乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一,其发病率和死亡率持续上升,给人民健康带来巨大负担。乳腺癌的发生发展通常伴随着乳腺上皮细胞快速增殖、迁移和侵袭的生物学特征
[1]。环状RNA(circular RNAs, circRNAs)是一类由线性RNA经反向剪接形成的共价闭环结构的非编码RNA,在多种肿瘤中具有重要的调控作用
[2]。研究发现
circ_104824[3]、
circ_0008673[4]、
circBCBM1[5]等circRNAs在多种癌症中具有重要调控作用,circRNAs被认为可能成为癌症治疗的新兴靶点。研究发现,多种circRNAs在乳腺癌组织中表达上调,并通过调控下游靶基因参与肿瘤细胞的生物学过程。例如,上调的
circRNA_0000515可与miR-1296-5p结合来增加CDK2表达水平,促进乳腺癌细胞的增殖和迁移
[6];上调的
circNEIL3亦可通过靶向miR-4784促进肿瘤的发生发展
[7]。
circ-CCDC66来源于母基因
CCDC66,其在肝癌
[7]、宫颈癌
[8]、胃癌
[9]、甲状腺乳头状癌
[10]均呈高表达,但也有研究
[11]表明其在结直肠癌患者血浆中表达降低。目前关于
circ-CCDC66在乳腺癌中的表达及功能尚不清楚,且其下游的调控机制也不清楚。因此,本文拟研究
circ-CCDC66在乳腺癌细胞中的表达情况及其调控肿瘤细胞的功能,寻找其下游可能的靶基因。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 实验材料
正常乳腺上皮细胞MCF-10A及乳腺癌细胞系(MCF-7、MDA231、MDA453和MDA-MB-468)均购自广州赛库生物有限公司;高糖DMEM培养基、MEM培养基、L-15培养基以及FBS均购自Gibco公司(美国);RNA提取试剂(TriQuick Reagent)与琼脂糖均购自北京索莱宝科技有限公司;逆转录试剂HiScript Ⅲ RT SuperMix for qPCR (+gDNA wiper)与荧光定量PCR试剂ChamQ Universal SYBR qPCR Master Mix均购自诺唯赞生物技术股份有限公司;定量PCR所用引物由英潍捷基生物科技有限公司合成并同时完成Sanger测序;重组质粒(PCDH-NC及PCDH-circ-CCDC66)由安徽通用生物技术有限公司合成;转染试剂Lipofectamine™ 2000和Opti-MEM培养基购自Thermo Fisher Scientific(美国);CCK-8试剂盒购自武汉塞维尔生物科技有限公司;Transwell小室(孔径8 μm)购自Corning公司(美国);Matrigel基质胶购自BD公司(美国);PBS缓冲液、B27添加剂、EGF及FGF生长因子均购自广州沃亘生物科技有限公司。
1.1.2 临床样本
2024年3月到2024年6月在广州医科大学附属番禺中心医院肿瘤科收集20例乳腺癌患者的癌组织与癌旁组织。手术过程中,外科医师将标本切除后立即放入液氮冻存。本研究经我院医学伦理委员会批准(批准号:PYRC-2024-263-01),并获得患者同意签署知情同意书。
1.2 方法
1.2.1 细胞培养
MCF-10A于高糖DMEM培养基中培养,培养基中补充10% FBS。乳腺癌细胞系MCF-7于MEM培养基中培养,MDA-MB-231、MDA-MB-453与MDA-MB-468于L-15培养基中培养,以上培养基均加入10% FBS。所有细胞均置于37 ℃、5% CO₂的恒温培养箱中培养,并根据细胞状态定期传代。
1.2.2 转染
将MCF-7细胞分为空载质粒对照组(PCDH-NC)与circ-CCDC66过表达组(PCDH-circ-CCDC66)。按照Lipofectamine™ 2000试剂盒说明,将1 μg质粒DNA与2 μL转染试剂分别用Opti-MEM培养基稀释至100 μL,静置5 min后混合,在室温下再次孵育5 min以形成DNA-脂质体复合物。随后将转染混合液逐滴加入细胞培养孔中,轻轻摇匀后置于37 ℃、5% CO₂恒温培养箱孵育24 h。转染24 h后收集细胞,用于后续实验。同样采用Lipofectamine™ 2000试剂和3种不同的siRNAs(1、2和3)进行转染以构建circ-CCDC66敲低的细胞模型。
1.2.3 琼脂糖凝胶电泳与Sanger测序
从已完成转染的MCF-7细胞中分别提取总RNA和基因组DNA(gDNA)。总RNA经逆转录获得cDNA,2类模板(cDNA与gDNA)均采用circ-CCDC66、CCDC66和GAPDH引物进行扩增反应。PCR体系总体积设为25 μL(2×预混液12.5 μL,引物各1 μL,模板1 μL,无RNA酶水补足至终体积)。热循环程序为:95 ℃预变性3 min,之后35个循环(95 ℃ 30 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s),终末延伸72 ℃ 5 min。扩增产物经1%琼脂糖凝胶分离,恒压120 V条件下电泳约30 min,随后成像。将circ-CCDC66所对应的特异性扩增条带经回收后,委托生工生物工程(上海)股份有限公司完成Sanger测序。
1.2.4 qPCR
使用TriQuick Reagent提取PCDH-NC、PCDH-
circ-CCDC66细胞总RNA,并按照HiScript Ⅲ RT SuperMix for qPCR试剂盒说明进行反转录生成cDNA。qPCR反应体系总体积为20 μL,包括10 μL SYBR Premix、0.4 μL上游引物、0.4 μL下游引物(终浓度均为0.2 μmol·L
-1)、1 μL cDNA模板和8.2 μL无RNA酶水。扩增程序为95 ℃预变性30 s,随后40个循环(95 ℃ 10 s,60 ℃ 30 s)。采用
GAPDH作为内参基因,通过2
-△△Ct法计算目的基因mRNA相对表达量。引物序列参见
表1。
1.2.5 CCK-8实验
转染24 h的MCF-7细胞经胰酶消化后,以每孔3×103个细胞的密度接种于96孔板中,每组设3个复孔。分别在细胞培养12、24、48和72 h后,向对应孔中加入10 μL CCK-8试剂,继续在37 ℃、5% CO₂恒温培养箱中孵育2 h。孵育结束后,使用酶标仪在450 nm波长下读取各孔的吸光度值。
1.2.6 Transwell实验
转染24 h后的MCF-7细胞经胰酶消化后,用无血清培养基重悬并计数,用于Transwell实验。⑴迁移实验:取1×105个细胞,悬于100 μL无血清培养基中,加入至上室;下室则加入600 μL含10%FBS培养基作为吸引源。细胞在37 ℃、5% CO₂恒温培养箱中孵育48 h。孵育结束后移出Transwell小室,弃去上室培养基,使用无钙PBS轻柔冲洗2次。随后在室温下用4%多聚甲醛固定2 h,再以0.1%结晶紫溶液染色20 min。染色后,使用棉签小心擦除未穿膜的细胞,并用PBS清洗3次。最终在光学显微镜下观察并记录穿膜细胞的分布与数量;⑵侵袭实验:上室需提前均匀涂覆Matrigel基质胶,并在37 ℃下使其充分凝固。其他操作同迁移实验。
1.2.7 干细胞成球实验
转染24 h后的MCF-7细胞用0.5%胰蛋白酶处理以解离细胞。消化结束后立即终止反应并离心收集细胞沉淀,随后使用无血清干细胞成球培养基重悬,培养基由DMEM/F12、2% B27添加剂、20 ng·mL-1表皮生长因子(Epidermal growth factor, EGF)及20 ng·mL-1成纤维细胞生长因子(Fibroblast growth factor, FGF)组成。按每孔1×105个细胞接种于低附着性的6孔培养板中,于37 ℃、5% CO₂培养箱中悬浮培养。分别在第3、7、14 d采集图像,记录细胞球的形成与生长情况。
1.2.8 RNA测序及生物信息学分析
MCF-7细胞转染PCDH-circ-CCDC66质粒或PCDH-NC质粒24 h后,收集PCDH-NC与PCDH-circ-CCDC66组细胞,交由北京诺禾致源科技有限公司进行建库和RNA测序。测序使用的是Illumina NovaSeq 6000平台,测序模式为双端150 bp(PE150)。原始测序数据经FastQC软件进行质量评估与过滤后,使用HISAT2完成序列比对,采用featureCounts计算每个基因的reads计数,用于后续差异表达分析。差异表达mRNA的筛选通过DESeq2分析,阈值设为变化倍数≥1.5且校正后P<0.05。差异表达基因的通路富集分析依托于KOBAS 3.0平台,使用KEGG数据库作为参考背景,采用超几何分布检验计算各通路的富集显著性。筛选标准为P<0.05,筛出在统计上显著富集的生物学过程通路。
1.3 统计学处理
数据以均数±标准差表示,并通过GraphPad Prism 8.0进行图表绘制。2组间比较采用独立样本t检验,多组间比较采用单因素方差分析。检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 circ-CCDC66的环性验证
通过Sanger测序验证
circ-CCDC66是否存在环化位点。其测序结果与circBase数据库中记录的环化序列完全一致(
图1A)。随后,分别以cDNA与gDNA为模板扩增
circ-CCDC66和线性CCDC66的特异性片段,并进行琼脂糖凝胶电泳检测。结果发现,
circ-CCDC66仅在cDNA样本中扩增出预期条带,而在gDNA中未检测到(
图1B)。
2.2 circ-CCDC66在乳腺癌细胞中的表达
为明确
circ-CCDC66在乳腺癌中的表达情况,选取正常乳腺上皮细胞MCF-10A及4株乳腺癌细胞系(MCF-7、MDA-MB-231、MDA-MB-453、MDA-MB-468),采用qPCR技术检测
circ-CCDC66的表达水平。结果如
图2A所示,相较于MCF-10A细胞,乳腺癌细胞中
circ-CCDC66表达水平均显著增加(
P<0.01)。其中,
circ-CCDC66在MCF-7细胞中表达水平最低,在MDA-MB-231细胞中表达水平最高。后续功能实验以MCF-7细胞为模型进行研究。另外qPCR结果发现,
circ-CCDC66在乳腺癌组织中的表达显著高于癌旁组织(
P<0.000 1)(
图2B),提示
circ-CCDC66在乳腺癌中高表达。
2.3 过表达circ-CCDC66的细胞模型验证
为明确
circ-CCDC66过表达在乳腺癌细胞中的功能作用,构建
circ-CCDC66过表达细胞模型。qPCR结果显示,
circ-CCDC66在PCDH-
circ-CCDC66组细胞中的表达量较PCDH-NC组显著升高(
P<0.001)(
图3),表明在MCF-7细胞中成功过表达
circ-CCDC66。
2.4 circ-CCDC66促进MCF-7细胞的增殖与迁移能力
CCK-8实验结果发现,与PCDH-NC组比较,PCDH-
circ-CCDC66组细胞在12、24、48、72 h均呈现更高的细胞活性,且在72 h时2组细胞活性比较差异有统计学意义(
P<0.05)(
图4A)。Transwell迁移实验结果发现,与PCDH-NC组比较,PCDH-
circ-CCDC66组迁移细胞数量显著增多(
P<0.001)(
图4B)。Transwell侵袭实验结果发现,与PCDH-NC组比较,PCDH-
circ-CCDC66组穿膜细胞数显著增多(
P<0.001)(
图4C)。干细胞成球实验结果得出,与PCDH-NC组比较,PCDH-
circ-CCDC66组在第3、7、14 d均形成更多、更大的细胞球体(
图4D),提示
circ-CCDC66可能参与维持乳腺癌细胞的干性及自我更新能力。
2.5 circ-CCDC66敲低的细胞模型验证
为进一步验证
circ-CCDC66敲低在乳腺癌细胞中的功能作用,用siRNAs(1、2和3)构建
circ-CCDC66敲低细胞模型。qPCR结果显示,
circ-CCDC66在敲低模型细胞中的表达量较si-NC组显著降低,尤其是si-
circ-CCDC6-3组(
P<0.01)(
图5)。因此,后续实验采用si-
circ-
CCDC6-3组细胞做功能实验。
2.6 circ-CCDC66敲低阻止MCF-7细胞的增殖、迁移和干性能力
CCK-8结果发现,相比于si-NC组,si-
circ-CCDC66组呈现更低的细胞活性(
P<0.05)(
图6A),提示
circ-CCDC66沉默抑制细胞增殖。Transwell迁移实验结果显示,
circ-CCDC66敲低组相比于si-NC组的迁移细胞数量明显减少(
P<0.01)(
图6B)。侵袭实验结果显示,si-
circ-CCDC66组穿膜细胞数也显著低于si-NC组(
P<0.01)(
图6C)。干细胞成球实验结果也表明,与si-NC组相比,
circ-CCDC66敲低组在第3、7、14 d均形成更少、更小的细胞球体,提示
circ-CCDC66沉默可能抑制乳腺癌细胞的干性及自我更新能力(
图6D)。
2.7 转录组测序分析
PCDH-NC及PCDH-
circ-CCDC66组MCF-7细胞经转录组测序,各样本基因数量分布均一,说明测序数据质量良好(
图7A)。各样本之间的相关性分析显示相似性均高于94%,具备良好的可比性(
图7B)。根据筛选标准(Fold change≥1.5且padj<0.05),共筛选出61个差异表达基因,其中上调基因34个,下调基因27个(图
7C~
7D)。对差异基因进行KEGG富集分析,发现差异基因主要富集于3个代谢相关通路:硫代谢通路(Sulfur metabolism)、含硒化合物代谢通路(Cyanoamino acid metabolism)及氰基氨基酸代谢通路(Cyanoamino acid metabolism)(
图7E)。
2.8 circ-CCDC66过表达对BPNT1、KYAT1及new_gene460基因表达的影响
在硫代谢通路、含硒化合物代谢通路以及氰基氨基酸代谢通路中筛选出3个具有代表性的差异表达基因,分别为
BPNT1、
KYAT1和新发现的基因
new_gene460。与PCDH-NC组相比,PCDH-
circ-
CCDC66组
new_gene460表达水平上调,
BPNT1和
KYAT1基因表达水平下调(
图8A)。其中,
new_gene460尚缺乏公开数据库的功能注释,生物学作用尚不清楚,故本研究选取
BPNT1和
KYAT1基因作为验证对象。为进一步验证转录组分析结果的可靠性,我们在相同批次的测序样本中,采用qPCR检测
BPNT1和
KYAT1基因的表达水平。结果发现,与PCDH-NC组比较,PCDH-
circ-CCDC66组
BPNT1和
KYAT1基因表达水平下调(
图8B),且与
图8A显示的RNA测序数据一致,提示差异分析结果具备良好的稳定性和重复性。
3 讨论
本研究系统分析了circ-CCDC66在乳腺癌细胞中的表达水平及其生物学功能。结果显示,circ-CCDC66在乳腺癌细胞和组织中表达显著增加,过表达circ-CCDC66可增强MCF-7细胞增殖、迁移、侵袭能力及干细胞样特性。同时,转录组测序结果提示,其过表达可引起多种基因mRNA表达水平的显著变化,其中2个代谢相关基因BPNT1和KYAT1在circ-CCDC66过表达组中显著下调。
多项研究显示,在
circ-
CCDC66的表达方面,不同研究的结果存在一定差别。在宫颈癌
[8]、胃癌
[9]及甲状腺乳头状癌
[10]中,
circ-CCDC66表达上调并与肿瘤进展密切相关,而在结直肠癌患者的血浆中则呈低表达,且可作为早期诊断的生物标志物
[11]。也有研究
[12]表明
circ-CCDC66在M2型巨噬细胞来源的外泌体中被富集,并在肿瘤微环境中通过miR-342-3p/MTDH通路促进结直肠癌细胞的恶性表型。表明circRNAs在不同来源细胞与组织之间可能具有不同功能。本文研究发现,
circ-CCDC66在乳腺癌患者组织中高表达,在乳腺癌细胞中也高表达,且过表达
circ-CCDC66可增强乳腺癌细胞增殖、迁移、侵袭及干细胞成球能力,
circ-CCDC66敲低则抑制乳腺癌细胞的这些功能。然而,是否在乳腺癌中也存在免疫细胞来源
circ-CCDC66的外泌体调控路径,仍需结合免疫微环境进行深入探索。
BPNT1是硫代谢通路的一个重要成员,具有小分子磷酸酶活性的胞质蛋白,且其活性受到二价金属阳离子促进和锂抑制
[13],BPNT1缺失与缺铁性贫血相关
[14],且可能存在与神经胶质瘤代谢失调相关的功能障碍
[15]。而本研究结果发现,
circ-CCDC66可能通过抑制BPNT1表达,参与调节乳腺癌细胞的增殖进程。但BPNT1在乳腺癌中是否被
circ-CCDC66直接影响还有待继续探究。
KYAT1作为含硒化合物代谢(Selenocompound metabolism)通路的重要酶,具备转氨与β-消除双重活性,可利用硒-甲基硒代半胱氨酸作为底物生成具有细胞毒性作用的代谢产物,从而诱导肿瘤细胞死亡
[16]。已有研究证实,在肝癌模型中联合补充硒-甲基硒代半胱氨酸可显著增强KYAT1的抗癌效应
[17],在多形性胶质母细胞瘤和头颈部鳞状细胞癌化疗过程中,KYAT1表达亦呈明显上调趋势
[18]。而在本研究中,
circ-CCDC66过表达显著抑制KYAT1表达,提示该环状RNA可能通过削弱癌细胞对硒代谢产物的敏感性,降低其对细胞毒信号的响应能力,从而促进乳腺癌细胞的增殖。这一机制是否涉及代谢应激通路的失衡,仍需进一步实验证实。
综上所述,circ-CCDC66在乳腺癌细胞中发挥促进细胞增殖、迁移、侵袭及干性作用,且可下调BPNT1、KYAT1等代谢相关基因。因此,本研究为circ-CCDC66参与调控乳腺癌细胞代谢提供了新思路。这是后续进一步探究circRNA功能和机制及应用于临床研究的前提与基础。本研究也存在一定缺陷:⑴circ-CCDC66抑制BPNT1和KYAT1的分子机制有待确定,如通过miRNA吸附或蛋白质复合物调控;⑵本研究缺乏体内实验验证,在未来研究中可建立异种移植小鼠模型进一步探究circ-CCDC66对乳腺癌进程的影响。