国家癌症中心发布的最新数据显示,肿瘤仍然是我国的重大公共卫生问题
[1]。针对多种癌症,如黑色素瘤、肺癌和淋巴瘤,免疫疗法已被证明是一种较为有效的治疗手段
[2-4]。然而,并非所有患者都能从免疫治疗中受益,个体间的反应差异显著
[5]。因此,迫切需要探索新的生物标志物,以开发个性化治疗策略,提高治疗效果。靶基因的泛癌研究对揭示不同癌症类型中的分子异常及潜在关联具有重要意义
[6]。这不仅有助于深入理解靶基因的病理功能及其机制,还能为特定癌症的发生、发展及治疗反应提供理论依据。
Holliday交叉识别蛋白(HJURP)作为着丝粒蛋白A发挥作用的关键调控因子,在染色体结构稳定性维持过程中起着至关重要的作用。2007年首次发现
HJURP在非小细胞肺癌中的表达显著上调,倍数大于5
[7]。随后一系列研究表明,
HJURP功能的缺失可能导致肿瘤的进一步发生和恶化
[8]。
HJURP在多种恶性肿瘤中均表现出高表达状态,包括非小细胞肺癌
[9]、结直肠癌
[10]、胰腺癌
[11]、膀胱癌
[12],并且影响肿瘤细胞的增殖、周期、凋亡、迁移及侵袭等多项生物学过程。
HJURP还被认为是一些癌症的关键基因,如非小细胞肺癌
[13]、肝细胞癌
[14]、乳腺癌
[15],并可作为预测肺癌脑转移
[16]及乳腺癌放疗敏感性
[15]的指标。尽管目前已有关于
HJURP在人类癌症中功能的初步研究,但其泛癌分析尚未深入展开。因此,对
HJURP进行泛癌分析以了解其主要的病理功能和机制,并探讨其在肿瘤微环境中的作用及其在抗肿瘤免疫治疗中的分子机制,具有重要的临床研究价值。
本研究通过生物信息学分析及体外实验探讨HJURP在各种癌症中的作用及其潜在分子机制。研究结果显示,HJURP不仅在KIRC中高表达,而且可作为预测KIRC患者预后的重要生物标志物,具有潜在的临床应用价值。
1 材料和方法
1.1 HJURP在泛癌中的表达
基于UCSC Xena(
https://xena.ucsc.edu)获得癌症基因组图谱(TCGA)数据,分析泛癌中
HJURP mRNA水平。考虑到TCGA中正常样本数量较少,将基因型-组织表达(GTEx)数据库中的正常组织数据与TCGA肿瘤组织数据相结合,分析
HJURP在癌组织和邻近组织中的差异表达。
1.2 HJURP表达与肿瘤患者预后的相关性
采用单因素生存分析法评估HJURP在泛癌中的表达与患者总生存期(OS)的相关性。考虑到随访期间非肿瘤死亡的可能性,同时分析泛癌中HJURP表达与预后疾病特异性生存(DSS)、无进展间隔(PFI)和无疾病间隔(DFI)之间的关系。
1.3 HJURP表达与临床肿瘤分期的关系
通过SangerBox在线软件(sangerbox.com/home.html)中的泛癌分析模块
[17],分析泛癌中
HJURP表达与临床TNM分期、Stage分期的相关性。
1.4 HJURP表达与免疫细胞浸润之间的关系
使用TIMER 2.0数据库(
https://cistrome.shinyapps.io/timer/)中肿瘤免疫浸润相关性模块
[18],分析基因
HJURP与每个肿瘤中浸润的免疫细胞类型(B细胞、CD4
+ T细胞、CD8
+ T细胞、中性粒细胞、巨噬细胞、树突状细胞)之间的相关性,以热图的形式呈现。利用R软件包ESTIMATE(version 1.0.13),根据基因表达计算每个肿瘤样本的基质评分、免疫评分和ESTIMATE评分
[19]。
1.5 HJURP表达及其与肾透明细胞癌(KIRC)临床进展的关系
从UCSC Xena获得KIRC病例和正常对照的数据,对肿瘤样本进行TNM分期和stage分期匹配
[20],分析其关系。
1.6 KIRC中HJURP的相关基因分析及GO功能分析
通过LinkedOmics数据库(
http://linkedomic.org/)获得KIRC中与
HJURP相关的基因
[21]。在此基础上,利用该数据库对KIRC中的
HJURP基因进行基因本体论(GO)功能分析。
1.7 免疫组织化学检测
KIRC的临床癌组织和癌旁组织收集于延安大学附属医院。石蜡切片常规脱蜡,抗原修复并冷却至室温后,3%过氧化氢敷育10 min以消除内在过氧化物酶活性。牛血清白蛋白室温30 min封闭后,滴加一抗(抗人HJURP,1∶50),4 ℃孵育过夜。磷酸盐缓冲液(PBS)洗涤后滴加二抗,室温孵育30 min。PBS冲洗后行二氨基联苯胺显色和苏木素复染。梯度无水乙醇脱水,二甲苯透明,中性树胶封片。PBS代替一抗作为阴性对照。切片由两位病理专家在光学显微镜下独立审查。
1.8 细胞实验
1.8.1 主要试剂
免疫组织化学试剂盒(北京中杉金桥生物技术有限公司),RPMI 1640培养基、McCoy's 5A培养基、胎牛血清(FBS)(Biolnd)。Polyplus 脂质体转染试剂(上海泽迈生物技术有限公司),RNA 提取试剂Trizol (Invitrogen)。逆转录试剂盒和实时定量PCR试剂盒(全氏金公司),CCK-8试剂(陶术生物),Transwell小室(Millicell),BCA 蛋白定量试剂盒(陕西先锋生物有限公司),抗体HJURP 、CyclinE1、CDK4、CyclinD1、E-cadherin、N-cadherin、Vimentin、MMP2(Proteintech),CDK2抗体(成都正能生物技术有限公司),β-actin抗体(SANTA CRUZ)。
1.8.2 细胞培养
KIRC细胞系(786-O和Caki-1)和人肾小管上皮细胞系(HK-2)由西安交通大学医学部环境与疾病相关基因教育部重点实验室惠赠。786-O和HK-2细胞在含有10% FBS和1%青霉素/链霉素的RPMI 1640培养基中培养。Caki-1细胞在有15% FBS和1%青霉素/链霉素的McCoy's 5A 培养基中培养。所有细胞系的培养条件为:37 ℃、5% CO2的培养箱。
1.8.3 HJURP siRNA 合成、转染
设计特异针对HJURP基因的siRNA序列由上海吉玛公司合成,序列如下:HJURP siRNA-1 sense:5'-AGUCGUAUCUCCA GAAAGATT-3',antisense:5'-UCUUUCUGGAGAUA CGACUTT-3';HJURP siRNA-2 sense:5'-GGAGAGA ACACGUCUUACATT-3',antisense:5'-UGUAAGAC GUGUUCUCUCCTT-3';HJURP siRNA-3 sense:5'-C GACUCCAGUGCAACAUAUTT-3',antisense:5'-AU AUGUUGCACUGGAGUCGTT-3';siNC sense,5'-UU CUCCGAACGUGUCACGUTT-3',antisense,5'‑ACG UGACACGUUCGGAGAATT-3'。转染前更换培养基,采用Polyplus转染法将siRNA(30 nmol/L)转入KIRC细胞中,并设置相应的对照组。
1.8.4 RNA提取、cDNA合成、qRT-PCR
Trizol试剂用于提取KIRC细胞的总RNA,逆转录试剂盒将总RNA逆转录为cDNA,同时使用qPCR试剂盒(SYBR 法)行扩增HJURP基因。qPCR的条件为:初始变性94 ℃ 30 s;94 ℃ 5 s,退火60 ℃ 15 s,延伸72 ℃ 10 s,40个循环。引物由擎科生物合成,引物序列如下:HJURP上游,5'-A GTGCCTTTATGTATTGGAG-3';HJURP下游,5'-AA GTGAGGGTCTGGATTTA-3';GAPDH上游,5'-TGA AGGTCGGAGTCAACGGATT-3';GAPDH下游,5'-C CTGGAAGATGGTGATGGGATT-3'。HJURP mRNA 的相对表达量采用2-ΔΔCt 法进行量化,并用内参基因GAPDH进行归一化。
1.8.5 Western blotting
提取细胞的蛋白裂解液,用BCA法测定各组蛋白质浓度。分别取20 μg蛋白样品经SDS-PAGE电泳后转至PVDF膜,与特异性一抗孵育,4 ℃过夜。洗膜后与二抗室温孵育1 h,洗膜后与化学发光剂作用并曝光。
1.8.6 CCK-8实验
将KIRC细胞接于96 孔板中,每组设5个复孔,37 ℃、5% CO2培养箱中培养24 h后进行转染。分别于0、24、48、72 h加入10 μL/孔 CCK-8试剂,于37 ℃孵育2 h,酶标仪测定吸光度A450 nm。
1.8.7 细胞克隆形成实验
将转染24 h的KIRC细胞接种于6孔板中,置于37 ℃、5% CO2培养箱中培养7~10 d。用PBS冲洗细胞2次,4%多聚甲醛固定30 min,0.1%结晶紫染色30 min,冲洗、干燥并拍照。
1.8.8 细胞周期实验
将转染24 h的KIRC细胞用无EDTA胰酶消化并收集。使用PBS进行清洗,离心1000 r/min, 5 min,以上步骤重复2次,均弃上清液。用70%的乙醇在4 ℃条件下固定、过夜。固定完成后离心1000 r/min, 10 min。再用PBS清洗2次,加入150 μL核糖核酸酶和150 μL碘化丙啶避光在室温下孵育15 min。通过流式细胞仪对细胞样品进行检测。
1.8.9 细胞划痕实验
将KIRC细胞接种于6孔板中,于37 ℃、5% CO2培养箱中培养24 h后进行转染,继续培养6 h后用200 μL移液嘴尖垂直划线,PBS冲洗2次,更换为含1% FBS的培养液继续培养(此时记为0 h),分别于0、24、48 h拍照。
1.8.10 Transwell迁移实验
将转染24 h的KIRC细胞接种于上室(含1% FBS 培养液),下室为600 μL含10% FBS的培养液,37 ℃、5% CO2 培养箱中培养 48 h。4%多聚甲醛固定20 min,0. 1%结晶紫染色30 min,采用湿拍法进行拍照。
1.9 统计学分析
用SPSS 26.0和GraphPad Prism 8.0进行统计分析。计量数据表示为均数±标准差,两组间比较采用独立样本t检验,使用单因素方差分析及事后检验进行多组数据比较。P<0.05为差异具有统计学意义。所有实验均独立重复3次。
2 结果
2.1 HJURP在泛癌中的表达
与癌旁组织相比,
HJURP在包括KIRC的26种癌组织中表达升高(
P<0.05,
图1A)。将GTEx数据库中的正常组织数据与TCGA肿瘤组织数据相结合,分析显示与上述结果一致(
图1B)。
2.2 HJURP表达与泛癌预后的相关性
结果显示,在KIRC、肾乳头状细胞癌(KIRP)、肝细胞癌(LIHC)、肺腺癌(LUAD)、前列腺癌(PRAD)中
HJURP表达水平越高,患者的生存期越短、预后越差(
图2)。
2.3 HJURP表达与临床病理特征的关系
对于T分期,
HJURP在宫颈鳞癌和腺癌、KIRP、PRAD、KIRC、LIHC、胰腺癌、肾上腺皮质癌(ACC)的较高T分期中表达较高,而在LUAD、乳腺浸润癌(BRCA)、膀胱尿路上皮癌的较高T分期中表达较低(
P<0.05,
图3A)。对于LUAD、BRCA、KIRP、PRAD、头颈鳞状细胞癌、KIRC、甲状腺癌淋巴结转移患者中
HJURP表达高于无淋巴结转移患者(
P<0.05,
图3B)。KIRP、KIRC和ACC有远处转移的患者中
HJURP表达高于无远处转移的患者,而在睾丸癌有远处转移的患者中
HJURP表达低于无远处转移的患者(
P<0.05,
图3C)。
HJURP在LUAD、KIRP、KIRC、甲状腺癌、睾丸癌、ACC和肾嫌色细胞癌患者晚期阶段高表达,在BRCA、LIHC、胰腺癌和卵巢浆液性囊腺癌患者晚期阶段低表达(
P<0.05,
图3D)。
2.4 HJURP表达与免疫细胞浸润之间的关系
免疫细胞分析结果显示,仅在KIRC中,HJURP表达与浸润的B细胞、CD4+ T细胞、CD8+ T细胞、中性粒细胞、巨噬细胞、树突状细胞均呈正相关(图4A)。HJURP表达与KIRC和THCA中的基质评分、免疫评分和Estimate评分呈正相关(图4B),但与ACC、CESC、食管癌、多形成性胶质细胞瘤、LUAD、肺鳞癌、卵巢浆液性囊腺癌、肉瘤、黑色素瘤、胃癌和子宫内膜癌中的基质评分、免疫评分和Estimate评分呈负相关(图4C)。
2.5 HJURP表达与KIRC临床病理特征及预后的相关性
与对照组相比,肿瘤组织中
HJURP表达的升高与KIRC患者的临床TNM分期和Stage分级呈正相关(
P<0.05,
图5A~D)。
HJURP与临床肾癌患者的生存期的相关性分析显示,
HJURP与患者的OS、DSS、PFI呈负相关(
P<0.0001),与DFI无相关性(
P>0.05,
图5E~H)。
2.6 KIRC中HJURP相关基因分析及其潜在的功能和分子途径
通过LinkedOmics数据库获得 KIRC中
HJURP的相关基因(
图6A)。其中,
KIF18B、
TPX2、
AURKB等基因与
HJURP呈正相关(
图6B);
NR3C2、
NDRG2等基因与
HJURP呈负相关(
图6C)。GO功能分析结果显示(
图6 D),
HJURP在生物学过程中主要富集于生物调节和代谢过程等;其基因产物在行使功能时所处细胞成分主要富集于细胞膜与细胞核等;该基因的分子功能主要富集于蛋白质结合和离子结合等。
2.7 KIRC中HJURP表达和功能的验证
免疫组织化学结果显示,与癌旁正常组织相比,HJURP在KIRC癌组织中表达升高(
图7A)。Western blotting和qRT-PCR检测发现,与人肾皮质近曲小管上皮细胞HK-2相比,HJURP在KIRC细胞系(786-O和Caki-1)中蛋白质和mRNA水平表达升高(
P<0.001,
图7B、C)。Western blotting和qRT-PCR验证实验显示了在KIRC细胞系(786-O和Caki-1)中的敲低效率(
图7D、E),故选择siHJURP-1和siHJURP-2进行后续实验。
2.8 沉默HJURP体外抑制KIRC细胞的增殖和迁移
CCK-8实验结果显示,沉默
HJURP抑制KIRC细胞的增殖(
图8A)。细胞克隆形成实验结果表明,沉默
HJURP减少786-O细胞和Caki-1细胞的克隆数量(
P<0.001,
图8B)。流式细胞仪检测结果显示,沉默
HJURP使786-O和Caki-1细胞中G0/G1期细胞比例增多。Western blotting结果显示,沉默
HJURP使G0/G1期细胞周期相关蛋白质CDK4、Cyclin D1表达下调(
P<0.01,
图8C~E)。结合前面细胞活力的结果,可以得出沉默
HJURP使786-O和Caki-1细胞周期阻滞于G0/G1期。细胞划痕实验和Transwell迁移实验显示,沉默
HJURP抑制肾透明细胞癌细胞的迁移能力(
图8F、G)。与对照组相比,转染siHJURP 组E-cadherin表达升高,而N-cadherin、MMP2、Vimentin表达量均下调(
图8H)。
3 讨论
HJURP是一种高度特化的有丝分裂蛋白,同时也是组蛋白H3的伴侣蛋白
[22]。本研究系统探讨了
HJURP在肿瘤中的综合作用,通过整合不同生物信息学平台分析了
HJURP在不同肿瘤中的差异表达、预后意义及其与临床病理分期和免疫浸润之间的关系,结果提示,
HJURP在KIRC的疾病进展和免疫治疗中发挥重要作用。此外,本研究通过生物信息学分析、细胞实验以及组织水平验证发现
HJURP在KIRC中呈高表达状态;利用小干扰RNA靶向沉默
HJURP,体外实验结果显示沉默
HJURP抑制KIRC细胞的增殖和迁移。这为进一步研究
HJURP作为KIRC潜在治疗靶点提供了依据。
基因表达分析有助于寻找对广谱癌症诊断有用的生物标志物。已有多项研究证实
HJURP在多种癌症中高表达,包括非小细胞肺癌
[9]、结直肠癌
[10]、胰腺癌
[11]、膀胱癌
[12]、肝细胞癌
[23]、胆管癌
[24]。本研究进一步表明,在TCGA数据集中,
HJURP mRNA水平在所有类型的癌症中均表现出异常升高,与已有研究结果
[25]一致。此外,本研究分析发现,
HJURP的高表达预示KIRC、KIRP、LIHC、LUAD、PRAD患者的预后较差。特别是在KIRC和KIRP中,
HJURP的高表达与更高的T分期、淋巴转移、远处转移以及晚期临床分期显著相关。这提示
HJURP在肿瘤预测和诊断中的应用中具有重要潜力,尤其在KIRC和KIRP的疾病进展中发挥了关键作用。
免疫细胞是肿瘤微环境的重要组成部分,其浸润极大地影响了肿瘤细胞的生长和转移
[26]。HJURP高表达与肝癌中的肿瘤浸润免疫细胞、免疫检查点和免疫抑制密切相关
[27]。因此,我们针对
HJURP的泛癌免疫浸润进行了评估,结果发现
HJURP与多种免疫细胞的浸润具有关联性。在KIRC中,
HJURP表达与B细胞、CD4
+ T细胞、CD8
+ T细胞、中性粒细胞、巨噬细胞、树突状细胞的浸润均呈正相关,与ESTIMATE评分也呈正相关。这些结果提示
HJURP可能是KIRC患者预后的潜在治疗靶点和新型的生物标志物。
基于此,我们进一步分析了
HJURP在KIRC中的具体作用。结果显示,
HJURP的高表达与KIRC患者的TNM分期和Stage分级呈显著正相关,且与OS、DSS、PFI呈负相关。有研究同样发现
[25],
HJURP高表达与KIRC患者的T分期、淋巴结转移、远端转移、临床分期和组织病理学分级显著相关,并且
HJURP高表达的患者表现出较低OS,这与本研究结果相符。此外,我们还发现
HJURP相关的通路主要富集在细胞周期相关途径。相关基因分析表明,
HJURP与
KIF18B、
TPX2、
AURKB基因显著正相关,而这些基因均与细胞增殖密切相关
[28-31]。其中,
KIF18B在乳腺癌和食管鳞状细胞癌中均表达上调,分别通过TRIP13/CDCA8介导Wnt/β-catenin信号通路和mTORC1信号通路促进癌细胞的增殖、迁移和侵袭;
TPX2则能够促进神经母细胞瘤的细胞增殖;
AURKB在膀胱癌中通过激活
MAD2L2并下调p53 DNA 损伤反应通路,推动癌症进展。本研究同样发现,
HJURP在KIRC中高表达,沉默
HJURP体外抑制KIRC细胞的增殖和迁移,推测
HJURP可能通过正向调控这些基因共同参与KIRC细胞的增殖和周期调控,该假设有待进一步实验证实。
综上所述,HJURP在包括KIRC在内的多种肿瘤中高表达,并表现出作为关键调节因子的潜力。特别是在KIRC中,HJURP的高表达与患者预后较差、临床分期升高和免疫细胞浸润增强密切相关。此外,HJURP还促进了KIRC细胞的增殖和迁移。因此,HJURP有望成为KIRC的潜在生物标志物及新的抗癌治疗靶点,为今后的临床诊断和治疗提供了新的方向。