朱夢琪,張懿剛,馮曉佳,張凌梅,賈建光*
(1 蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院腫瘤外科,蚌埠 233000;2 蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院肝膽外科;3 蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院腫瘤婦科;*通訊作者,E-mail:jiajianguang1978@126.com)
胃癌是一種較為常見的惡性腫瘤,其死亡率以及發(fā)病率都在全球占有相當大的比重[1]。賁門腺癌(cardia adenocarcinoma,CA)是胃癌的一種亞型,定位于解剖性賁門近、遠端5 cm內[2,3]。近年來不斷有報道表明,賁門腺癌在包括中國在內的亞洲國家的新發(fā)病例逐年顯著增加,在中國尤以Siewert Ⅱ、Ⅲ型腫瘤的患病率較高[4,5]。外科手術仍是醫(yī)治賁門腺癌的主要選擇,然而由于易產生疾病的遠處轉移和局部復發(fā),其總體預后仍然很差,賁門腺癌的治療仍然是一個挑戰(zhàn)[6,7]。而有研究表明,靶向治療在晚期或轉移性患者的治療中產生了令人鼓舞的結果[8],這提示我們手術聯(lián)合靶向治療具有一定的可行性。因此,對于賁門腺癌患者,發(fā)掘更多的生物標志物和治療靶標是十分有必要的,這可以實現(xiàn)更佳的治療效果,從而提高總體生存率。
染色體結構維持蛋白4(SMC4)隸屬于染色體結構維持(SMC)家族,該ATP酶家族能維持染色體結構的穩(wěn)定性,并參與真核細胞的有絲分裂[9,10]。SMC4已被揭示在染色體凝聚和有絲分裂姐妹染色單體分離中發(fā)揮重要作用,此外,其在調節(jié)多種癌癥的細胞周期進展甚至腫瘤的發(fā)展中也起重要作用[11,12]。然而SMC4在賁門腺癌的潛在作用和機制仍不清楚。本研究意在探究SMC4在賁門腺癌中的蛋白表達水平以及內在功能機制,從而為賁門腺癌的治療和預后提供有效靶點。
正常胃上皮細胞GES-1從武漢普諾賽生命科技有限公司獲取;從中國科學院上海細胞研究所購得人胃癌細胞系MKN-45、MGC-803、SGC-7901和BGC-823。從杭州天杭生物科技公司購置胎牛血清(FBS)及Materigel膠,從Gibco公司(美國)購買RPMI-1640培養(yǎng)基、胰蛋白酶,通過上海吉瑪基因有限公司生產對照shRNA、SMC4 shRNA-1、SMC4 shRNA-2所用序列的重組慢病毒液以及polybrene,PageRuler預染蛋白Marker于Thermo Scientific公司(美國)購得,于碧云天生物技術公司購買青-鏈霉素、細胞周期與細胞凋亡檢測試劑盒及BCA定量試劑盒,一抗(SMC4,CDK6,Bcl-2,α-Tubulin,Bax,Caspase-3,Cyclin D1,Vimentin,cleaved Caspase-3,N-cadherin,CDK4,P21,E-cadherin)及二抗均從Proteintech Group,Inc.公司(美國)購得,一抗(PI3K,p-PI3K,AKT,p-AKT,mTOR,p-mTOR)則來自Affinity Biosciences公司(美國),四甲基偶氮唑鹽(MTT)購自Biofroxx公司(德國),嘌呤霉素購自Sigma公司(美國)。
為了獲取賁門腺癌中的差異基因以進行賁門腺癌相關研究,2018-2019年,我們于蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院收集了20對賁門腺癌和癌旁對照組織標本。所有樣本已確認賁門腺癌的診斷。所有患者均未接受賁門腺癌術前治療,并且均已簽署知情同意書。蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院倫理審查委員會(BYYFY-2017KY21)已批準了此項研究。檢測過程中,每個樣品被分成三等份,再對劃分后的每個樣品組織通過質譜檢測其蛋白質表達譜,最后使用MaxQuant分析軟件識別差異表達的蛋白質。
將GES-1、BGC-823、MKN-45、MGC-803、SGC-7901細胞放在RPMI-1640完全培養(yǎng)基內培養(yǎng),以便后續(xù)提取不同細胞系的總蛋白,進行Western blot實驗檢測SMC4表達量,進而選取合適的細胞進行后續(xù)實驗;此外,處理過的NC組、SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組SGC-7901細胞亦置于RPMI-1640完全培養(yǎng)基內培養(yǎng),以便后續(xù)表型實驗的進行和總蛋白的提取。該完全培養(yǎng)基需預先混入1%青-鏈霉素和10%胎牛血清,細胞放置在37 ℃恒溫及5% CO2的適宜環(huán)境內培育,每隔2 d清洗并更替新鮮培養(yǎng)基。
為了進行后續(xù)表型實驗,且為防止敲除脫靶效應,對SGC-7901細胞的SMC4基因進行了兩條不同序列的敲除,因此將實驗分為3組:NC組、SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組。NC組SGC-7901細胞共轉染polybrene和對照shRNA重組慢病毒液,SMC4-RNAi1組SGC-7901細胞共轉染polybrene和SMC4 shRNA-1重組慢病毒液,SMC4-RNAi2組SGC-7901細胞共轉染polybrene和SMC4 shRNA-2重組慢病毒液。繼而經嘌呤霉素分選已穩(wěn)定敲除SMC4的細胞,隨后進行大量培養(yǎng)。SMC4 shRNA-1的序列:5′-GGGUAUGCUUGAAUAUUUATTUAAAU AUUCAAGCAUACCCTT-3′;SMC4-shRNAi-2的序列:5′-GCCCAAGAAUGUGUAAACUTTAGUUUACA CAUUCUUGGGCTT-3′。
使用MTT法進行細胞增殖實驗,以研究敲除SMC4后對細胞增殖的影響。以每個孔7×103的密度將NC組、SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組SGC-7901細胞移入96孔板中,并于5% CO2、37 ℃的環(huán)境中培養(yǎng)。分別于第24,48,72,96,120小時在每個孔內注入MTT,繼續(xù)置于之前的環(huán)境孵育4 h,然后將上清吸取并棄置,將二甲基亞砜(DMSO)加入孔板以進行MTT測定從而測試細胞活力。經酶標儀測定孔板最終的吸光度(OD值),波長設定值是490 nm。
除了MTT法以外,還通過克隆形成實驗驗證下調SMC4對細胞的增殖能力的影響。以每個孔3×103的密度將NC組、SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組的生長狀態(tài)優(yōu)良的SGC-7901細胞移入6孔板內,放置在37 ℃、5% CO2的濕潤環(huán)境中培養(yǎng)14 d。隨后取出6孔板,棄培養(yǎng)基,洗滌、固定、染色,分別使用PBS、4%多聚甲醛、結晶紫進行,晾干后統(tǒng)計菌落數,1個菌落細胞數量應超過50個。
采用劃痕實驗研究SMC4對細胞遷移能力的影響。以6×105每孔的密度將NC組、SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組SGC-7901細胞移入6孔板內,直至其生長至90%以上時,使用無菌移液管尖端于細胞表面劃過,并洗滌以去除細胞碎片。前后兩次在操作后0 h和24 h利用顯微鏡進行攝圖、分析。使用ImageJ量化傷口面積并推算愈合率,以評估24 h后的遷移能力。細胞遷移率計算方法如下:遷移率=(0 h劃痕寬度-24 h劃痕寬度)/0 h劃痕寬度×100%。
進行Transwell實驗探究敲除SMC4對細胞遷移、侵襲能力的影響。將NC組、SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組SGC-7901細胞培養(yǎng)、消化下來,取無血清培養(yǎng)基將其重新混勻,并以2×104每孔的密度置于Transwell小室上室中;將新鮮完全培養(yǎng)基添加到下室中,該培養(yǎng)基已事先混入10%胎牛血清,于適宜環(huán)境中培養(yǎng)。24 h后,將小室進行洗滌、固定、染色,干燥后進行成像、計數。Transwell遷移試驗如上所述,而Transwell侵襲試驗則在上腔室的底部預先涂覆有50 μl的Matrigel膠,孵育48 h,其余步驟同Transwell遷移試驗。
通過流式細胞術檢測下調SMC4對細胞周期進程的影響。將NC組、SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組SGC-7901細胞培養(yǎng)、消化下來,將收獲的細胞用預冷的PBS洗滌后,在預冷的70%乙醇中至少固定2 h,再次用預冷的PBS洗滌后,使用碘化丙啶(PI)對細胞進行染色。通過流式細胞儀檢測染色的細胞,并使用FLOWJO軟件分析SMC4對細胞周期各個階段的影響。
采用Western blot檢測在NC組、SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組SGC-7901細胞中SMC4的蛋白表達水平,以及凋亡相關蛋白(Caspase-3、Bcl-2、cleaved Caspase-3、Bax)、周期相關蛋白(CDK6、Cyclin D1、P21、CDK4)、EMT相關蛋白(Vimentin、N-cadherin、E-cadherin)、PI3K/AKT信號通路相關蛋白(磷酸化mTOR、磷酸化AKT、磷酸化PI3K)的表達水平。首先將不同細胞系GES-1、BGC-823、MKN-45、MGC-803、SGC-7901的細胞以及SGC-7901的NC組、SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組細胞經RIPA裂解緩沖液充分裂解后提取其總蛋白,裂解液已事先混入適量磷酸酶抑制劑、蛋白酶抑制劑,然后通過使用BCA法來檢測蛋白質濃度。隨后,取等量蛋白樣品對SDS-PAGE凝膠進行上樣,電泳以分離SDS-PAGE凝膠上的蛋白質,并轉印到PVDF膜上,使用快速封閉液將蛋白條帶封閉30 min。一抗SMC4,Bcl-2,Caspase-3,CDK6,cleaved Caspase-3,Cyclin D1,P21,p-mTOR,CDK4,p-AKT,p-PI3K,AKT,mTOR,PI3K以1 ∶1 000比例稀釋,一抗N-cadherin,α-Tubulin,Vimentin,Bax,E-cadherin以1 ∶5 000比例稀釋,將蛋白條帶置于稀釋后的一抗中,于4 ℃的環(huán)境下靜置一夜。再與合適的二抗孵育2 h,其中二抗以1 ∶5 000的比例稀釋,最后使用ECL對蛋白質條帶進行曝光顯影。通過Image J對條帶進行灰度值掃描,然后使用GraphPad Prism 7軟件進行統(tǒng)計分析。
利用GraphPad Prism 7軟件分析所有的數據,實驗至少反復進行3次,并以均數±標準差的形式表示。蛋白質譜結果分析中兩組間比較采用配對t檢驗。不同細胞間SMC4表達量、SMC4敲除效果、克隆形成實驗、劃痕實驗、Transwell實驗中多組間的差異比較采用單因素方差分析。MTT實驗、流式細胞術、Western blot檢測的周期相關蛋白、凋亡相關蛋白、EMT相關蛋白、PI3K/AKT信號通路相關蛋白實驗中多組間的差異比較采用兩因素方差分析。P<0.05時被視作差異有統(tǒng)計學意義。
蛋白質譜分析結果顯示,賁門腺癌患者組織中SMC4的蛋白水平顯著高于賁門腺癌癌旁組織(P<0.05,見圖1)。同時Western blot實驗的結果揭示了,與人正常胃上皮細胞GES-1相比,賁門腺癌細胞MKN-45、MGC-803、BGC-823、SGC-7901中SMC4的蛋白表達水平升高,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05,見圖1)。在其中選取SMC4表達水平居中的SGC-7901細胞完成后續(xù)試驗。
圖1 SMC4在賁門腺癌組織和細胞系中的蛋白表達水平Figure 1 Protein levels of SMC4 in cardia adenocarcinoma tissues and cell lines
Western blot的實驗結果表明,賁門腺癌細胞SGC-7901穩(wěn)定敲除SMC4基因(SMC4-RNAi1、SMC4-RNAi2)后,SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組SMC4的蛋白水平相比NC組顯著降低,差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05,見圖2)。由此可見,構建的穩(wěn)定敲除SMC4(SMC4-RNAi1、SMC4-RNAi2)的SGC-7901細胞是有效的。
克隆形成實驗的結果表明,SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組SGC-7901細胞所形成的集落數量明顯少于NC組(P<0.05,見圖3)。與之一致的是,MTT試驗測得的OD值結果亦證明,與NC組相比,SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組SGC-7901細胞的增殖活性顯著受抑(P<0.05,見圖3)。簡而言之,以上結果證明下調SMC4導致賁門腺癌細胞的增殖能力顯著降低。
與NC組相比,*P<0.05圖2 賁門腺癌穩(wěn)轉細胞株SGC-7901中SMC4的表達水平Figure 2 Protein levels of SMC4 in cardia adenocarcinoma stable cell line SGC-7901
與NC組相比,*P<0.05圖3 下調SMC4使SGC-7901細胞的增殖活性受抑Figure 3 SMC4 knockdown inhibits the proliferation of SGC-7901 cells
為了揭示SMC4對賁門腺癌細胞遷移、侵襲活性的調控作用,完成了傷口愈合試驗和Transwell試驗。結果發(fā)現(xiàn),劃痕24 h后SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組細胞遷移率較NC組低(P<0.05,見圖4)。Transwell試驗中,相較于NC組,SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組細胞的遷移數量大幅度下降(P<0.05,見圖5);細胞的侵襲數目亦大幅減少(P<0.05,見圖5)。上述結果表明,敲除SMC4對賁門腺癌細胞的遷移、侵襲活性具有顯著干擾作用。
傷口愈合實驗研究SMC4對遷移的影響,與NC組相比,*P<0.05圖4 下調SMC4致使SGC-7901細胞的遷移活性受抑Figure 4 Downregulation of SMC4 restrains the migration activity of SGC-7901 cells
與NC組相比,*P<0.05圖5 敲除SMC4致使SGC-7901細胞的侵襲、遷移性受抑Figure 5 SMC4 knockdown inhibits the invasion and migration of SGC-7901 cells
流式細胞術PI染色結果顯示,相較于NC組,在SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組G0/G1期細胞顯著增加,而S期和G2/M期細胞數則減少(P<0.05,見圖6),表明抑制SMC4可能誘導細胞周期G0/G1期阻滯。此外,Western blot分析還發(fā)現(xiàn),SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組細胞周期相關蛋白CDK4、CDK6、Cyclin D1的表達水平較NC組顯著降低,而細胞周期抑制劑P21的蛋白水平則升高(P<0.05,見圖6),這同樣證實了抑制SMC4可能導致細胞周期的G0/G1期阻滯。因此,我們發(fā)現(xiàn)敲除SMC4可以阻礙細胞周期進程。
Western blot分析結果表明,相較于NC組,SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組抗凋亡蛋白Bcl-2的蛋白水平下降,而使促凋亡蛋白cleaved Caspase-3、Caspase-3和Bax的表達量升高(P<0.05,見圖7)。由此,可以發(fā)現(xiàn)敲除SMC4可以促進賁門腺癌細胞的凋亡。
與NC組相比,*P<0.05圖6 敲除SMC4可以阻礙SGC-7901細胞的細胞周期進程Figure 6 SMC4 knockdown blocks cell cycle progression in SGC-7901 cells
與NC組相比,*P<0.05圖7 敲除SMC4可以促進SGC-7901細胞的凋亡Figure 7 SMC4 knockdown facilitates apoptosis of SGC-7901 cells
Western blot結果表明,與NC組相比較,SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組間質標志物N-cadherin、Vimentin的蛋白水平降低,與之相反,上皮標志物E-cadherin的蛋白表達水平上升(P<0.05,見圖8)。而且,SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組SGC-7901細胞內磷酸化mTOR、磷酸化AKT和磷酸化PI3K的蛋白表達量較之NC組顯著減少(P<0.05),而總的mTOR、AKT和PI3K的蛋白水平保持不變(見圖8)。綜上,SMC4低表達可以抑制賁門腺癌細胞的EMT過程并誘導PI3K/AKT通路失活。
圖8 下調SMC4抑制SGC-7901細胞的EMT過程和PI3K/AKT信號通路的激活Figure 8 Downregulation of SMC4 restrains EMT process and PI3K/Akt signaling pathway activation in SGC-7901 cells
賁門腺癌是位于食道和胃之間的惡性腫瘤,近年來,不論是西方國家還是亞洲國家,賁門腺癌的發(fā)病率都呈上升趨勢,其死亡率也逐步升高[13-15]。此外,由于賁門腺癌被確診時常常已是晚期,導致其預后效果不佳[16]。因此,探討賁門腺癌的發(fā)生和轉移機制對于尋找臨床有效治療手段具有重要的意義。
SMC4是編碼“染色體結構維持蛋白”的亞單位之一,是細胞周期從G1期進展到S期所必需的,在染色體凝聚和有絲分裂中發(fā)揮舉足輕重的作用[17]。最近不斷有研究表明,SMC4與腫瘤的細胞周期進程甚至腫瘤進展有密切聯(lián)系[11,12,18-21]。例如,下調SMC4會抑制結直腸癌細胞的侵襲、增殖、遷移、細胞周期進展,而促進細胞凋亡能力[18];SMC4過表達能顯著提升膠質瘤細胞的侵襲、增殖和遷移活性,并可以通過激活TGFβ/Smad信號介導膠質瘤細胞的侵襲性表型[19];SMC4敲除可使肺腺癌細胞的增殖和侵襲活性顯著受抑,并作為獨立的預后因素[20]。因此,對SMC4在賁門腺癌的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮的作用及其機制研究可能為賁門腺癌的治療提供有效的靶標。然而,SMC4與賁門腺癌之間的內在調控關系尚未明確。在本研究中,與上述結果相似,蛋白質譜分析結果顯示,賁門腺癌患者的賁門腺癌組織中SMC4蛋白表達量較賁門腺癌癌旁組織顯著升高;另外,賁門腺癌細胞MKN-45、MGC-803、BGC-823、SGC-7901內SMC4的蛋白表達水平顯著高于正常胃上皮細胞GES-1。這表明SMC4在賁門腺癌組織及細胞中高表達。因各個細胞株中SMC4的表達差異不是很大,于是在SMC4高表達的細胞中,我們根據是否為腺癌細胞株,以及細胞生長狀態(tài)和后續(xù)實驗的可行性,選取SGC-7901細胞進行深入試驗。為防止脫靶效應,對SGC-7901細胞的SMC4基因進行了兩條不同序列的敲除,因此將實驗分為NC組、SMC4-RNAi1組和SMC4-RNAi2組,Western blot結果表明敲除組(RNAi1組與RNAi2組)SMC4的蛋白水平相比NC組顯著下降,說明構建的SGC-7901細胞的兩個SMC4敲除序列都是有效的??寺⌒纬蓪嶒灪蚆TT實驗證明,與NC組相比,RNAi1組與RNAi2組的增殖能力顯著降低;傷口愈合試驗和Transwell試驗結果顯示,與NC組進行比較,RNAi1組與RNAi2組的遷移和侵襲能力受到干擾;流式細胞術的結果證明RNAi1組與RNAi2組G0/G1期細胞較之NC組顯著增加,而S期和G2/M期細胞數則減少,表明抑制SMC4可能誘導細胞周期G0/G1期阻滯,使細胞周期進展受到阻遏;Western blot分析同樣證明,RNAi1組與RNAi2組細胞中促進細胞周期進展的相關蛋白的表達量較之NC組顯著減少,而細胞周期抑制蛋白的表達量增多,表明下調SMC4使細胞周期進展受到阻遏;Western blot分析還顯示下調SMC4會導致RNAi1組與RNAi2組的抗凋亡蛋白的表達水平較之NC組降低,而促凋亡蛋白的蛋白水平則升高,使細胞凋亡能力顯著提升。綜合以上結果提示,SMC4在體內能促進賁門腺癌細胞的致瘤性,在賁門腺癌的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮類似癌基因的作用。
EMT是一個能暫且將上皮細胞轉化為準間充質細胞的動態(tài)過程,是一種能夠逆轉的細胞程序[22]。近來不斷有證據表明,EMT在多種腫瘤的疾病進程中發(fā)揮舉足輕重的作用,會導致細胞顯示出高度侵襲性、耐藥性、干細胞性,并易造成遠處器官轉移,進而誘發(fā)癌癥轉移和復發(fā)[23]。為了研究SMC4誘導的對賁門腺癌的遷移、侵襲能力的促進是否與EMT過程相關,以及癌癥的復發(fā)與轉移機制,我們通過Western blot研究了敲低SMC4后對賁門腺癌細胞內EMT相關蛋白的影響。研究結果表明,敲除SMC4會導致上皮標志物E-cadherin的蛋白表達量升高,而間質標志物Vimentin、N-cadherin的表達水平則下降。這表明敲除SMC4可以抑制賁門腺癌細胞的上皮間質轉化過程,而我們前面已經證明下調SMC4會導致賁門腺癌細胞遷移和侵襲能力減弱,這說明賁門腺癌細胞遷移和侵襲的發(fā)生可能是通過介導EMT過程實現(xiàn)的,可進一步推測下調SMC4可能對賁門腺癌的轉移和復發(fā)具有一定的阻礙作用。
PI3K/AKT通路為正常細胞生理過程中最舉足輕重的信號通路之一[24]。有證據證實PI3K/AKT通路于不同癌癥中被異常激活,其異常激活與腫瘤生長有密切聯(lián)系[25-27]。而目前涉及PI3K/AKT通路在賁門腺癌中的研究較為少見,為了探討PI3K/AKT通路是否在賁門腺癌中被異常激活,其異常激活是否與賁門腺癌的生長有內在聯(lián)系,因此,本研究探討了SMC4在賁門腺癌中與PI3K/AKT通路相關蛋白的調控關系。結果證明,下調SMC4會導致賁門腺癌細胞中磷酸化mTOR、磷酸化AKT和磷酸化PI3K的相對蛋白水平較之NC組顯著降低,致使PI3K/AKT通路的激活受抑。此外,有文獻報道,該通路的異常激活還會調控細胞的凋亡、轉移、增殖、自噬,它對上皮間質轉化和化療耐藥的調控也具備核心功能[28]。因此,SMC4敲除后,對賁門腺癌細胞增殖、遷移、侵襲能力、周期進展、EMT過程的抑制以及對細胞凋亡的促進,可能是通過調控PI3K/AKT信號通路實現(xiàn)的。但SMC4對賁門腺癌細胞中PI3K/AKT的內在功能機制仍需要進一步深入的探索。
綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn),下調SMC4導致賁門腺癌細胞株SGC-7901的增殖、遷移、侵襲能力、周期進展、EMT過程受到抑制,使細胞凋亡能力受到促進,致使賁門腺癌的發(fā)生發(fā)展受抑,而這些抑制作用可能是通過失活PI3K/AKT通路完成的。這表明了SMC4可能成為預后、治療靶標的潛藏價值。