喉癌是头颈部最为常见的恶性肿瘤,其病理类型中有超过95%为喉鳞状细胞癌(laryngeal squamous cell carcinoma,LSCC),在头颈部肿瘤中属于高发的类型
[1-2]。手术治疗及同步放化疗等手段虽在一定程度上改善了LSCC患者的生存质量,但其极易复发且常伴有淋巴结转移的特性,使LSCC患者5年生存率难以通过现有的治疗得到显著提升
[3-4]。LSCC发生发展常伴随着基因突变的累积,这些基因突变会导致关键信号通路的异常激活,从而促进喉癌细胞的增殖与转移。
去泛素化酶(deubiquitination enzyme,DUBs)是一类通过调节泛素化与去泛素化之间的平衡来维持细胞稳态的重要蛋白酶。它能够从特定蛋白质上去除泛素,从而抵消连接酶的功能,逆转或抑制泛素化的效应
[5-6],以此来维持泛素系统的稳态。在DUBs的7个亚家族分类中,JAMM家族主要包括PSMD7、PSMD14、MYSM1、PRPF8等蛋白酶,它与肿瘤发生、免疫和炎症性疾病在多个水平上特异性相关
[7-8]。目前喉癌的治疗迫切需要新的生物标志物和治疗靶点,而PSMD7在多种肿瘤中已显示出重要作用,但关于LSCC的研究较少。我们从TCGA数据库获取喉癌相关转录组数据和临床资料,进行生物信息学分析并开展细胞实验,旨在初步探究PSMD7与LSCC的关联,研究PSMD7对LSCC细胞生物学功能的影响,揭示其在肿瘤发生发展中的作用机制,从而为临床诊断和治疗提供潜在的靶点和思路。
1 材料与方法
1.1 生物信息学分析
1.1.1 喉癌相关数据的获取
从TCGA数据库中下载529例头颈肿瘤患者的转录组数据(TCGA-STAD),依据TCGA数据库中明确标注的肿瘤类型及组织来源信息进行筛选,获得LSCC患者资料104例和癌旁对照组织12例。
1.1.2 PSMD7在LSCC中的表达差异分析与生存分析
采用R语言中的“ggplot2”包进行喉癌相关数据的可视化分析,并根据肿瘤组织中PSMD7的表达量,以中位值为界,将样本划分为高表达组与低表达组,利用“survival”包对喉癌患者样本的临床资料进行生存分析,旨在探究关键基因PSMD7的表达水平与喉癌患者预后之间的潜在关联,并采用“survminer”包绘制Kaplan-Meier生存曲线,以评估PSMD7表达对喉癌预后的影响。
1.1.3 PSMD7在LSCC中的富集分析
借助“DESeq”包针对PSMD7进行单基因差异分析。最后使用“ggplot2”包对目标基因PSMD7进行Gene Ontology (GO)/Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG)富集分析。运用“clusterProfiler”包进行基因集富集分析(Gene Set Enrichment Analysis,GSEA),并对分析结果进行可视化处理,旨在评估PSMD7在喉癌发生发展中的潜在生物学功能及其可能参与的信号传导通路。
1.1.4 免疫浸润分析
采用CIBERSORT算法,基于LSCC组织转录组数据计算22类免疫细胞浸润分数,结合免疫细胞特征基因集进行反卷积分析。通过Pearson/Spearman相关分析探讨PSMD7表达与免疫细胞浸润的关联,筛选显著相关的免疫细胞类型(P<0.05),以棒棒糖图可视化相关性强度及统计学显著性,进一步揭示PSMD7在肿瘤免疫微环境中的潜在调控作用。
1.2 药物敏感性分析
为评估PSMD7高表达组与低表达组之间的药物敏感性差异,利用R语言中的“pRRophetic”包,结合癌症药物敏感性基因组学(Genomics of Drug Sensitibity in Cancer,GDSC)数据库,对LSCC样本RNA测序数据进行分析。以半数抑制浓度(the half maximal inhibitory concentration,IC50)反映LSCC患者对药物的敏感性。
1.3 细胞实验
1.3.1 主要试剂与仪器
支气管上皮细胞系HaCat与LSCC细胞系(AMC-HN-8和FD-LSC-1)均购于武汉尚恩生物技术有限公司;RNA快速提取试剂盒购于上海飞捷公司、cDNA合成试剂盒购于大连TaKaRa公司、qPCR试剂盒购于北京诺贝莱生物公司;DMEM购于MACGENE公司,青霉素‐链霉素双抗购于Gibco公司,Trans‐MEM、FBS购于武汉普诺赛公司;0.25%胰酶购于广州济恒医药科技有限公司、LIPO fectamineTM RNAiMAX Reagent及Lipo3000转染试剂(赛默飞)用于细胞处理;CCK-8试剂盒(日本同仁化学研究所)用于细胞活性检测;qPCR仪(赛默飞ABI7500)配合qPCR试剂盒(北京诺贝莱生物)进行基因表达分析。质粒提取试剂盒购于OMEGA公司;磷酸盐缓冲液(phosphate buffer saline,PBS)、抗体稀释液、封闭液购于Boster Bio公司,一抗Vimentin (ab92547) 、N‐Cadherin (ab245117)、E-Cadherin (ab40772)、β- actin(ab179467)和二抗 Goat pAb to Rb IgG (ab6721)、Rb pAb to Ms IgG (ab6728)购于Abcam公司,基底膜基质胶及实验所用的细胞孔板均购于康宁公司。
1.3.2 细胞培养与传代
本研究主要使用支气管上皮细胞系HaCat、LSCC细胞系AMC-HN-8及FD-LSC-1。细胞在含有10%胎牛血清的DMEM培养基中常规培养,设置培养箱为恒温37℃,5% CO2。当细胞增殖至密度为80%时进行细胞传代,并选用处于对数生长期的细胞开展后续实验。
1.3.3 细菌的培养与质粒的提取
将大肠埃希菌接种于LB液体培养基中,置于37℃恒温摇床中进行过夜培养以扩增菌体。随后,采用质粒提取试剂盒进行质粒抽提,并通过测定确定质粒浓度。最终,将提取的质粒保存于-20℃条件下以备长期储存使用。
1.4 喉癌细胞PSMD7高表达与敲减模型的构建
本研究选用AMC-HN-8和FD-LSC-1喉癌细胞系,构建了PSMD7的高表达与低表达模型。利用Lipo3000及LipoIMax Reagent分别将过表达质粒和siRNA转染至LSCC细胞中,并进行培养。
1.5 CCK-8及克隆形成实验检测细胞的增殖能力
采用CCK-8及克隆形成实验检测PSMD7对LSCC细胞的增殖影响。在CCK-8实验中,向96孔板中加入100 μL/孔转染细胞悬液,细胞浓度为5×103/mL,设置3个复孔。再加入10 μL/孔 CCK-8试剂,置于37°C温箱中孵育1 h后测定450 nm处的吸光度。在克隆形成实验中,将细胞以800/孔的密度接种于6孔板中,设置3个复孔,并培养14 d。随后,对细胞进行固定、染色、拍照,并计算克隆形成率,即克隆数与接种细胞数的比值×100%。每个实验重复3次。
1.6 划痕实验及Transwell实验检测细胞的迁移、侵袭能力
细胞划痕实验用于检测细胞的迁移情况,每孔接种4×105个转染细胞。48 h后,使用无菌1 000 μL移液枪头对贴壁细胞进行直线划痕,使用PBS冲洗2遍后分别在0 h和24 h时拍摄划痕照片。在Transwell迁移实验中,将转染后的细胞重悬于200 μL无血清培养基中,随后移至Transwell孔板(康宁公司)上室,同时在下室加入500 μL含10% FBS的DMEM。将孔板在37℃下孵育24 ~ 48 h后,对细胞进行固定和染色处理。进行Transwell侵袭实验前,需先将细胞外基质胶铺于上室,待其凝固30 min后用DMEM培养基进行冲洗,后续步骤按前述方法进行,每组实验均设置3个复孔,每个实验重复3次。最后统一使用Image J软件进行定量分析。
1.7 qPCR实验检测PSMD7 RNA的表达
使用RNA快速提取试剂盒提取细胞中的总RNA,使用Rescript Ⅱ RT SuperMix进行逆转录过程以促进cDNA合成。采用SYBR Premix UrTaq Ⅱ试剂盒(诺贝莱生物技术有限公司,中国北京)进行qPCR检测。选择GAPDH作为内参基因使检测标准化,通过2
-ΔΔCT公式计算相对表达水平并可视化。该实验每个样本设置3个复孔,每个实验重复3次。相关引物序列见
表1。
1.8 Western blot检测PSMD7蛋白、E-钙黏蛋白、N-钙黏蛋白及波形蛋白的表达
通过BCA蛋白定量法测量提取的蛋白浓度,并根据其定量结果加入相应体积的总蛋白样品,与5×蛋白质凝胶电泳上样缓冲液混合。配制4% ~ 12%的十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺(SDS-PAGE)凝胶,分组加样后进行电泳。当条带至分离胶适当位置时结束电泳,在恒压状态下进行转膜(20 V,10 ~ 20 min)。将转好的膜进行封闭1 h,洗膜后加入稀释的一抗4℃孵育过夜,3次洗膜后再加入二抗孵育1 h,再次洗膜并进行显影、成像。该实验每个样本设置3个复孔,每个实验重复3次。
1.9 统计学分析
使用GraphPad Prism 8、Image J及SPSS 25.0进行统计分析。所有实验数据均为正态分布计量资料,两组比较采用两独立样本t检验;多组比较采用单因素方差分析,两两比较采用Tukey检验;Spearman检验用于相关性分析;使用Kaplan-Meier法绘制生存曲线,组间比较采用Log-rank检验,P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 PSMD7在LSCC中的表达及临床意义
通过目的基因表达差异分析,我们发现相比正常组织,LSCC组织中PSMD7的表达水平上调,差异有统计学意义(
P<0.05,
图1A)。根据PSMD7表达量将患者分为高表达组与低表达组进行生存分析。结果显示,高表达组患者的总体生存期显著低于低表达组,该差异有统计学意义(
P<0.001,
图1B)。同时,Ⅰ期与Ⅳ期喉癌患者的PSMD7表达水平有统计学差异(
P<0.05,
图1C)。在对肿瘤的T分期进行分析时,我们发现T4期与T1期患者癌组织中PSMD7的表达有统计学差异(
P<0.05,
图1D)。这些数据表明,PSMD7的表达水平与喉癌的临床分期及T分期紧密相关,进而提示该基因可能在喉癌的发生与发展过程中扮演着至关重要的角色。
2.2 PSMD7在LSCC恶性进展中潜在的分子作用机制及生物学功能
GO/KEGG富集分析结果提示,PSMD7与B细胞增殖和活化、细胞裂解、药物代谢以及细胞因子间的相互作用等多种细胞功能紧密相关(
图2A,
图2B)。此外,GSEA富集分析进一步指出,PSMD7显著富集于ATM信号通路(
P<0.001,
图2C),并与三羧酸循环及电子传递链功能存在相关性(
P=0.041,
图2D)。
2.3 PSMD7与喉癌免疫细胞浸润相关性分析
免疫浸润相关性分析显示,PSMD7与Th2细胞、嗜酸性粒细胞、巨噬细胞等存在正相关关系,而与B细胞、CD8
+ T细胞、细胞毒性细胞等存在负相关关系(
图3)。这表明PSMD7在喉癌免疫微环境中与免疫细胞的浸润和功能调控紧密相关。
2.4 PSMD7表达与药物敏感性的关系
药物敏感性分析提示,PSMD7高表达组对达拉非尼、雷帕霉素、Syk抑制剂、BIBR-1532的敏感性升高(
图4A ~
图4D)。这些发现对于指导临床用药实践具有重要意义,有助于优化治疗方案、提高治疗效果并减少不必要的药物反应。
2.5 PSMD7在喉癌细胞系中表达水平的验证
通过qPCR和Western blot实验检测PSMD7在HACAT、AMC-HN-8和FD-LSC-1三种细胞系中的表达情况。结果显示,相比HACAT细胞,AMC-HN-8和FD-LSC-1细胞中PSMD7的mRNA和蛋白质表达水平更高(
P<0.05,
图5A ~
图5C)。
2.6 喉癌细胞PSMD7过表达及敲减模型的构建
采用qPCR与Western blot验证喉癌细胞转染后PSMD7的过表达与敲减效率,同时以常规培养的喉癌细胞及转染空质粒载体的喉癌细胞作为参照。结果显示,成功构建喉癌细胞中PSMD7的过表达与敲减模型。见
图6。
2.7 PSMD7促进LSCC细胞的增殖
通过CCK-8实验探究PSMD7对LSCC细胞生长速率的影响。结果显示,培养初期(24 h)各组增殖能力无统计学差异(
P>0.05),随着时间延长至48 h和72 h,与对照组相比,敲减PSMD7的AMC-HN-8和FD-LSC-1细胞增殖能力提高(
P<0.05),过表达PSMD7的细胞均增殖能力下降(
P<0.05)。进一步通过克隆形成实验验证,敲减PSMD7促进了LSCC细胞的克隆形成(
P<0.05),过表达PSMD7则抑制了这一水平(
P<0.05)。综上所述,这些结果提示PSMD7在LSCC细胞中扮演着抑制增殖的角色。见
图7。
2.8 PSMD7促进LSCC细胞的迁移、侵袭能力及EMT进展
为深入探究PSMD7表达水平对细胞迁移与侵袭特性的影响,我们采用划痕实验与Transwell实验进行验证。结果显示,相比对照组,AMC-HN-8及FD-LSC-1细胞在PSMD7敲减后,迁移与侵袭能力下降(
P<0.05,
P<0.005);PSMD7过表达时,这两种细胞的迁移与侵袭能力提高。Transwell实验的结果与划痕实验的发现高度一致,均证实了PSMD7表达水平对细胞迁移、侵袭能力的影响(
P<0.05)。进一步通过Western blot实验,我们发现PSMD7的敲减导致AMC-HN-8及FD-LSC-1细胞中波形蛋白(Vimentin)、N-钙黏蛋白(N-Cadherin)表达下调,而E-钙黏蛋白(E-Cadherin)表达则呈现升高趋势;PSMD7的过表达则与上述结果相反。这一系列结果提示,PSMD7的表达水平变化能够影响喉癌细胞的迁移、侵袭能力及EMT过程。见
图8。
3 讨论
LSCC作为头颈部最常见的恶性肿瘤之一,其侵袭性强、易复发转移的特性导致临床治疗效果欠佳
[9]。尽管烟酒暴露、HPV感染等风险因素明确,且发病率存在显著的地域及性别差异
[10-11],但缺乏精准治疗靶点是改善患者预后的瓶颈。本研究通过整合生物信息学分析与体外功能实验,首次系统揭示去泛素化酶PSMD7在LSCC中的关键作用:PSMD7在肿瘤组织中显著高表达,其水平与患者临床分期、T分期及不良预后密切相关,且通过调控上皮-间质转化相关蛋白,显著促进肿瘤细胞的增殖、迁移及侵袭能力。
泛素化作为一种关键的蛋白质翻译后修饰,对细胞的分化、增殖及凋亡调控发挥着至关重要的作用
[12]。既往研究已证实,泛素连接酶FBXW7在调控细胞EMT及肿瘤转移过程中扮演着重要角色
[13]。此外,去泛素化过程,特别是通过稳定鞭毛蛋白并促进泛素水解的途径,也日益成为研究热点
[14]。近期的研究结果证明,蛋白酶体抑制剂在抗癌治疗中展现出显著的疗效
[15-17]。
蛋白酶体26S亚基非ATP酶7(PSMD7),亦称Mov34,定位于蛋白酶体的19S调节颗粒,并属于DUBs中的JAMM结构域金属蛋白酶家族
[18-19]。PSMD7与26S蛋白酶体的核心结构紧密相连,并通过相互作用激活蛋白酶体的活性,进而调控泛素化底物的降解过程
[20]。现有研究普遍认为,PSMD14在多种癌症中作为抗蛋白酶体治疗的潜在靶点具有广阔前景
[14,21]。为深入探究PSMD7与喉癌的关联,本研究对TCGA数据库中喉癌的数据进行详细分析,结果显示喉癌组织中PSMD7的mRNA表达水平相比正常组织呈现显著上升。此外我们还利用qPCR、Western blot实验进一步验证PSMD7在HaCat、AMC-HN-8、FD-LSC-1细胞中mRNA及蛋白表达水平的差异,结果与TCGA数据库分析一致。进一步生物信息学分析揭示,PSMD7的表达水平与患者的临床预后不良具有显著相关性,并且这种表达差异与患者的临床分期及T分期紧密相关:具体而言,临床分期为Ⅰ期患者的PSMD7表达水平低于Ⅳ期患者;而在T分期中,T1期患者的PSMD7表达亦低于T4期患者。Xu等
[22]、Wang等
[14]的研究发现,PSMD7在乳腺癌和肺癌组织中的高表达水平与患者预后不良紧密相关,这与本研究在LSCC中观察到的结果类似。GO/KEGG富集分析和GSEA分析揭示,PSMD7与B细胞增殖及活化、细胞裂解、药物代谢等多种关键细胞生物学功能存在密切联系,且PSMD7在ATM信号通路中显著富集。ATM信号通路在维持基因组稳定性和细胞应激反应中扮演着关键角色。已有研究表明,ATM信号通路可通过调节细胞周期检查点,如在DNA损伤时激活相关蛋白,使细胞周期停滞,为DNA修复争取时间;同时,它还参与DNA损伤修复过程,保障基因组的完整性
[23]。而肿瘤细胞往往会利用这些细胞内的关键通路来促进自身的增殖、迁移和侵袭,喉癌细胞也不例外。
去泛素化酶通过其去泛素化作用可能影响ATM信号通路中关键蛋白的稳定性和活性
[24]。如ATM信号通路中的一些蛋白在泛素化修饰后会被蛋白酶体降解,去泛素化酶可能通过去除这些蛋白的泛素标签,使其稳定存在,从而干扰ATM信号通路的正常功能
[25]。当ATM信号通路功能异常时,细胞周期检查点的调控和DNA损伤修复机制被破坏,喉癌细胞不受控制地增殖、迁移和侵袭,进而促进喉癌的恶性进展。这一机制与喉癌的特性紧密相关,揭示了去泛素化酶在喉癌发展过程中的重要作用机制,也为ATM信号通路和去泛素化酶的联合治疗策略提供了理论依据。
在肿瘤微环境中,免疫细胞为免疫治疗这一前沿治疗策略提供了广阔的应用前景
[26-28]。本研究运用CIBERSORT算法对样本中的免疫细胞比例进行了量化评估,分析结果显示,PSMD7的表达水平与Th2细胞、嗜酸性粒细胞及巨噬细胞的浸润呈正相关趋势,而与B细胞、CD8
+ T细胞等呈负相关趋势。相关研究已证实巨噬细胞和嗜酸性粒细胞的浸润对喉癌的恶性进展密切相关
[29]。进一步药物敏感性分析揭示,PSMD7的表达水平与多种化疗药物,包括达拉非尼、雷帕霉素、Syk抑制剂、BIBR-1532的敏感性显著相关。已有研究表明,PSMD7在乳腺癌和肺癌中也与肿瘤的增殖、转移等过程相关,但在不同癌种中,PSMD7发挥作用的具体机制和程度存在差异。在乳腺癌中,PSMD7可能通过稳定某些致癌蛋白,促进癌细胞的增殖和侵袭
[30-31]。而在肺癌中,PSMD7可能主要参与调节肿瘤细胞的代谢重编程,这一作用机制在LSCC中尚未得到明确证实
[22]。这说明PSMD7可能作为LSCC预后评估的指标,并可能作为预后预测因子,为其治疗靶点的选择提供较为科学的参考。
为探究PSMD7表达水平变化对细胞表型的具体影响,我们敲减及过表达PSMD7在AMC-HN-8及FD-LSC-1细胞中的含量,并评估了这些细胞增殖能力的变化。结果显示,PSMD7的下调抑制了细胞的增殖,其上调则促进了细胞的增殖,这与Luo等
[32]报道的前列腺癌中PSMD7表达与癌细胞增殖活性存在显著正相关关系的结果一致。为验证PSMD7对LSCC细胞转移能力的影响,本研究采用了划痕实验与Transwell实验进行双重验证。结果显示,无论是在AMC-HN-8还是FD-LSC-1细胞中,敲减或过表达PSMD7均显著影响细胞的迁移与侵袭特性,证实PSMD7在LSCC中具有促进细胞迁移与侵袭的功能。转移是恶性肿瘤的关键特征,而EMT是肿瘤转移过程中的核心步骤,表现为细胞极性的丧失与细胞间连接的松弛
[33]。作为EMT的重要标志物,波形蛋白和N-钙黏蛋白在多种肿瘤的EMT进程中表达上调,E-钙黏蛋白则表达下调,其水平可反映细胞EMT的活跃程度
[34]。本研究发现,改变PSMD7的表达水平后,AMC-HN-8及FD-LSC-1细胞中的波形蛋白、N-钙黏蛋白及E-钙黏蛋白表达水平亦发生相应变化,表明PSMD7的表达调控与细胞EMT过程紧密相关。综上所述,PSMD7通过调控细胞的增殖、迁移、侵袭以及促进EMT进程,从而在LSCC的恶性发展中扮演关键角色。
综上所述,本研究通过生物信息学分析与细胞实验结果相互印证,共同揭示了PSMD7在LSCC中的重要作用。从临床数据来看,PSMD7的表达与患者预后、临床分期及T分期相关;在细胞实验中,PSMD7影响细胞的增殖、迁移、侵袭和EMT过程。这表明PSMD7可能成为LSCC预后评估的生物标志物,以及潜在的治疗靶点。例如,通过检测患者体内PSMD7的表达水平,医师可以更准确地判断患者的预后情况,为制定个性化治疗方案提供参考。未来可以基于PSMD7开发靶向治疗药物,抑制其促进肿瘤进展的功能,有望提高LSCC的治疗效果。同时,本研究也为探索肿瘤微环境与肿瘤细胞之间的相互作用提供了新的视角,有助于进一步理解LSCC的发病机制,为开发新的治疗策略奠定基础。
本研究揭示了PSMD7在促进LSCC细胞增殖、迁移、侵袭以及EMT进程中扮演重要角色,从而加速疾病恶性进展,但仍存在一定的局限性。关于PSMD7影响LSCC发展的详尽分子机制,尤其是其与ATM通路相互作用的细节,尚缺乏直接实验证据的支持。因此,未来的研究方向可聚焦于深入探索PSMD7在喉癌中的具体作用靶点,并通过构建更为完善的动物模型实验,进一步验证和拓展当前的研究发现,以期更全面地理解PSMD7在LSCC发病机制中的作用。