胃癌(gastric cancer,GC)是全球常见的恶性肿瘤之一,对人类的生命和健康构成了严重威胁
[1]。此病来源于胃黏膜上皮组织,恶性程度高。其早期症状通常较为隐匿,致使多数患者就诊时已达中晚期,增加治疗难度,使预后普遍较差。根据国家癌症中心报告,我国GC的发病人数位居第5位,死亡人数位居第3位,呈现出男性患者数量多于女性、农村地区的病例高于城市的特点,并且肿瘤的发生正在趋于年轻化
[2]。GC的诊断依赖于内镜活检、内镜超声检查(endoscopic ultrasonography,EUS)、消化道造影、微卫星不稳定性(microsatellite instability,MSI)等技术。其中,内镜活检是诊断GC的金标准
[3]。免疫检查点阻断疗法作为一种新兴的肿瘤免疫治疗手段
[4],明显提升多种肿瘤患者的治疗成效,但需要识别可靠的生物标志物以筛选敏感患者
[5]。因此,面对GC存在诊断延迟、预后欠佳以及免疫治疗疗效不明显的问题
[6,7],亟需寻找适宜的基因靶点和肿瘤标志物。
鞘氨醇激酶(sphingosine kinase,SPHK)是1种催化鞘氨醇磷酸化,生成鞘氨醇‑1‑磷酸(sphingosine‑1‑phosphate,S1P)的脂质激酶。SPHK在人体中主要有2种亚型:鞘氨醇激酶1(sphingosine kinase 1,SPHK1)和鞘氨醇激酶2(sphingosine kinase 2,SPHK2),其中SPHK2/SIP通路定位于细胞核、内质网和线粒体等多个细胞器上,参与促进凋亡、端粒维持、调节转录等许多生物过程,并与癌症等疾病的病理机制密切相关
[8,9]。研究表明,
SPHK2在肿瘤的发生过程中具有直接促进作用
[10],如促进胆管癌细胞的生长增殖
[11]、卵巢癌细胞的迁移侵袭
[12]等。但
SPHK2在GC发生与进展中的作用尚不明确,因此需要对该蛋白分子进行进一步的剖析和探索。
随着TCGA癌症基因组图谱等数据库的持续优化,通过生物信息学手段分析SPHK2在GC中的表达,探讨其与生存预后、肿瘤微环境及免疫检查点之间的潜在联系,剖析其在GC增殖和迁移中的作用,旨在为GC的诊断、免疫治疗和生存预后预测提供有价值的参考。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 临床数据
本研究回顾性收集蚌埠医科大学第一附属医院在2023年7~12月内诊治的胃癌患者的临床病理数据。纳入标准:(1)年龄18~80周岁;(2)手术方式为根治性手术;(3)术前胃镜活检病理及术后标本病理为胃腺癌;(4)标本被妥善保存,未受任何损坏。排除标准:(1)术前接受过新辅助治疗的患者;(2)罹患其他脏器的恶性肿瘤或已发生转移的患者;(3)患有严重心肺功能障碍、精神疾病或认知障碍的患者;(4)临床资料不完整者。经过筛选,本研究选取了53例满足上述标准的标本。本研究获得蚌埠医科大学伦理委员会的批准[伦理批号:第(2023)311,(2023)405号]。
1.1.2 主要试剂
HGC‑27细胞系、RPMI‑1640培养基、胰酶、胎牛血清(武汉普诺赛生命科技);总RNA提取试剂盒、反转录及定量聚合酶链反应(qPCR)试剂盒(Novoprotein);敲低基因的慢病毒(上海百易基因科技);β‑actin和SPHK2抗体(武汉三鹰生物)。
1.2 方法
1.2.1 公共数据库分析
使用HPA(
https://www.proteinatlas.org)数据库定位并分析
SPHK2基因在相关免疫细胞中的表达,利用GEPIA(
http://gepia.cancer-pku.cn)数据库分析
SPHK2和MKI67在GC中的表达,通过Kaplan‑Meier Plotter(https//: kmplot.com)数据库进行生存预后在线分析,基于TIMER2.0(
http://timer.cistrome.org)数据库探究
SPHK2与肿瘤微环境之间的潜在关联,并在Sangerbox(
http://www.sangerbox.com)数据库中分析了SPHK2表达与肿瘤免疫治疗之间的关系。此外,通过访问cBioPortal(
https://www.cbioportal.org)数据库分析基因突变情况,并下载
SPHK2在GC中共同表达的潜在靶基因数据,利用Metascape(
https://metascape.org)在线工具进行GO和KEGG富集,使用微生信平台(
https://www.bioinformatics.com.cn)进一步探讨分析结果。
1.2.2 细胞培养
人GC细胞系HGC‑27在RPMI‑1640、10% FBS、1% PS的培养基中,于37 ℃、5% CO2的恒温培养箱中培养。
1.2.3 qPCR
收集培养后的HGC‑27细胞,提取总RNA,进行质量和浓度检测后反转录为cDNA,再按照qPCR试剂盒操作方法,以合成的cDNA为模板进行PCR扩增(
表1),最后使用2
-ΔΔCt计算
SPHK2 mRNA表达水平。
1.2.4 Western blot
对细胞进行裂解、离心后提取蛋白,并利用BCA法进行定量分析。取适量的蛋白样本电泳分离,结束后将蛋白凝胶转膜至PVDF膜上,用5%脱脂牛奶在室温下封闭90 min。将膜置于一抗溶液中(SPHK2∶1∶1 000;β‑actin∶1∶5 000),并在4 ℃条件下进行孵育过夜。次日用TBST缓冲液洗涤膜3次,每次15 min,然后将膜放入稀释的二抗溶液中,于室温下孵育90 min,再次洗膜后使用化学试剂进行曝光及显影。
1.2.5 CCK‑8及克隆形成实验
CCK‑8:以2×103/孔的细胞密度,将细胞接种于96孔板中,并置于37 ℃、5% CO2的培养箱中培养。培养周期设定为48 h,每12 小时为一节点向每孔加入10 μL的CCK‑8试剂孵育,孵育结束后使用酶标仪检测450 nm处的吸光度。 克隆形成实验:将细胞以每孔500个细胞接种于6孔板中,于37 ℃、5% CO2的培养箱中培养14 d,每隔3 d更换新培养基,当出现肉眼可见的细胞集落时,PBS洗涤2遍,用4%的多聚甲醛2 mL固定细胞15 min,加入适量结晶紫染色液染色15 min,待细胞集落着色用相机拍照记录。
1.2.6 细胞划痕技术
把细胞以适当密度(1×106/孔)接种于6孔板中,培养至细胞完全贴壁且融合度达到90%~100%时,用无菌枪头在细胞单层上垂直于孔板底面均匀划线,置于培养基中继续培养。分别于0、24 h在相同放大倍数和相同位置下观察并拍摄图像,最后使用ImageJ软件测量划痕宽度或迁移距离,计算细胞迁移率。
1.2.7 Transwell小室实验
将适量细胞悬液以5×104/100 μL加入 Transwell小室上室,下室加入0.6 mL的完全培养基作为趋化因子。 于37 ℃、5% CO2培养箱中培养24 h后取出,用棉签擦去上室细胞,下室用4%多聚甲醛固定30 min,PBS洗涤后加入结晶紫染色10 min,完成后在显微镜下观察并计数。
1.2.8 免疫组织化学
参照张浩等
[13]的染色评分过程,对临床53例GC组织(肿瘤中心区域,避开坏死和出血部分,病理学结果为胃腺癌的组织)及其对应的正常组织(距肿瘤边缘≥5 cm且无病理学异常的组织)按照标准程序进行处理。其操作涵盖固定、脱水、包埋、制片及染色,经一抗和二抗孵育后进行DAB染色,随后显色并采集图片评分。所有切片由两位主治及以上职称的病理科医师独立进行盲审评分。
1.3 统计学处理
生物信息学数据通过调用数据库预设的统计方法进行相关分析,其余数据则利用SPSS26.0、GraphPad Prism10.0和ImageJ等软件进行统计分析。采用了t检验、χ2检验及Wilcoxon秩和检验等分析方法,检验水准α=0.05。P<0.05为差异具有统计学意义。各实验设定3次重复。
2 结果
2.1 SPHK2在细胞中的定位
通过对HPA数据库的深入检索与解析,发现
SPHK2在细胞模型中主要定位于胞核内(
图1A)。进一步采用免疫荧光技术进行检测后,结果显示
SPHK2在人体细胞的胞核中呈现出高表达的特征(
图1B)。
2.2 SPHK2存在于多种免疫细胞中
通过免疫细胞层面的分析可知,
SPHK2在嗜碱粒细胞、B细胞及单核细胞中表达水平较高,而在嗜酸粒细胞和中性粒细胞中表达水平较低(
图2A)。此外,正常胃组织中,
SPHK2在内皮细胞、巨噬细胞和浆细胞等多种核心细胞中也广泛表达(
图2B)。
2.3 SPHK2在多种组织中高表达
基于HPA数据库,可以发现SPHK2在40种人体正常组织中,十二指肠的蛋白表达量最高,而在胃组织中位居第8位(
图3A、B)。在TIMER 2.0数据库中检索分析,
SPHK2基因在19种恶性肿瘤中呈现高表达,包括膀胱尿路上皮癌(BLCA)、结肠癌(COAD)、前列腺癌(PRAD)、直肠腺癌(READ)、胃癌(STAD)(
P<0.05)(
图3C)。
2.4 SPHK2在GC组织中的表达及预后分析
MKI67(亦称Ki‑67)是一种细胞周期蛋白,对指导GC患者的治疗和预后评估具有关键作用
[14]。GEPIA数据库分析显示,SPHK2与MKI67在GC组织中表达水平明显高于正常组织(
P<0.05,
图4A、B),且相关性分析表明,GC组织中SPHK2和MKI67的表达呈正相关(
r=0.21,
P=1.1×10
-5,
图4C)。据此推测,GC患者体内SPHK2的高水平表达或许与其预后不佳存在一定的关联性。借助Kaplan‑Meier Plotter数据库分析胃癌患者的5年生存预后,结果显示,SPHK2高表达预示总生存期较短(
P=0.000 24)(
图4D),且进展后生存期更差(
P=1.1×10
-6)(
图4E)。
2.5 SPHK2的基因突变情况
利用cBioPortal癌症基因组学数据库分析
SPHK2在GC不同组织学类型中的突变情况,结果显示黏液性胃腺癌的突变频率较高,约为4.76%(
图5A)。此外,在
SPHK2基因中识别出8个突变位点(包括5个错义突变和3个截断突变,
图5B),这些突变可能会在蛋白质编码过程中影响氨基酸的改变,进而影响其功能并导致疾病的发生。
2.6 肿瘤免疫治疗与SPHK2表达的相关性
肿瘤免疫治疗与肿瘤干性指数(TSI)、肿瘤突变负荷(TMB)、微卫星不稳定性(MSI)和免疫检查点(ICP)等密切相关。TSI是反映肿瘤细胞和干细胞相似程度的指标,其中mDNAsi反映干细胞的表观遗传特征,mRNAsi则反映其基因表达特征;TMB是评估肿瘤免疫原性的重要指标,可用于预测免疫检查点抑制剂(ICIs)的疗效
[15];MSI表征肿瘤基因组的稳定状态,高微卫星不稳定性(MSI‑H)往往意味着肿瘤细胞能产生更多新抗原,进而影响ICIs的疗效
[16]。ICP在维持免疫稳态和预防自身免疫中发挥重要调节作用,其抑制剂在多种肿瘤的治疗中存在着一定的潜力
[17,18]。
为了探寻
SPHK2表达对GC患者免疫治疗的影响,利用SangerBox数据库对TSI、TMB及MSI的相关性进行了分析。结果显示,
SPHK2在GC中的表达与mDNAsi和mRNAsi呈正相关(
P<0.05)(
图6A、B),与TMB呈负相关(
P<0.05)(
图6C),且与MSI无明显相关(
P>0.05)(
图6D)。据此分析结果提示,
SPHK2表达与ICIs治疗敏感性有一定的相关性。进一步分析
SPHK2与
ICP基因之间的相关性显示,
SPHK2在GC中与
BTLA、LAG3、CTLA4等多个ICP基因明显相关(
P<0.05)(
图6E)。故而可表明,
SPHK2可充任评估ICIs在GC患者中治疗成效的指标。
2.7 SPHK2与肿瘤微环境和免疫浸润水平的相关性
从UCSC数据库下载了标准化胃癌数据集,利用ESTIMATE算法对基质分数(Stromal Score)、免疫分数(Immune Score)、估计分数(ESTIMATE Score)进行评分,结果显示
SPHK2表达与这些评分呈负相关(
r<0,
P<0.05)(
图7A~C)。在TIMER2.0数据库中,
SPHK2在GC免疫微环境中的表达水平与B细胞和CD4
+T细胞呈正相关(
r>0,
P<0.05),但与CD8
+T细胞、巨噬细胞、树突状细胞和中性粒细胞无确切关系(
P>0.05)(
图7D)。
2.8 SPHK2在GC中的通路富集
据此研究的目的,为深入了解基因在GC中的生物学过程,从cBioPortal数据库获取共表达的潜在靶基因,并利用Metascape在线工具进行GO和KEGG通路富集。GO富集分析中,着重分析生物过程(BP)、细胞组成(CC)和分子功能(MF)3大维度,识别出泛素依赖的蛋白质分解代谢过程(ubiquitin‑dependent protein catabolic process)、泛素连接酶复合体(ubiquitin ligase complex)、激酶活性(kinase activity)等与癌症信号通路相关的富集项(
P<0.05)(
图8A~C)。KEGG通路富集分析表明,
SPHK2共表达的潜在靶基因明显集中到与GC发生、发展相关的通路,包括mRNA监视通路(mRNA surveillance pathway)、AMPK信号通路(AMPK signaling pathway)和Apelin信号通路(Apelin signaling pathway)等相关(
P<0.05,
图8D)。
2.9 SPHK2对HGC‑27细胞增殖、迁移的影响
为探讨
SPHK2对GC细胞生长的影响,使用慢病毒对HGC‑27细胞系进行基因敲低,并通过Western blot和qPCR实验验证敲低结果(
P<0.05,
图9A、B)。在
SPHK2基因被敲低后,CCK‑8、克隆形成实验结果显示HGC‑27细胞增殖活性和能力明显下降(
P<0.05,
图9C、D)。细胞划痕实验显示,
SPHK2敲低处理后,HGC‑27细胞的迁移速度明显低于对照组(
P<0.05,
图9E)。此外,Transwell小室实验结果进一步表明,
SPHK2基因的敲低明显降低了HGC‑27细胞的迁移能力(
P<0.05,
图9F)。
2.10 SPHK2在GC组织中的表达情况
根据组织标本评分,SPHK2在GC组织中的表达可分为高表达和低表达2组(得分≥4为高表达,<4为低表达)。利用SPSS26.0进行数据分析,结果显示与患者性别、年龄和肿瘤部位在SPHK2的高低表达中差异无统计学意义(
P>0.05),但在肿瘤大小、病理分期、T分期和N分期方面差异有统计学意义(
P<0.05)(
表2)。
免疫组化(IHC)染色结果显示,SPHK2在GC组织中的染色强度明显高于正常组织(
图10A、B)。数据分析表明,GC组织的染色评分明显高于正常组织(
P<0.001)(
图10C),且随着病理分期、T分期、N分期的升高,染色评分逐步增强(
P<0.01)(
图10D~F)。对GC患者的临床病理特征深入分析显示,SPHK2在GC组织中的表达水平明显升高,提示其可能与GC的进展存在某种关联。
3 讨论
GC是一种起源于胃上皮组织的恶性肿瘤,受到环境、饮食习惯、遗传因素等多种复杂条件的共同影响。在发病之初,患者通常缺乏典型的临床症状,这导致大多数患者在初步诊断时已达到进展期
[19]。全身化疗、外科手术、免疫治疗和靶向治疗等多学科诊疗是治疗GC的关键
[6],但对于部分GC患者,仍缺乏相应的早期诊断及免疫治疗的标志物。目前在关于SPHK2与肿瘤关系的相关报道中提示
SPHK2能够催化S1P的生成,通过减少神经酰胺的积聚、下调
P53基因,促进相关成纤维细胞的活化,进而产生促肿瘤因子
[9,20]。研究还发现,SPHK2通过介导脂肪细胞、激活内皮细胞,为卵巢癌细胞的生长提供营养和氧气,并诱导卵巢癌细胞增殖
[21]。在肝细胞癌的相关研究中,
SPHK2/S1P通过介导NF‑κB和STAT3的活化,在靶向药瑞戈非尼耐药中发挥重要的调控作用
[22]。SPHK2抑制剂与5‑FU联合能有效抑制骨髓来源的抑制细胞,增加肿瘤微环境中CD4
+、CD8
+T细胞的浸润,降低肿瘤负担,对结直肠癌有治疗作用
[23]。此外,SPHK2在肺动脉高压、脑缺血性疾病和神经退行性疾病等发生机制中也有一定的影响作用
[24,25]。因此,对
SPHK2在GC中的发生、发展机制的探究具有一定的临床诊疗意义,为后续的相关研究提供了基础和思考方向。
本研究借助GEPIA和Kaplan‑Meier Plotter数据库,对
SPHK2在GC中的表达和相关预后情况进行了分析,发现
SPHK2在GC中的表达明显上调,且
SPHK2 高表达与GC患者较差的总生存期以及进展后生存期紧密相连。本研究通过IHC和Western blot技术检测了GC及其相关组织中的
SPHK2表达水平,结果与生物信息学分析相符。随后,本研究通过TCGA、TIMER2.0、GEPIA等数据库探究了
SPHK2在泛癌中的表达及其与肿瘤细胞增殖因子Ki‑67的相关性,结果显示
SPHK2在结肠癌、直肠腺癌、GC等多个恶性肿瘤中高表达,并在GC中与Ki‑67呈正相关。肿瘤微环境中的免疫细胞和基质细胞在肿瘤起始阶段发挥关键作用,肿瘤相关成纤维细胞对肿瘤的发生、发展有重要影响
[26‑28],因此通过TIMER2.0‑Immune、UCSC数据库分析,结果得知
SPHK2在GC中与基质分数、免疫分数、估计分数等呈负相关,而与B细胞和CD4
+T细胞呈正相关,提示其可能具有调节肿瘤微环境及影响免疫系统的潜在作用。免疫治疗是当前肿瘤治疗的热点,如免疫抑制剂PD‑1/PD‑L1与多种免疫检查点受体抗体联合应用可明显提高抗肿瘤疗效,并且与化疗、放疗联用时可以延长肿瘤患者的生存期
[17,18]。研究显示,TSI、TMB、MSI可以作为预测肿瘤对ICIs反应的关键生物标志物,在抗PD‑1/PD‑L1免疫疗法疗效预测中具有重要价值
[29,30],而CTLA4、LAG3等免疫检查点基因标记物在GC进展中可能具有重要指示作用
[31,32]。通过SangerBox数据库的分析结果可知,
SPHK2在GC组织中的表达与TSI、TMB及多个免疫检查点基因明显相关,这表明
SPHK2基因有望成为GC患者的潜在免疫治疗靶点。SPHK2作为一种重要的酶类分子,在富集通路分析发现与多种GC发生、发展的通路相关,如AMPK signaling pathway、mRNA surveillance pathway、Apelin signaling pathway等。Ghrelin(生长激素释放肽)可以通过激活AMPK信号通路影响胃癌的进展
[33],且AMPK可以作为GC新辅助化疗的分子靶点
[34]。此外,mRNA监控系统功能失常可能引发蛋白质合成错误,Apelin信号通路通过诱导PI3K / Akt的激活,上调β‑catenin、c‑myc和cyclin D1,可以促进肿瘤细胞的增殖、迁移和葡萄糖摄取
[35],这两种通路都可能与GC的发生、发展相关。相关文献已经证实
SPHK2与肿瘤的增殖、迁移有一定的关联,因此通过细胞实验进一步验证其在GC中的生物学功能,显示敲低
SPHK2后HGC‑27细胞的增殖和迁移能力明显下降,提示SPHK2可能是促进GC发生、发展的一个重要因子。
综合研究表明,SPHK2在GC的发生、发展中具有明显影响,并与肿瘤微环境及免疫检查点基因密切相关,可能成为评估GC诊断、预后及免疫治疗效果的预测标志物,为新药物或治疗方法的研发提供了新视角。然而,本研究存在一定的局限性,例如未对临床数据进一步完善和深入分析,未探讨在GC中的具体作用机制,也未构建GC移植瘤模型以验证SPHK2对GC细胞表型和转移作用的影响。
作者贡献度说明:
王睿朋:文献查找、生信分析、实验设计及实施、数据收集及整理、论文撰写;李婷婷:文献查找、生信分析、数据收集及整理;管佳佳:数据整理、文章审阅及修改;凌潜龙、纪凯、满文江、常博达:实验设计及实施;朱冰:论文撰写指导。
所有作者声明不存在利益冲突关系。
安徽省高等学校自然科学研究项目(KJ2021ZD0090)
蚌埠医学院研究生科研创新项目(Byycx22090)
安徽省2023年度新时代育人省级质量工程项目(2023xscx125)