郝俊龍,楊 凱,王亞鵬,王 旭,齊 進(jìn),王拴科,汪 靜
蘭州大學(xué)第二醫(yī)院骨腫瘤科,甘肅 蘭州 730030
骨肉瘤是最常見的原發(fā)惡性骨腫瘤,其發(fā)病率約占所有骨骼系統(tǒng)腫瘤的15%,高致殘率和高復(fù)發(fā)率是骨肉瘤發(fā)病的臨床特點(diǎn)[1-2]。由于大劑量化療藥物的不良反應(yīng)、耐藥性、早期肺部轉(zhuǎn)移及局部病變復(fù)發(fā)等眾多問題,骨肉瘤患者生存率沒有獲得進(jìn)一步提高[3]。因此,尋找一種療效好、可行性大及不良反應(yīng)小的臨床治療骨肉瘤的新方法是目前研究的熱點(diǎn)。
迄今為止,骨肉瘤發(fā)生的分子機(jī)制仍不清楚。有研究報(bào)道,RIPK4蛋白與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、侵襲及轉(zhuǎn)移有著密不可分的關(guān)系[4-5]。另外有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,骨肉瘤的發(fā)生、發(fā)展與Notch1信號(hào)通路過度活化有密切聯(lián)系[6]。Notch通路在骨肉瘤的發(fā)生、增殖、轉(zhuǎn)移、凋亡、耐藥及預(yù)后等諸多方面均有不同程度的影響,甚至在某些方面Notch通路還起著主導(dǎo)作用。另外,Wnt信號(hào)通路則是調(diào)控細(xì)胞增殖分化的重要信號(hào)通路,在骨組織生長(zhǎng)發(fā)育中同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。已有研究證實(shí),Wnt信號(hào)通路與Notch通路之間有著緊密的聯(lián)系[7]。然而,揭示W(wǎng)nt-Notch信號(hào)通路相互作用在成骨細(xì)胞生物學(xué)行為中的功能的研究不多。
本課題將明確Notch1蛋白對(duì)骨肉瘤增殖的影響并初步探討其通過調(diào)節(jié)Notch及Wnt信號(hào)通路發(fā)揮抗腫瘤作用的可能機(jī)制,為臨床治療骨肉瘤提供新的理論依據(jù)和治療思路,為臨床提高治療骨肉瘤的治愈率做出貢獻(xiàn)。
收集蘭州大學(xué)第二醫(yī)院病理科2014年—2016年的骨肉瘤標(biāo)本19例,其中男性13例,女性6例,年齡6~72歲,中位年齡19歲。手術(shù)過程中切取新鮮骨肉瘤組織及相應(yīng)的癌旁組織,收集后置于-80 ℃低溫冰箱保存。全部標(biāo)本均由兩位高年資病理醫(yī)師經(jīng)病理診斷證實(shí),所有病例的臨床資料完整,術(shù)前均未接受放化療。本研究獲得蘭州大學(xué)第二醫(yī)院和甘肅省腫瘤醫(yī)院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn),所有患者均知情同意。
人骨肉瘤細(xì)胞株MG-63與U-2 OS購自江蘇凱基生物技術(shù)股份有限公司;細(xì)胞培養(yǎng)基DMEM、胎牛血清購自美國(guó)Hyclone公司;Notch1 siRNA、control siRNA及siRNA轉(zhuǎn)染試劑購自美國(guó)Santa Cruz公司;RNAiso Plus、prime Script RT Master Mix及SYBR Premix Ex TapTMⅡ購自日本TaKaRa公司;RIPK4兔抗人多克隆抗體、兔抗人Notch1、Hes1、DLL1、β-catenin及Cyclin D1單克隆抗體購自英國(guó)Abcam公司。
1.3.1 免疫組織化學(xué)染色
按照ⅤP-9003免疫組織化學(xué)試劑盒說明書進(jìn)行嚴(yán)格操作。將臨床腫瘤組織切片進(jìn)行抗原修復(fù)后,加入Notch1一抗,置于冰箱4 ℃過夜。加入二抗后水浴20 min,PBS沖洗。在顯微鏡下顯色后用蘇木精復(fù)染、分化、脫水、透明后用中性樹膠封片,在顯微鏡下觀察,細(xì)胞膜及細(xì)胞質(zhì)呈棕黃色或棕色著色為陽性細(xì)胞。陽性判定以陽性細(xì)胞數(shù)及染色強(qiáng)度綜合判定[8]。陽性細(xì)胞數(shù):≤5%計(jì)0分,6%~25%計(jì)1分,26%~50%計(jì)2分,≥51%計(jì)3分;染色強(qiáng)度不著色計(jì)0分,淡黃色計(jì)1分,棕黃色計(jì)2分,棕褐色計(jì)3分。每張切片隨機(jī)觀察5個(gè)400倍視野,兩者相加,≤3分為陰性,>3分為陽性。
1.3.2 靶向Notch1 siRNA轉(zhuǎn)染人骨肉瘤MG-63、U-2 OS細(xì)胞
當(dāng)人骨肉瘤MG-63、U-2 OS細(xì)胞進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期后,以1×105的密度接種到6孔板中,置于培養(yǎng)箱內(nèi)溫育24 h,觀察其融合達(dá)到70%~80%。按照轉(zhuǎn)染試劑說明書提供的方法,將2 μg/mL攜帶綠色熒光的control siRNA加入上述6孔細(xì)胞培養(yǎng)板中。細(xì)胞培養(yǎng)6 h后,更換成完全培養(yǎng)液;繼續(xù)培養(yǎng)細(xì)胞48 h,在熒光顯微鏡下計(jì)數(shù)含有綠色熒光的MG-63、U2-OS細(xì)胞數(shù)。
轉(zhuǎn)染48 h后,熒光顯微鏡下檢測(cè)綠色熒光表達(dá),選取3個(gè)視野,觀察拍照,分別計(jì)數(shù)每個(gè)視野中總細(xì)胞的數(shù)量和熒光細(xì)胞的數(shù)量,計(jì)算轉(zhuǎn)染效率(轉(zhuǎn)染效率=熒光細(xì)胞總數(shù)/總細(xì)胞數(shù)×100%)。
1.3.3 四甲基偶氮唑藍(lán)(methyl thiazolyl tetrazolium,MTT)法檢測(cè)Notch1 siRNA轉(zhuǎn)染對(duì)MG-63、U-2 OS細(xì)胞增殖的影響
將處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的人骨肉瘤細(xì)胞制成懸液后,接種到96孔板中,密度為5 000個(gè)/孔,每孔加入100 μL的PBS。細(xì)胞在各自條件下培養(yǎng)24、48和72 h。培養(yǎng)結(jié)束后,待培養(yǎng)細(xì)胞鋪滿孔底,給每孔加入0.5%MTT 20 μL,繼續(xù)培養(yǎng)4 h,然后傾去培養(yǎng)基,并用PBS漂洗,重復(fù)3次,每孔加入二甲基亞砜(dimethylsulfoxide,DMSO)150 μL。將孔板放在搖床上振搖10 min,用酶聯(lián)檢測(cè)儀在490 nm的波長(zhǎng)下測(cè)定每個(gè)孔的吸光度(D)值。同時(shí)一定要設(shè)置調(diào)零孔和對(duì)照孔。以時(shí)間為橫軸,D值為縱軸繪制細(xì)胞生長(zhǎng)曲線。
1.3.4 流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)Notch1 siRNA轉(zhuǎn)染對(duì)MG-63、U-2 OS細(xì)胞凋亡的影響
按照FITC Annexin Ⅴ凋亡檢測(cè)試劑盒Ⅰ(購自美國(guó)BD公司)檢測(cè)方法進(jìn)行。用胰酶將處于生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期的細(xì)胞消化,并收集細(xì)胞,1 000 r/min離心5 min,棄去上清液。使用4 ℃冰箱中冷藏的PBS漂洗細(xì)胞3次,再用1×結(jié)合緩沖液制成1×106個(gè)/mL的細(xì)胞懸液。往Falcon試管中加入100 μL細(xì)胞懸液。接著加入5 μL FITC AnnexinⅤ,輕輕混勻,室溫(20~25 ℃)條件下,避光反應(yīng)15 min。再加入10 μL的PI染料,振蕩混勻,室溫避光處靜置15 min。最后分別在各組管中加入1×結(jié)合緩沖液400 μL。1 h內(nèi)利用流式細(xì)胞儀檢測(cè)細(xì)胞凋亡。
1.3.5 實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)(real-time fl uorescent quantitative polymerase chain reaction,RTFQ-PCR)檢測(cè)骨肉瘤組織中Notch1 mRNA及Notch1 siRNA轉(zhuǎn)染MG-63、U-2 OS細(xì)胞后Notch1-Wnt通路相關(guān)蛋白mRNA水平
按照試劑盒說明書用RNAiso Plus細(xì)胞裂解液提取骨肉瘤組織及Notch1 siRNA轉(zhuǎn)染骨肉瘤細(xì)胞中總RNA,進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄合成cDNA。將cDNA產(chǎn)物進(jìn)行RTFQ-PCR循環(huán)。RIPK4、Notch1、Hes1及DLL1的PCR引物由日本TaKaRa公司設(shè)計(jì)合成并純化(表1)。
表 1 PCR引物Tab. 1 PCR primer
進(jìn)行RTFQ-PCR后,開始瓊脂糖凝膠電泳。應(yīng)用凝膠成像軟件測(cè)定RIPK4、Notch1、Hes1、DLL1、β-catenin及Cyclin D1的表達(dá)。計(jì)算mRNA的相對(duì)表達(dá)量,以GADPH、β-actin為內(nèi)參照校正每個(gè)樣本的循環(huán)閾值CT得到△CT,實(shí)驗(yàn)組目的基因相對(duì)表達(dá)量以2-△△CT計(jì)算表示,本實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。
1.3.6 蛋白質(zhì)印跡法(Western bolt)檢測(cè)骨肉瘤組織中Notch1 mRNA及Notch1 siRNA轉(zhuǎn)染MG-63、U-2 OS細(xì)胞后Notch1-Wnt通路相關(guān)蛋白表達(dá)
MG-63、U-2 OS細(xì)胞被Notch1 siRNA轉(zhuǎn)染后,按照試劑盒說明書提取骨肉瘤組織及細(xì)胞株總蛋白及骨肉瘤組織中總蛋白并測(cè)定其濃度。加以5×SDS上樣緩沖液后放入沸水中使其變性。取預(yù)染蛋白Marker(購自北京中杉金橋生物技術(shù)有限公司)5 μL和40 μg蛋白樣品上樣后電泳(電壓120 Ⅴ,1 h)。電泳結(jié)束后轉(zhuǎn)印至PⅤDF膜(300 mA,1 h),常溫下用5%脫脂奶粉封閉1 h,加入一抗RIPK4(1∶1 000)、Hes1(1∶1 000)、DLL1(1∶1 000)、Notch1(Abcam 1∶1 000)、β-catenin(1∶1 000)、Cyclin D1(1∶1 000)和GAPDH(1∶2 000)、β-actin1∶2 000),4 ℃溫育過夜,加入相應(yīng)的二抗(1∶5000)室溫溫育1 h。ECL化學(xué)發(fā)光法顯色,結(jié)果經(jīng)自動(dòng)電泳凝膠成像分析儀采集,通過Quanyity one采圖分析軟件得出每個(gè)條帶的平均D值(每個(gè)目的條帶與相應(yīng)的β-actin平均D值的比值)。
實(shí)驗(yàn)采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單一對(duì)照組與多實(shí)驗(yàn)組的比較運(yùn)用Dunnett-t檢驗(yàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用±s表示,一組對(duì)比其間內(nèi)容比較采用LSD-t法,接著用方差分析測(cè)試結(jié)果,摒棄差值較大的一組數(shù)值,取均值為計(jì)算數(shù)據(jù)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
Notch1蛋白及其Notch1 mRNA在癌旁組織與骨肉瘤組織中的免疫組織化學(xué)染色結(jié)果顯示,Notch1蛋白陽性表達(dá)定位于細(xì)胞質(zhì),呈淺棕黃色至深棕黃色顆粒狀,且19例骨肉瘤中Notch1陽性表達(dá)14例(73.7%)。RTFQ-PCR及Western blot檢測(cè)結(jié)果表明,與癌旁組織相比,骨肉瘤組織中Notch1 mRNA表達(dá)及蛋白表達(dá)水平均顯著增加(圖1)。
圖 1 骨肉瘤組織中Notch1蛋白水平及mRNA的表達(dá)Fig. 1 Protein level and mRNA expressions of Notch1 in osteosarcoma specimens
將Notch1 siRNA轉(zhuǎn)染進(jìn)入MG-63、U-2 OS骨肉瘤細(xì)胞,待轉(zhuǎn)染48 h后,用普通顯微鏡及熒光顯微鏡觀察(圖2),然后對(duì)帶有熒光的骨肉瘤細(xì)胞分別進(jìn)行計(jì)數(shù)。Notch1 siRNA-NC轉(zhuǎn)染MG-63和U-2 OS骨肉瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)染效率分別為88%和83%。Notch1 siRNA轉(zhuǎn)染MG-63和U-2 OS骨肉瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)染效率分別為78%和80%,轉(zhuǎn)染獲得成功。
Notch1 siRNA轉(zhuǎn)入MG-63、U-2OS細(xì)胞48 h后,骨肉瘤細(xì)胞增殖能力均有所降低。與control siRNA組和空白組相比,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,圖3)。
圖 2 觀察control siRNA轉(zhuǎn)染48 h時(shí)人成骨肉瘤MG-63、U-2 OS細(xì)胞中綠色熒光的表達(dá)情況Fig. 2 The green fl uorescence in osteosarcoma MG-63 and U-2 OS cells after they were transfected with control siRNA or Notch1 siRNA for 48 h
圖 3 MTT檢測(cè)特異性沉默Notch1基因后MG-63(A)、U-2 OS(B)細(xì)胞的增殖情況Fig. 3 MTT detection of the proliferation of MG-63 (A) and U-2 OS (B) tumor cells after speci fi city silencing of Notch1 gene
流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)結(jié)果顯示,Notch1 siRNA轉(zhuǎn)染MG-63、U-2 OS骨肉瘤細(xì)胞48 h后,骨肉瘤細(xì)胞凋亡率增加。Notch1 siRNA組MG-63骨肉瘤細(xì)胞凋亡率(27.55%±2.16%)明顯高于control siRNA組(11.79%±0.42%)和空白組(9.72%±1.65%),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);Notch1 siRNA組U-2 OS骨肉瘤細(xì)胞凋亡率(27.545%±2.96%)明顯高于control siRNA組(18.70%±2.61%)和空白組(16.345%±1.63%),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),轉(zhuǎn)染后兩組細(xì)胞中空白組與control siRNA組相比,差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05,圖4)。
將靶向Notch1基因的siRNA轉(zhuǎn)染入人骨肉瘤MG-63、U-2 OS細(xì)胞中,誘導(dǎo)降低或缺失Notch1基因后檢測(cè)細(xì)胞中的Notch通路分子的活性,應(yīng)用RTFQ-PCR和Western blot檢測(cè)發(fā)現(xiàn),MG-63骨肉瘤細(xì)胞和U-2 OS骨肉瘤細(xì)胞表現(xiàn)出Notch配體DLL1、Notchl和Notch靶基因Hes1含量的變化,Notch1 siRNA組與control siRNA組和空白組比較,上述蛋白的含量和表達(dá)均明顯降低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,圖5、6)。
圖 5 特異性轉(zhuǎn)染Notch1 siRNA后,MG-63細(xì)胞中DLL1、Notch1和Hes1的表達(dá)情況Fig. 5 The expressions of DLL1, Notch1 and Hes1 after MG-63 cells were transfected by Notch1 siRNA
圖 6 特異性轉(zhuǎn)染Notch1 siRNA后,U-2 OS細(xì)胞中DLL1、Notch1和Hes1的表達(dá)情況Fig. 6 The expressions of DLL1, Notch1 and Hes1 after U-2 OS cells were transfected by Notch1 siRNA
將靶向Notch1基因的siRNA轉(zhuǎn)染入人骨肉瘤MG-63、U-2 OS細(xì)胞中,誘導(dǎo)降低或缺失Notch1基因后檢測(cè)細(xì)胞中的Wnt通路分子的活性,應(yīng)用RTFQ-PCR和Western blot檢測(cè)發(fā)現(xiàn),MG-63骨肉瘤細(xì)胞和U-2 OS骨肉瘤細(xì)胞表現(xiàn)出β-catenin、Cyclin D1含量的變化,Notch1 siRNA組與control siRNA組和空白組比較,上述兩種蛋白的mRNA表達(dá)均明顯降低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,圖7、8)。
將靶向Notch1基因的siRNA轉(zhuǎn)染入人骨肉瘤MG-63、U-2 OS細(xì)胞中,誘導(dǎo)降低或缺失Notch1基因后檢測(cè)細(xì)胞中的RIPK4的表達(dá),應(yīng)用RTFQPCR和Western blot檢測(cè)發(fā)現(xiàn),MG-63骨肉瘤細(xì)胞和U-2 OS骨肉瘤細(xì)胞中,RIPK4 mRNA與蛋白表達(dá)水平均明顯降低,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05,圖9)。
圖 7 特異性轉(zhuǎn)染Notch1 siRNA后,MG-63細(xì)胞中β-catenin、Cyclin D1的表達(dá)情況Fig. 7 The expressions of β-catenin and Cyclin D1 after MG-63 cells were transfected by Notch1 siRNA
圖 8 特異性轉(zhuǎn)染Notch1 siRNA后,U-2 OS 細(xì)胞中β-catenin、Cyclin D1的表達(dá)情況Fig. 8 The expressions of β-catenin and Cyclin D1 after U-2 OS cells were transfected by Notch1 siRNA
圖 9 特異性轉(zhuǎn)染Notch1 siRNA后,MG-63與U-2 OS細(xì)胞中RIPK4的表達(dá)情況Fig. 9 The expressions of RIPK4 after MG-63 and U-2 OS cells were transfected by Notch1 siRNA
骨肉瘤是骨腫瘤中最常見的原發(fā)性惡性腫瘤,好發(fā)于兒童和青少年[9]。骨肉瘤在臨床上為高度惡性,同時(shí)具有致殘率高、肺部轉(zhuǎn)移早及復(fù)發(fā)率高等特點(diǎn)。迄今為止,骨肉瘤發(fā)生、發(fā)展的相關(guān)分子機(jī)制尚不明確,臨床上也沒有針對(duì)性的有效治療藥物[10-11]。
已有研究報(bào)道,Notch1的表達(dá)量在肺癌、肝癌、骨肉瘤及乳腺癌等多種惡性腫瘤組織中顯著升高,活化Notch1能夠促進(jìn)離體培養(yǎng)骨肉瘤細(xì)胞的侵襲、轉(zhuǎn)移[12-14]。王克猛等[15]的研究結(jié)果顯示,Notch1蛋白的陽性表達(dá)率在軟骨肉瘤、骨軟骨瘤及正常軟骨組織3組間逐漸增高,組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。周彬等[16]的研究結(jié)果表明,Notch1阻斷劑能夠抑制骨肉瘤小鼠模型腫瘤的生長(zhǎng),參與這一過程的可能分子機(jī)制包括降低促增殖分子和促侵襲分子的生成、增加促凋亡和侵襲抑制分子的生成。但是Notch1對(duì)骨肉瘤發(fā)生、發(fā)展的具體機(jī)制仍未闡明。
本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在19例臨床骨肉瘤組織中有14例Notch1蛋白染色顯示為陽性,且Notch1 mRNA表達(dá)及蛋白水平在組織中顯著增加。另外采用MTT法檢測(cè)Notch1 siRNA轉(zhuǎn)染入人骨肉瘤MG-63和U-2 OS細(xì)胞中,發(fā)現(xiàn)其細(xì)胞增殖能力降低,同時(shí)流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)顯示,Notch1 siRNA轉(zhuǎn)染入人骨肉瘤MG-63和U-2 OS細(xì)胞后其細(xì)胞凋亡率增加。上述結(jié)果進(jìn)一步確定,Notch1不但與骨肉瘤有著高度相關(guān)性,而且在骨肉瘤的發(fā)生、發(fā)展過程中扮演著非常重要的促增殖角色。
Notch1基因有著重要的生理作用,其功能決定了Notch信號(hào)通路的整體功能。Dailey等[17]通過使用基因序列分析和RTFQ-PCR檢測(cè)的方法,也發(fā)現(xiàn)在骨肉瘤組織中Hes1、Hey-1、Notch1和Notch2表達(dá)增強(qiáng),提示當(dāng)Notch信號(hào)通路被激活后,會(huì)促進(jìn)骨肉瘤細(xì)胞的增殖和發(fā)育。此外,Wnt通路則是調(diào)控細(xì)胞增殖分化的重要信號(hào)通路。Wnt配體可通過β-catenin依賴性及β-catenin非依賴性信號(hào)通路對(duì)多種器官的發(fā)育和穩(wěn)態(tài)維持產(chǎn)生重要影響。
已有研究證實(shí),Wnt信號(hào)通路與Notch信號(hào)通路之間有著緊密的聯(lián)系[18],Wnt信號(hào)通路和Notch信號(hào)通路是相互聯(lián)系并協(xié)調(diào)平衡的,在胚胎發(fā)育、組織再生和腫瘤形成中共同起作用,具體分子作用機(jī)制復(fù)雜,可概括為3個(gè)類型:共同參與調(diào)控轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn)[19];一條信號(hào)通路的轉(zhuǎn)錄靶基因?qū)α硪粭l信號(hào)通路造成影響,使信號(hào)活性在不同時(shí)間、不同空間產(chǎn)生差異[20];在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中,直接通過分子作用串話[21]。
本研究將靶向Notch1基因的siRNA轉(zhuǎn)染入人骨肉瘤MG-63和U-2 OS細(xì)胞中,誘導(dǎo)降低或缺失Notch1基因后,發(fā)現(xiàn)Notch配體DLL1、Notchl和Notch靶基因Hes1的表達(dá)明顯降低,同時(shí)Wnt通路中關(guān)鍵分子β-catenin與Cyclin D1的表達(dá)也顯著降低。此外誘導(dǎo)降低或缺失Notch1后,促增殖分子RIPK4的蛋白表達(dá)水平也明顯下降。說明Notch1 siRNA信號(hào)分子可能通過抑制Notch-Wnt通路,減少促增殖分子RIPK4的表達(dá),進(jìn)而降低骨肉瘤細(xì)胞的增殖作用。
綜上所述,Notch1在骨肉瘤的發(fā)生、發(fā)展過程中扮演促增殖分子的重要角色,參與這一過程的分子機(jī)制可能是通過影響Notch-Wnt信號(hào)通路進(jìn)而增加促增殖分子RIPK4的表達(dá)而發(fā)揮促進(jìn)腫瘤發(fā)生、發(fā)展的作用。