头颈部鳞状细胞癌(head and neck squamous cell carcinoma,HNSCC)是全球第七大常见恶性肿瘤,年发病人数超过50万
[1]。HNSCC患者的病死率较高,为近50%
[1]。HNSCC包括多个解剖部位的鳞状上皮恶性肿瘤,其中口腔鳞状细胞癌(oral squamous cell carcinoma,OSCC)是最常见的亚型,也是最具侵袭性和致死性的肿瘤之一
[2]。目前,手术和放化疗仍是OSCC的主要治疗手段
[3],但患者术后复发率和转移风险依然较高,晚期患者5年生存率仅为30%;超过20%的患者确诊时已发生区域淋巴结转移或局部进展期疾病,严重影响患者的预后
[4]。
近年来,选择性靶向异常信号分子[如表皮生长因子受体家族(epidermal growth factor receptors,EGFRs)等]以治疗肿瘤的新型治疗方法正在逐渐兴起
[5-6]。然而,这些疗法的有效性受到基因不稳定性、信号传导失衡或药物毒性等因素的限制,疗效有限
[7-9]。因此,深入解析OSCC的分子病理机制对发现新靶点、开发新的靶向治疗策略具有重要意义。
G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptors,GPCRs)是7次跨膜蛋白的大家族,其异常表达与多种肿瘤的发生和进展密切相关。GPCRs类靶点已广泛应用于药物研发,目前约34%的美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,FDA)批准药物为GPCRs靶点药物
[10-12]。先前研究
[13]显示,GPCRs在OSCC中的异常表达可能通过激活Yes 相关蛋白(Yes-associated protein,YAP)/具有PDZ结合基序的转录共激活因子(transcriptional coactivator with PDZ-binding motif,TAZ)通路促进肿瘤进展,如GPR39在OSCC中的作用;多种GPCRs在OSCC中显著高表达,其中3种5-羟色胺受体(5-hydroxytryptamine receptor,HTR)家族成员(HTR2C、HTR1D、HTR7)在OSCC中表达显著上调,且HTR2C的表达上调最为明显。值得注意的是,HTR2C的激动剂盐酸氯卡色林曾于2012年被FDA批准用于身体质量指数(body mass index,BMI)≥27 kg/m²的超重或肥胖患者以减少食物摄入,但后续发现其可能与癌症发病风险增加相关,已于2020年撤市
[14-15]。HTR2C的长期异常表达或激活可能与肿瘤的发生和进展相关。既往研究
[16-20]发现,在乳腺癌、结直肠癌和肝细胞癌中存在HTR2C的异常高表达,并通过不同的分子机制促进肿瘤的恶性进展,但HNSCC(包括OSCC)中尚无相关报道。基于本团队的前期研究结果,笔者提出假说,OSCC中HTR2C的异常高表达可能通过某种分子机制,调控肿瘤细胞的增殖和转移。
YAP/TAZ信号通路已被证实在多种恶性肿瘤中异常激活
[21]。GPCRs可通过其偶联的Gα蛋白调控YAP/TAZ的激活,并以依赖或非依赖Hippo信号通路的方式发挥作用。在本研究中,笔者假设HTR2C通过Gα
q/11介导的YAP信号通路激活,调控OSCC细胞的生长、迁移和侵袭。为验证这一假设,本研究首先探讨了HTR2C在OSCC中的表达特点以及其与临床预后指标的相关性,其次通过体外实验分析下调HTR2C的表达对OSCC细胞增殖、迁移和侵袭的影响,并进一步解析HTR2C调控OSCC细胞生物学行为的分子机制。最后,笔者在裸鼠OSCC移植瘤模型中初步验证了HTR2C对OSCC生长的调控作用。
1 材料和方法
1.1 数据库分析
为评估HTR2C在OSCC中的表达水平及其与患者预后的关系,本研究利用癌症基因组图谱(the cancer genome atlas,TCGA)数据库进行分析。从TCGA数据库获取342例OSCC和32例正常口腔组织的信使RNA(messenger RNA,mRNA)表达数据,分析HTR2C表达水平差异。结合随访数据,绘制Kaplan-Meier生存曲线,比较HTR2C高/低表达组的生存差异。
1.2 临床样本
使用国家人类遗传资源共享服务平台的OSCC组织芯片(芯片编号:HOraC060PG01)。样本包括46例术前未经局部或全身化疗、放疗及靶向治疗的OSCC患者及5例配对正常组织(距肿瘤边缘5 cm)。
1.3 免疫组织化学(immunohistochemistry,IHC)
将临床样本、动物实验中收集的肿瘤组织进行组织包埋、切片。石蜡切片(4 µm)经脱蜡、水化、抗原修复后,临床样本用HTR2C、YAP一抗,动物肿瘤组织用YAP、Ki67一抗,4 ℃孵育过夜,二氨基联苯胺(3,3'-diaminobenzidine,DAB)显色,显微镜下观察结果。半定量评分系统评估染色强度(0分:阴性,1分:弱阳性,2分:中等阳性,3分:强阳性),如
图1所示。
1.4 苏木精-伊红(hematoxylin and eosin,HE)染色
将动物实验中收集的心、肝、脾、肺、肾组织进行组织包埋、切片,石蜡切片经脱蜡、水化后用HE染色。切片经0.1%盐酸乙醇分色后用伊红复染,并在梯度乙醇脱水、二甲苯透明后封片,显微镜下观察组织形态。
1.5 细胞培养
OSCC细胞系(HN12、Cal27、UM1、HN4)购自美国ATCC细胞库,在含10%胎牛血清和1%抗生素的杜氏改良Eagle培养基(Dulbecco̓s modified Eagle medium,DMEM)中培养。为研究HTR2C在OSCC细胞中的生物学功能,本研究使用HTR2C敲低慢病毒感染HN12和UM1细胞,构建HTR2C敲低稳转株,构建好的细胞系分为对照组(Ctrl)和敲低组(sh1、sh2)。
1.6 蛋白质印迹(Western blot,WB)
本研究通过WB检测多种细胞中HTR2C等蛋白表达情况。分别收集OSCC细胞、HTR2C敲低及对照的HN12和UM1细胞、Puerarin处理后的HN12和UM1细胞蛋白,用放射免疫沉淀法(radio immunoprecipitation assay,RIPA)裂解缓冲液提取OSCC细胞蛋白,二喹啉甲酸蛋白定量法(bicinchoninic acid assay,BCA)试剂盒定量。样品经10%十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis,SDS-PAGE)后转移至聚偏二氟乙烯膜,5%脱脂奶封闭。含OSCC细胞蛋白的膜与HTR2C和β-肌动蛋白(β-actin)抗体孵育;含HTR2C敲低及对照的HN12和UM1细胞蛋白的膜分别与HTR2C、YAP、p-YAP(Ser127、Tyr357)、黏着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)、p-FAK(Tyr397)、丝切蛋白(Cofilin)、磷酸化-Cofilin(Ser3)、β-actin抗体孵育;Puerarin处理后的HN12和UM1细胞蛋白分别与HTR2C、YAP、p-YAP(Ser127)、β-actin抗体孵育;随后通过辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase,HRP)偶联二抗和增强化学发光(enhanced chemiluminescence,ECL)试剂显色检测。
1.7 实时荧光定量聚合酶链式反应(quantitative real-time polymerase chain reaction,qRT-PCR)
HTR2C敲低及对照的HN12和UM1细胞生长至80%~90%汇合度,提取细胞总RNA并逆转录为互补DNA(complementary DNA,cDNA),SYBR Green法检测YAP、富含半胱氨酸的血管生成诱导因子61(cysteine-rich angiogenic inducer 61,CYR61)、结缔组织生长因子(connective tissue growth factor,CTGF)、极光激酶A(aurora kinase A,AURKA)mRNA水平,甘油醛-3-磷酸脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH)为内参。
1.8 细胞增殖实验
细胞计数试剂盒(cell counting kit,CCK)-8法分别检测HTR2C敲低及对照的HN12和UM1细胞、Puerarin处理后的HN12和UM1细胞活力,于0、24、48、72、96 h分别加入CCK-8溶液,测定450 nm处的吸光度值。
1.9 克隆形成实验
6孔板中分别接种HTR2C敲低及对照的HN12和UM1细胞、Puerarin处理后的HN12和UM1细胞,每孔700个细胞,培养2周后用磷酸盐缓冲液(phosphate buffered saline,PBS)洗涤,4%多聚甲醛固定,并用0.1%结晶紫染色。清洗后计数克隆数目。
1.10 划痕实验
HTR2C敲低及对照的HN12和UM1细胞、Puerarin处理后的HN12和UM1细胞分别接种于12孔板并培养至单层,用无菌吸头划痕后去除脱落细胞,无血清培养24 h,测量划痕宽度变化。
1.11 细胞侵袭实验
Transwell小室(孔径8 µm)用于细胞侵袭实验。小室中加入200 µg/mL的Matrigel涂层,HTR2C敲低及对照的HN12和UM1细胞、Puerarin处理后的HN12和UM1细胞分别置于无血清培养基中,下室为含10%胎牛血清的培养基,培养48 h后固定并染色,计数迁移细胞数。
1.12 细胞免疫荧光
HTR2C敲低及对照的HN12和UM1细胞接种于爬片中培养过夜,4%多聚甲醛固定后Triton X-100通透,牛血清白蛋白(bovine serum albumin,BSA)封闭。随后与YAP一抗孵育并加二抗标记,4',6-二脒基-2-苯基吲哚(4',6-diamidino-2-phenylindole,DAPI)封片,荧光显微镜观察。
1.13 动物实验
裸鼠背部皮下接种HN12细胞,肿瘤体积达150 mm³后分为实验组和对照组,实验组给予HTR2C抑制剂(Puerarin,200 mg/kg),对照组给予等体积生理盐水,每日腹腔注射。当最大肿瘤体积接近2 000 mm³或肿瘤最大径接近2 cm时终止实验。
1.14 统计学分析
数据以均值±标准差表示,GraphPad Prism 9进行t检验、单因素方差分析或Pearson相关性分析。P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 HTR2C在OSCC中高表达并与患者的不良预后相关
利用TCGA数据库分析结果表明,HTR2C在OSCC组织中的表达显著高于正常口腔组织(
图2A)。进一步结合患者的随访数据,Kaplan-Meier生存曲线分析显示,HTR2C高表达患者的总体生存率显著低于低表达患者(
图2B)。
为验证上述发现,使用IHC分析了46例OSCC组织芯片,结果显示OSCC组织中HTR2C的染色评分显著高于正常口腔黏膜组织,差异具有统计学意义(
图2C)。进一步的统计分析表明,HTR2C表达水平与OSCC患者的临床病理分级呈显著正相关(Pearson
r=0.404 8,
P<0.001;
图2D)。上述数据与数据库分析结果一致。
WB结果表明,HTR2C在4种OSCC细胞系中均有表达(
图2E)。
2.2 下调HTR2C表达显著抑制OSCC细胞的增殖、迁移和侵袭能力
WB分析显示,与对照组相比,sh组细胞的HTR2C蛋白表达水平降低(
图3A)。功能学实验进一步证实,HTR2C的表达下调能够显著抑制OSCC细胞的增殖、迁移和侵袭能力。CCK-8和克隆形成实验结果表明,HN12和UM1细胞的增殖能力显著减弱(
图3B、C)。划痕实验显示,sh组细胞的迁移能力明显下降(
图3D),而Transwell实验则表明下调HTR2C显著削弱了细胞的侵袭能力(
图3E)。以上数据明确表明,HTR2C在促进OSCC细胞增殖、迁移和侵袭中发挥了关键作用。
2.3 下调HTR2C表达可抑制Gαq/11-YAP信号通路的激活
IHC分析发现,OSCC组织中YAP染色评分显著高于正常组织(
图4A),且YAP表达水平与临床病理分级呈正相关(Pearson
r=0.35,
P<0.000 1,
图4B),同时与HTR2C表达水平呈显著正相关(Pearson
r=0.122 0,
P=0.034 1,
图4C)。进一步研究显示,HTR2C表达水平下降后,YAP蛋白总表达水平下降,Tyr357位点磷酸化水平降低,而Ser127位点磷酸化水平升高(
图4D);同时,YAP的核/浆比例降低(
图4F),其下游靶基因CTGF、CYR61和AURKA的mRNA表达水平显著下降(
图4E)。此外,HTR2C表达受抑导致Gα
q/11-YAP通路中关键分子节点
[22]FAK的Tyr397位点和Cofilin的Ser3位点磷酸化水平降低(
图4D)。以上研究结果提示,HTR2C可能通过Gα
q/11-RhoA-FAK和Gα
q/11-RhoA-pCofilin信号通路激活YAP,并影响OSCC细胞的恶性生物学行为。
2.4 HTR2C抑制剂在体外显著抑制OSCC细胞的恶性进展
在体外实验中,不同浓度(5~1 000 μmol/L)的Puerarin均降低了HN12和UM1细胞的存活率,并呈剂量依赖性(
图5A)。高浓度药物可能会导致脱靶效应或非特异性的毒性,本研究选择50、100 μmol/L浓度的Puerarin用于后续实验研究。WB结果显示,使用Puerarin处理后,HN12和UM1的HTR2C表达水平降低,且YAP在Ser127位点磷酸化水平升高,提示Puerarin可抑制YAP的激活(
图5B)。克隆形成实验表明,Puerarin显著抑制OSCC细胞的增殖能力,且100 μmol/L组效果优于50 μmol/L组(
图5C)。划痕实验显示,Puerarin显著抑制细胞迁移能力,且100 μmol/L浓度组效果更明显(
图5D)。Transwell实验进一步证实,Puerarin对细胞侵袭能力的抑制作用同样具有浓度依赖性(
图5E)。
2.5 HTR2C抑制剂在体内有效抑制OSCC移植瘤的生长
在裸鼠异种移植瘤模型(
图6A)中,与生理盐水对照组相比,腹腔注射HTR2C抑制剂(Puerarin,每天200 mg/kg)可以显著抑制肿瘤体积增长(
图6B、C),同时不造成小鼠体重降低(
图6D),对小鼠主要器官无明显毒性作用(
图6F)。IHC分析显示,HTR2C抑制剂处理组的OSCC移植瘤组织中YAP表达呈核阳性的细胞比例明显下降,且Ki-67阳性的细胞数量也明显减少(
图6E)。
3 讨论
5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)是一种多功能生物胺,在中枢神经系统和外周系统中发挥多种生物学功能,例如分别扮演神经递质、外周激素以及细胞有丝分裂原等角色
[23-26]。其在精神疾病病理生理学中的关键地位已被广泛研究,尤其是在抑郁症、焦虑症和精神分裂症中。此外,5-HT作为外周激素,调控胃肠道功能、血管生成、骨代谢和免疫反应等多种生理过程
[27-29]。最近,5-HT及其受体在肿瘤发生和进展中的作用引起了广泛关注。
本研究系统探讨HTR2C在OSCC中的作用,揭示其通过Gα
q/11-YAP信号通路促进肿瘤进展的机制。结果表明,HTR2C在OSCC组织中高表达,并且其高表达与患者的不良预后显著相关。通过体外和体内实验证实,HTR2C在OSCC细胞增殖、迁移、侵袭及肿瘤生长中的关键作用。HTR2C敲低或其抑制剂(Puerarin,又称NPI-031G,化学式为C
21H
20O
9,是一种异黄酮类小分子化合物,为HTR2C的潜在抑制剂
[30])处理,均能显著抑制OSCC细胞的恶性生物学行为,提示HTR2C可能是OSCC治疗的潜在靶点,但需要进一步的临床研究加以佐证。
近年来,HTR2C在肿瘤中的作用逐渐受到关注。已有研究
[16-20]表明,HTR2C的高表达与乳腺癌、结直肠癌和肝细胞癌等多种恶性肿瘤的进展密切相关。在乳腺癌中,HTR2C通过JAK/STAT3/ERK和腺苷酸环化酶/PKA信号通路调控糖酵解和线粒体代谢,并通过Wnt/β-catenin信号通路诱导上皮-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)
[16-18]。本研究发现,HTR2C通过调控Gα
q/11-YAP信号通路,激活YAP的核易位,并上调其下游靶基因(CYR61、CTGF和AURKA)的表达,从而促进OSCC细胞的增殖、迁移和侵袭。此外,下调HTR2C的表达可以降低FAK和Cofilin的磷酸化水平,抑制YAP的激活,进而抑制OSCC细胞的恶性表型。本研究系统阐明了HTR2C在OSCC中的致癌作用,并揭示了其通过Gα
q/11-YAP信号通路参与OSCC细胞的恶性生物学行为(
图7)。此外本研究发现,HTR2C抑制剂在体外能够剂量依赖性地抑制OSCC细胞的增殖、迁移和侵袭,同时在裸鼠皮下移植瘤模型中显著抑制肿瘤生长,这一结果进一步支持了HTR2C在OSCC中的促癌作用,并提示针对HTR2C的抑制可能成为OSCC治疗的新策略。
GPCRs及其下游信号通路近年来成为抗肿瘤靶向治疗的重要研究方向。Gα
q/11-YAP信号轴通过整合GPCRs与Hippo通路的分子调控网络,在多种恶性肿瘤中发挥核心作用,参与调控肿瘤发生、转移及耐药等恶性生物学进程。已有研究表明,GPCRs通过Gα
q/11调控YAP/TAZ信号轴在多种恶性肿瘤中发挥促癌作用,例如GPR39在OSCC中的作用
[13]。在胃癌和结直肠癌中,GPCRs家族成员CXCR7和ETAR,亦通过Gα
q/11-YAP轴驱动肿瘤发生和进展。HTR2C作为GPCR家族成员,属于HTR受体家族中的2C亚型,主要偶联Gα
q/11蛋白。本研究进一步拓展GPCRs在OSCC中的功能,揭示HTR2C作为Gα
q/11偶联受体,通过激活YAP信号通路调控OSCC进展的机制。
尽管本研究系统揭示HTR2C在OSCC中的促癌作用及其潜在靶向治疗价值,但存在以下局限性。首先,本实验仅表明HTR2C可通过激活Gα
q/11-RhoA-FAK和Gα
q/11-RhoA-pCofilin信号通路,提升这2条通路上关键分子节点FAK和Cofilin的Tyr397位点和Ser3位点的磷酸化水平,调节YAP活性,促使其入核并激活下游靶基因(如CTGF、CYR61和AURKA)表达,但并未通过挽救或回补实验进一步明确分子机制。第二,OSCC具有高度的异质性,不同患者对HTR2C抑制的响应可能存在差异,本研究主要基于细胞系和裸鼠移植瘤模型,未来需进一步结合大规模临床样本及原位肿瘤模型验证HTR2C在不同患者群体中的作用。第三,HTR2C除通过Gα
q/11-YAP通路调控肿瘤进展外,可能还涉及其他信号通路,如ERK/MAPK、PI3K/AKT等
[16,19],未来需进一步解析HTR2C所参与调控的OSCC中其他潜在信号网络。
综上,本研究首次阐明了HTR2C在OSCC中的作用,并揭示了其通过Gαq/11-YAP信号通路参与肿瘤进展的机制。HTR2C的敲低或其抑制剂均显著抑制OSCC细胞的增殖、迁移和侵袭,同时HTR2C的抑制剂在体内抑制肿瘤生长。这一发现为将HTR2C作为OSCC治疗的潜在靶点提供了理论依据。然而,HTR2C的信号调控网络仍需进一步探索,未来研究可聚焦于开发特异性的HTR2C小分子抑制剂,并评估其在临床转化中的可行性。
国家自然科学基金青年项目(82002888)