA1,shRNA2,shRNA3)、增强对照(OENC)、增强组(OE)、增强OE+AG490组(OE组的基础上用50 μmol/L JAK2抑制剂AG490处理24 h)。按照Lipofectamine 2000说明书进行操作,将shRNAC,shRNA1,shRNA2,shRNA3质粒转入TPC-1细胞;OENC,OEAPOC1质粒转入BCPAP 细胞。
1.5 Western blotting
按照提蛋白试剂盒说明书操作提取蛋白,BCA法测定蛋白浓度,根据需要加入合适体积的loading buffer,置于95 ℃金属浴变性10 min,-20 ℃保存。上样量为60 μg,依据目的蛋白相对分子质量大小,参照Marker说明书,在SDS-PAGE凝胶相应位置切胶,再转移到PVDF膜上,5%~10%脱脂奶粉封闭,磷酸化抗体则用磷酸化封闭液封闭。APOC1(1∶950),β-actin(1∶850),CDK4(1∶450),CyclinD1(1∶450),BCL-2(1∶450),Bax(1∶450),P21(1∶450),P27(1∶950),caspase-3(1∶450),caspase-9(1∶450),p-JAK2(1∶450),t-JAK2(1∶450),p-STAT3(1∶450),t-STAT3(1∶450)一抗4 ℃过夜,次日摇床复温30 min,二抗(1∶9000)孵育,显影。
1.6 免疫组化染色(IHC)
组织芯片烤片,二甲苯脱蜡,梯度酒精脱水,微波炉加热枸橼酸钠抗原修复液,高火3 min至修复液沸腾,解冻20 min保持沸腾状态,通风处30 min晾凉。PBS 5 min洗3次,3% H2O2室温孵育10 min,APOC1一抗(1∶100)稀释,4 ℃冰箱孵育过夜。第2天复温30 min,PBS充分洗净一抗,二抗(1∶4500)37 ℃孵育1 h,PBS 5 min洗3次。DAB显色,苏木素染细胞核,盐酸酒精分化,2%氨水返蓝,梯度酒精脱水,二甲苯透明,中性树胶封片。
1.7 免疫细胞化学染色(ICC)
胰酶消化K1,TPC-1,BCPAP,Nthyori 3-1细胞,细胞浓度调整至1×106/L,六孔板中放入灭菌的盖玻片,分别滴入600 μL细胞,置于细胞培养箱,待细胞贴壁后补齐至2 mL培养液。细胞密度达到80%后,PBS洗两次,4%多聚甲醛4 ℃固定过夜。PBS 5 min洗3次,Triton×100破膜15 min,PBS 5 min洗3次,3% H2O2室温孵育20 min,PBS 5 min洗3次,APOC1一抗(1∶100)稀释,4 ℃过夜。复温30 min,PBS 5 min洗3次,二抗(1∶4500)37 ℃孵育1 h,PBS 5 min洗3次。DAB显色,苏木素染核,盐酸酒精分化,2%氨水返蓝,梯度酒精脱水,二甲苯透明,中性树胶封片。
1.8 RT-qPCR
用Trizol法分别提取细胞总RNA,反转录为cDNA,以β-actin作为内参,按照试剂盒说明设置反应体系及条件。采用
方法计算内参及目的基因相对表达量(
表1)。
1.9 集落形成实验
取生长状态良好的沉默对照、沉默、增强对照及增强组的细胞各1000个,分别接种在六孔板,培养7~10 d,PBS洗2次,4%多聚甲醛固定15 min,去除固定液,姬姆萨染色30 min,流水洗去染液,空气干燥。拍照,计数大于50个细胞的集落团。
1.10 生长曲线
取对数生长期的沉默对照、沉默、增强对照及增强组的细胞,胰酶消化,计数,分别按照3×104/孔加入细胞,接种在96孔板,每组设置3个复孔,置于IncuCyte ZOOM 中培养,并每隔3 h实时拍照。每24 h对细胞进行换液,以保证细胞状态良好,待细胞长满,分析数据。
1.11 细胞周期
收集数量约为5×105/组,分为沉默对照、沉默、增强对照及增强组,1500 r/min,5 min离心,弃上清。加入1.2 mL无水乙醇与300 μLPBS的混合液,混匀后-20 ℃过夜。第2天1500 r/min,5 min离心,弃上清,加入1 mL PBS重悬,室温15 min。1500 r/min,5 min离心,弃上清,加入100 μL RNaseA充分混匀,37 ℃水浴30 min。加入400 μL PI(50 μg/mL)充分混匀,4 ℃避光30 min,立即上机,测488 nm处红色荧光。
1.12 细胞凋亡
取沉默对照、沉默、增强对照及增强组的细胞,使用不含EDTA的胰酶消化,收集细胞数量约为5×105/组,预冷的PBS洗涤细胞,1500 r/min,5 min离心,弃上清,将细胞重悬于500 μL 1×Binding Buffer中。加入5 μL Annexin V-Cy3和1 μL SYTOX Green轻轻混匀,4 ℃避光孵育20 min。立即用流式细胞仪检测,Annexin V-Cy3的荧光在发射波长570 nm的信号可以通过FL2通道检测;SYTOX Green最大激发波长为504 nm,最大发射波长为523 nm,可以通过FL1通道检测。
1.13 统计学分析
采用SPSS25.0软件以及GraphPad Prism 9.0 统计软件对实验数据进行分析。计量资料用均数±标准差表示,组间比较采用t检验或单因素方差分析。计数资料用频数表示,组间比较采用χ2检验。以P<0.05为差异有统计意义。
2 结果
2.1 生物信息学分析APOC1基因表达
与癌旁组织相比,APOC1在PTC组织中的表达水平上调,差异有统计学意义(
P<0.05,
图1A);利用Kaplan-Meier数据库分析APOC1 mRNA的表达与患者预后的关系,APOC1 mRNA低表达与较差的总生存期(OS)及无复发生存期(RFS)呈正相关(
P<0.001,
图1B、C)。
2.2 临床样本APOC1在PTC组织及癌旁组织的表达情况
Western blotting实验结果显示APOC1在40例PTC患者癌组织中的表达水平高于癌旁组织(
P<0.001,
图2)。
2.3 APOC1与临床病理参数的关系
IHC结果表明APOC1在PTC标本中的表达量较癌旁组织明显(
图3)。PTC患者APOC1的表达水平与性别、年龄无关;与肿瘤大小、临床分期及是否发生淋巴结转移成正相关,且差异具有统计学意义(
P<0.05,
图3、表2)。
2.4 免疫细胞化学检测APOC1在不同细胞系中的表达
APOC1阳性信号主要在胞浆表达,甲状腺癌细胞系K1,TPC-1,BCPAP的APOC1阳性信号明显高于正常细胞系Nthyori 3-1,其中TPC-1细胞APOC1表达最高,BCPAP最低(
图4)。
2.5 APOC1在不同细胞系中的表达
相较于正常细胞系Nthyori 3-1,甲状腺癌细胞系K1,TPC-1,BCPAP的APOC1表达上调,其中APOC1在TPC-1细胞中表达量最高,BCPAP细胞中表达量最低(
P<0.001,
图5)。
2.6 鉴定APOC1的沉默效率
选择APOC1表达最高的TPC-1细胞进行沉默,相较于shRNAC组、shRNA1组、shRNA2组、shRNA3组APOC1基因表达的蛋白及mRNA表达水平均下调,尤其shRNA1组和shRNA2组基因敲减效果更好,差异具有统计学意义(
P<0.05,图
6、
7),所以我们选择shRNA1和shRNA2片段进行后续实验。
2.7 鉴定APOC1的增强效率
选择APOC1表达最低的BCPAP细胞进行增强,与OENC组相比,OE组表现出良好的基因增强效果,差异具有统计学意义(
P <0.01,
图8)。
2.8 APOC1对甲状腺乳头状癌TPC-1及BCPAP细胞增殖的影响
集落形成实验结果表明,shRNA1组和shRNA2组比shRNAC组细胞克隆数量减少,单个细胞成活率降低;相比OENC组,OE组细胞克隆形成能力增强(
P<0.001,
图9A~D)。生长曲线数据显示,与shRNAC组相比,沉默APOC1后,shRNA1组和shRNA2组在铺板后的36 h生长速率出现差异,108 h时最明显;增强APOC1后,OE组BCPAP细胞生长速率加快,高于OENC组,108 h时最明显(
P<0.05,
图9E~H)。
2.9 APOC1对甲状腺乳头状癌TPC-1及BCPAP细胞周期的影响
shRNA1组和shRNA2组G0/G1期细胞比例高于shRNAC组,而S期和G2期细胞比例低于shRNAC组;OE组G0/G1期细胞比例低于OENC组,S期和G2期细胞比例高于OENC组(
P<0.05,
图10)。
2.10 APOC1对甲状腺乳头状癌TPC-1及BCPAP细胞凋亡的影响
流式细胞术结果显示,相比shRNAC组,shRNA1组和shRNA2组细胞凋亡率增加;OE组细胞凋亡率小于OENC组,差异具有统计学意义(
P<0.01,
图11)。
2.11 APOC1的水平对细胞周期、凋亡蛋白及mRNA的影响
相比shRNAC组,shRNA1组和shRNA2组CDK4,CyclinD1,BCL-2蛋白和mRNA表达量下调;P21,P27,Bax,caspase-3/caspase-9蛋白和mRNA表达上调(
P<0.05)。OE组CDK4,CyclinD1,BCL-2蛋白和mRNA表达量高于OENC组;P21,P27,Bax,caspase-3/caspase-9蛋白和mRNA表达量低于OENC组,差异具有统计学意义(
P<0.05,
图12)。
2.12 APOC1的表达对JAK2/STAT3信号通路的影响
shRNA1组和shRNA2组p-JAK2/t-JAK2,p-STAT3/t-STAT3比值小于shRNAC组(
P<0.001,
图13A、B);OE组和OE+AG490组p-JAK2/t-JAK2,p-STAT3/t-STAT3比值大于OENC组(
P<0.01,
图13C、D),50 μmol/L AG490处理OE组24 h后,JAK2/STAT3信号通路部分被阻断,OE+AG490组部分抑制了过表达APOC1上调JAK2/STAT3磷酸化水平的效应(
图13D)。
3 讨论
PTC作为第7大常见癌症,威胁人民健康
[16]。由于影像及活检等检查手段的推广普及,PTC检出率大幅提升
[17, 18],过度诊断及治疗会引起严重经济负担
[19]。寻找并确定新的分子靶点对甲状腺癌的诊断和预后十分必要。
本研究GEPIA 2数据库显示,PTC组织中APOC1基因高表达。为确定APOC1在PTC中的临床意义,58对PTC及癌旁组织的IHC结果显示,APOC1在PTC组织中高表达且APOC1与PTC患者的肿瘤大小、临床分期、淋巴结转移呈正相关,说明APOC1高表达参与PTC进展。然而,APOC1在PTC中的作用机制尚不明确。
细胞增殖在机体组织修复和代谢过程中发挥着重要作用,而慢性炎症、免疫缺陷和致癌病毒感染等可导致细胞失去正常调控,发展成恶性肿瘤
[20]。为明确APOC1在PTC中的作用,本研究构建了沉默与过表达细胞模型。生长曲线和集落形成实验显示沉默组36h生长速率出现差异,且108 h差异明显,细胞增殖能力减弱、克隆形成能力下降;流式细胞术显示G0/G1期细胞比例增加,S期及G2期细胞比例下降,细胞周期明显阻滞于G0/G1期。细胞周期由G0/G1期、S期、G2期和M期组成,细胞周期调控有2个重要的检查点:G1/S期和G2/M期检查点:CyclinD1-CDK4是G1期重要的调控蛋白,控制细胞由G1期进入S期,加快周期进程
[21]。P21,P27为细胞周期蛋白依赖性激酶(CDKs)的抑制因子,抑制CDKs活性调控细胞周期,阻断细胞由G1期进入S期,细胞周期受到阻滞,抑制肿瘤进展
[22]。本研究中Western blotting实验结果显示,沉默组CyclinD1,CDK4蛋白表达下调,P21,P27蛋白表达上调导致细胞周期阻滞于G0/G1期,增殖能力下降;增强组CyclinD1,CDK4蛋白表达上调,P21,P27蛋白表达下调。生长曲线、集落形成和细胞周期结果与沉默组相反,G0/G1期缩短,细胞周期进程加快。可见,APOC1通过调节周期相关蛋白促进细胞增殖。但APOC1在胆管癌中起到负性调控的作用,通过下调β-catenin抑制Wnt/β-catenin 信号通路,周期相关蛋白CDK2,CDK4,CyclinD1表达下调;P21上调,使胆管癌细胞阻滞于G0/G1期,抑制细胞增殖
[23]。
凋亡失调时,肿瘤细胞逃脱免疫系统的监视,促进其恶性增殖和转移
[24]。为明确APOC1对细胞凋亡的影响,本研究中流式细胞术结果显示细胞凋亡率增加;过表达组细胞凋亡受抑制。BCL-2家族在线粒体凋亡途径中不可忽视,BCL-2表达上调,与Bax形成异源二聚体,线粒体中细胞色素C释放抑制,凋亡受到阻滞;而Bax表达上调时,与BCL-2形成同源二聚体,结合线粒体膜上的通道增加其通透性,Cytochrome C释放增加,促进细胞凋亡
[25]。Caspase-3和caspase-9是caspase家族中的关键酶,其中caspase-9是凋亡途径中的启动子,通过与Cytochrome C,凋亡因子1(Apaf-1)结合形成复合体启动凋亡过程,进而激活细胞凋亡执行者caspase-3
[26]。本研究中,APOC1沉默组Bax,caspase-3,caspase-9蛋白表达上调,BCL-2蛋白表达下调;诱导细胞凋亡;增强组与之相反,Bax,caspase-3/caspase-9蛋白表达下调,BCL-2蛋白表达上调,凋亡率下降。可见,APOC1可能通过线粒体途径抑制PTC细胞凋亡。与APOC1增强结直肠癌
[11]、胰腺癌
[27]和肝癌
[28]增殖能力,抑制凋亡的研究结果一致。且结直肠癌中APOC1通过激活p38 MAPK信号通路上调CyclinD1,CyclinB1,BCL-2下调caspase-9促进细胞增殖且抑制凋亡
[11]。本研究中,APOC1通过线粒体途径抑制细胞凋亡,促进PTC进展。
APOC1可以靶向线粒体载体蛋白2(MTCH2)上调Bax,caspase-3表达,下调BCL-2促进骨肉瘤的进展
[29]。肝癌中APOC1下调能抑制p-ERK、p-AKT、Bcl-2蛋白表达和促进cleaved caspase-3蛋白表达, 抑制肝癌细胞增殖,诱导其凋亡
[28]。食管癌中,APOC1上调c-Raf激活MAPK/ERK信号通路,CyclinD1表达量增加促进食管癌细胞增殖
[30]。Western blotting结果表明,OE组JAK2、STAT3磷酸化水平升高,p-JAK2/t-JAK2,p-STAT3/t-STAT3比值升高;OE+AG490组JAK2、STAT3磷酸化水平降低,p-JAK2/t-JAK2,p-STAT3/t-STAT3比值减小,反转了OE-APOC1对JAK2/STAT3信号通路激活的效应。沉默APOC1后,JAK2、STAT3磷酸化和关键蛋白表达被抑制。与课题组前期研究和国外多位学者关于抑制JAK2/STAT3信号通路激活,JAK2、STAT3磷酸化水平降低,减弱增殖能力、减少炎症和诱导凋亡结果一致
[15, 31-33]。JAK2/STAT3信号通路参与炎症反应
[34]并且在肿瘤细胞耐药性
[35]、细胞增殖
[36]和细胞凋亡
[37]中起着关键作用,从而增强肿瘤的恶性生物学行为
[38]。JAK2/STAT3信号通路在胃癌中被过度激活,促进关键蛋白p-JAK2,p-STAT3表达,增强胃癌细胞的增殖能力并抑制凋亡
[39]。此外,激活JAK2/STAT3信号通路可引起免疫抑制甚至免疫逃逸
[40],从而有助于肿瘤迁移
[41]和侵袭
[42]。
综上所述,本研究证实APOC1在PTC中高表达,参与疾病进展与患者不良预后相关,其机制可能是通过调控JAK2/STAT3信号通路从而影响PTC细胞增殖和凋亡。但是,本研究仍然存在一定局限性。由于只做体外细胞学实验,没有涉及动物实验,缺乏严谨性,后续研究会补充缺失部分,为PTC的诊断和治疗提供新的靶点。