李 琳,陳佳意,韓秋影,李愛玲,滿江紅,潘 欣
(國(guó)家生物醫(yī)學(xué)分析中心,北京 100850)
腦膠質(zhì)瘤源自神經(jīng)上皮,是最常見的顱內(nèi)惡性腫瘤之一,約占腦腫瘤的1/2。據(jù)病理學(xué)特征其可分類為星形細(xì)胞瘤、髓母細(xì)胞瘤、多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、室管膜瘤和少突膠質(zhì)母細(xì)胞瘤等,其中多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤是膠質(zhì)瘤中惡性程度最高的一類腫瘤,患者平均生存周期僅為12~15個(gè)月[1-2]。最常用的治療方法是手術(shù)切除結(jié)合放化療,但療效很不理想[3]。腦膠質(zhì)瘤干細(xì)胞(glioma stem cells,GSC)是腫瘤中一類具有自我更新、多向分化潛能和腫瘤形成能力的細(xì)胞。越來(lái)越多的研究表明,GSC使腫瘤抵抗放療和化療,最終導(dǎo)致癌癥復(fù)發(fā)[4-7]。
2011年,2個(gè)研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)發(fā)現(xiàn)CCDC109A基因編碼線粒體鈣離子單向轉(zhuǎn)運(yùn)體(mitochondrial calcium uniporter,MCU)[8-9]。MCU是一類位于線粒體內(nèi)膜分子質(zhì)量約35 ku的蛋白,控制鈣離子進(jìn)入線粒體,是細(xì)胞能量代謝、產(chǎn)生活性氧和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的主要介質(zhì)[10-11],目前認(rèn)為其與腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移相關(guān)。據(jù)報(bào)道,受體相互作用蛋白激酶1可通過(guò)MCU促進(jìn)結(jié)腸癌能量代謝,最終促進(jìn)腫瘤發(fā)展[12]。MCU通過(guò)低氧誘導(dǎo)因子1α影響血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子表達(dá),促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的侵襲和遷移[13]。MCU還可通過(guò)抑制煙酰胺腺嘌呤二核苷酸/去乙?;?/超氧化物歧化酶2通路促進(jìn)活性氧的產(chǎn)生,從而促進(jìn)肝癌細(xì)胞的侵襲和遷移[14]。
多形性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤在腦膠質(zhì)瘤中惡性程度最高,手術(shù)切除結(jié)合放化療的療效并不理想,原因之一是其中的GSC對(duì)放化療不敏感,且具有無(wú)限增殖和自我更新的能力,能促使腫瘤發(fā)展[3-7]。因此,研究調(diào)控腦GSC對(duì)抑制腦膠質(zhì)瘤發(fā)生發(fā)展及治療提供了新策略。線粒體離子通道是新發(fā)現(xiàn)的腫瘤靶點(diǎn),能夠調(diào)節(jié)腫瘤的生長(zhǎng)和進(jìn)展[15]。已有研究報(bào)道,線粒體鈣離子吸收與乳腺癌、肝癌、結(jié)腸癌和胰腺癌等發(fā)展密切相關(guān),提示靶向MCU可能是抑制腫瘤的新策略。但MCU在膠質(zhì)瘤以及腫瘤干細(xì)胞中的作用尚未闡明,且關(guān)于MCU介導(dǎo)的線粒體鈣離子信號(hào)通路在癌癥中的功能研究亦處于起步階段。因此闡明MCU在膠質(zhì)瘤發(fā)生發(fā)展中的作用,對(duì)于改善膠質(zhì)瘤臨床治療效果具有重要意義。本研究觀察MCU對(duì)腦GSC增殖和成瘤能力的影響,為探討MCU作為腦膠質(zhì)瘤潛在治療靶點(diǎn)提供依據(jù)。
BALB/c祼小鼠:北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司,SPF級(jí)環(huán)境飼養(yǎng)。人腦GSC(T456,T4121,T387和 T3832)、人膠質(zhì)瘤細(xì)胞(U87和U251)和人神經(jīng)干細(xì)胞(16157),美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分校Jeremy Rich實(shí)驗(yàn)室;人星形膠質(zhì)細(xì)胞(NHA),北京北納創(chuàng)聯(lián)生物科技有限公司;人胚胎腎細(xì)胞(HEK293T),中國(guó)科學(xué)院上海細(xì)胞庫(kù);大腸桿菌E.coliDH5α感受態(tài)細(xì)胞(BC102),中國(guó)博邁德基因技術(shù)有限公司;pCMV-VSVG質(zhì)粒和PAX2質(zhì)粒均由本實(shí)驗(yàn)室自制獲得;兔抗人MCU多克隆抗體、細(xì)胞消化酶、Triton?X-100和抗β微管蛋白抗體,美國(guó)Sigma-Aldrich公司;辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記山羊抗兔IgG抗體和山羊抗小鼠IgG抗體,優(yōu)寧維生物公司;PowerUp SYBR Green Master Mix、神經(jīng)細(xì)胞基礎(chǔ)(neuro-basal)培養(yǎng)基和B-27血清替代物,美國(guó)Thermo Fisher公司;DMEM培養(yǎng)基、青/鏈霉素混合液、左旋谷氨酰胺、丙酮酸鈉、胰蛋白酶和磷酸鈣轉(zhuǎn)染試劑盒,中國(guó)邁晨科技有限公司;胎牛血清,中國(guó)依科賽生物科技有限公司;5×PrimeScript RT Master Mix,日本TaKaRa公司;堿性成纖維生長(zhǎng)因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)和重組人表皮生長(zhǎng)因子蛋白(recombinant human epidermal growth factor protein,rhEGF),美 國(guó) R&D Systems公司;MCU抑制劑DS16570511,美國(guó)MedChemExpress公司;質(zhì)粒提取試劑盒和Cell Titer-Glo?Luminescent細(xì)胞活力檢測(cè)試劑盒,美國(guó)Promega公司。CO2恒溫細(xì)胞培養(yǎng)箱(FORMA3111)和PCR儀(GSX1),美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司;微量分光儀(NanoDrop2000c),中國(guó)基因有限公司;低溫高速離心機(jī)(5424R),德國(guó)Eppendorf公司;Western電泳儀(164-5070),美國(guó)Bio-Rad公司。
T456,T4121,T387,T3832和16157細(xì)胞接種于干細(xì)胞完全培養(yǎng)基〔每500 mL neuro-basal培養(yǎng)基中加入B-27血清替代物10 mL,左旋谷氨酰胺5 mL,丙酮酸鈉5 mL,青/鏈霉素雙抗混合液5 mL及bFGF和rhEGF(終濃度均為10 μg·L-1)〕,U87,U251和NHA細(xì)胞接種于DMEM完全培養(yǎng)基(每500 mL DMEM培養(yǎng)基中加入胎牛血清50 mL和青/鏈霉素雙抗混合液5 mL),置37℃,5%CO2恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。
在Public TRC Portal和Sigma網(wǎng)站中檢索MCU基因,獲得得分高且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證適用于pLKO.1載體的2個(gè)MCU短發(fā)夾RNA(short hairpin RNA,shRNA)干涉序列:MCU shRNA#1序列為5'-CCGGCAATCAACTCAAGGATGCAATCTCGAGATTGCATCCTTGAGTTGATTGTTTTTTG-3',MCU shRNA#2序列為5'-CCGGCCAGCAACTATACACCACACTCTCGAGAGTGTGGTGTATAGTTGCTGGTTTTTTG-3'。同時(shí)設(shè)shRNA干涉陰性對(duì)照(shNT)序列為5'-CCGGCGCTGAGTACTTCGAAATGTCCTCGAGGACATTTCGAAGTACTCAGCGTTTTTTG-3'。上述序列由北京天一輝遠(yuǎn)生物科技有限公司合成。
將1.3序列95℃退火,連接載體pLKO.1,構(gòu)建shNT,shMCU#1和shMCU#2及LUC-shNT,LUC-shMCU#1和LUC-shMCU#2質(zhì)粒。質(zhì)粒與大腸桿菌E.coliDH5α感受態(tài)細(xì)胞混合,冰上靜置30 min,然后熱激;隨后將菌液鋪板,16 h后取單菌落提取質(zhì)粒DNA測(cè)序鑒定。
1.5.1 慢病毒包裝和制備
直徑10 cm培養(yǎng)皿中加入DMEM完全培養(yǎng)基10 mL,每皿接種HEK293T 2.5×106細(xì)胞培養(yǎng)12 h。按磷酸鈣轉(zhuǎn)染試劑盒說(shuō)明書的方法制備質(zhì)粒轉(zhuǎn)染體系:HBS 1 mL,pCMV-VSVG質(zhì)粒1.5 μg,PAX2質(zhì)粒4.5 μg,CaCl2溶液67 mL,目的質(zhì)粒(shNT,shMCU#1,shMCU#2,LUC-shNT,LUC-shMCU#1 或LUC-shMCU#2)6 μg?;靹蜢o置15 min,將轉(zhuǎn)染體系加入上述培養(yǎng)皿中,置37℃,5%CO2恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)6 h。棄上清,換為干細(xì)胞完全培養(yǎng)基,繼續(xù)培養(yǎng)至72 h,分別收集培養(yǎng)上清。上清于常溫、7000×g離心5 min,再次收集上清,用0.45 μm孔徑濾器過(guò)濾,獲得shNT,shMCU#1和shMCU#2及LUC-shNT,LUC-shMCU#1或LUC-shMCU#2慢病毒,置-80℃冰箱保存待用。
1.5.2 細(xì)胞轉(zhuǎn)染
向直徑10 cm培養(yǎng)皿中加入干細(xì)胞完全培養(yǎng)基5 mL,接種消化處理好的 T387,T3832,T4121和T456細(xì)胞,密度約為2×109L-1。加入shNT,shMCU#1和shMCU#2慢病毒或LUC-shNT,LUC-shMCU#1和LUC-shMCU#2慢病毒5 mL,混勻。置37℃,5%CO2培養(yǎng)24 h后細(xì)胞傳代,并加入嘌呤霉素(終濃度2 g·L-1)篩選48 h,得到成功感染shNT,shMCU#1和shMCU#2病毒的細(xì)胞,分別命名為shNT,shMCU#1和shMCU#2細(xì)胞;得到成功感染LUC-shNT,LUC-shMCU#1和LUC-shMCU#2病毒的細(xì)胞,分別命名為L(zhǎng)UC-shNT,LUC-shMCU#1和LUC-shMCU#2細(xì)胞。
將4種腦GSC和2種膠質(zhì)瘤細(xì)胞(U87和U251)吸至15 mL的離心管中,離心棄上清;加入生理鹽水10 mL洗滌細(xì)胞,再離心棄上清;加入細(xì)胞消化酶2 mL消化3 min,加入氯化鈉10 mL離心,收集細(xì)胞。將膠質(zhì)瘤細(xì)胞U87和U251用胰蛋白酶消化成懸浮單細(xì)胞,轉(zhuǎn)移至15 mL的離心管中離心,棄上清,收集細(xì)胞。使用實(shí)驗(yàn)室自配的RIPA裂解液裂解上述細(xì)胞收集蛋白質(zhì),經(jīng)Bradford法進(jìn)行蛋白質(zhì)定量進(jìn)行SDS-PAGE凝膠電泳,轉(zhuǎn)印至PVDF膜,用5%牛奶封閉1 h,加入抗MCU抗體(稀釋比例1∶1000)和抗β微管蛋白抗體(稀釋比例1∶5000),4℃搖床孵育過(guò)夜。而后用辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記山羊抗兔IgG抗體(1∶5000)室溫孵育1 h后,加入Western發(fā)光檢測(cè)液檢測(cè)MCU蛋白條帶。
Trizol法提取4種腦GSC、2種膠質(zhì)瘤細(xì)胞(U87和U251)和轉(zhuǎn)染病毒的4種腦GSC總RNA。逆轉(zhuǎn)錄體系總體積為10 μL。取總RNA 500 ng,加入5×PrimeScript RT Master Mix 2 μL,雙蒸水補(bǔ)至10 μL,于PCR儀中37℃ 20 min,85℃ 15 s,逆轉(zhuǎn)錄為cDNA,再進(jìn)行RT-qPCR檢測(cè)。內(nèi)參基因β肌動(dòng)蛋白上游引物為(F)AGAAAATCTGGCACCACACC,下游引物為(R)AGAGGCGTACAGGGATAGCA;MCU上游引物(F)CCACCGGACGGTACACCA,下游引物(R)GTACCTTTTCCAGGGGA-GCC。反應(yīng)條件:95℃ 10 min;95℃ 15 s,60℃ 60 s,40個(gè)循環(huán)。MCUmRNA表達(dá)水平用2-ΔΔCt表示。
用MCU抑制劑DS16570511處理腦GSC(T456和T4121)、人神經(jīng)干細(xì)胞(16157)及人星形膠質(zhì)細(xì)胞(NHA),分別設(shè)細(xì)胞對(duì)照(0.1%DMSO)組、DS16570511 25和50 μmol·L-1組,于培養(yǎng)第0,2,4和6天檢測(cè)細(xì)胞活力,第6天觀察形成腫瘤球的大小和細(xì)胞形態(tài)。
將成功轉(zhuǎn)染shNT,shMCU#1和shMCU#2病毒的4種GSC及DS16570511處理的T387,T4121,16157和NHA細(xì)胞以每孔2000細(xì)胞加入96孔板,每孔加入所需培養(yǎng)基200 μL,每組設(shè)3復(fù)孔。將96孔板置37℃,5%CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱中,分別在培養(yǎng)第0,2,4和6天加入細(xì)胞活力檢測(cè)試劑100 μL,將96孔板置Glomax全自動(dòng)熒光儀,檢測(cè)各孔細(xì)胞熒光強(qiáng)度。細(xì)胞活力(%)=(實(shí)驗(yàn)組熒光強(qiáng)度-對(duì)照組熒光強(qiáng)度)/對(duì)照組熒光強(qiáng)度×100%
同1.8處理細(xì)胞,培養(yǎng)至第6天,用成像顯微鏡觀察每組細(xì)胞腫瘤球大小,同時(shí)利用手動(dòng)計(jì)數(shù)器記錄每組細(xì)胞形成腫瘤球的數(shù)量。
將構(gòu)建的T387-LUC-shNT,T387-LUC-shMCU#1和T387-LUC-shMCU#2細(xì)胞及T4121-LUC-shNT,T4121-LUC-shMCU#1和T4121-LUC-shMCU#2細(xì)胞分別處理成單細(xì)胞懸液,將5×104細(xì)胞注射至麻醉的BALB/c裸小鼠腦實(shí)質(zhì)中,進(jìn)針位置為:前鹵點(diǎn)前1 mm,中線右1 mm。每組8只。接種25 d后,用IVIS活體成像系統(tǒng)對(duì)小鼠腦部進(jìn)行生物發(fā)光檢測(cè),檢測(cè)小鼠腦內(nèi)移植瘤體積,并記錄小鼠生存時(shí)間。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)用±s表示。所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)至少3次,實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用GraphPad Prism軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,3組以上的比較使用單因素方差分析(one way ANOVA),組間兩兩比較應(yīng)用t檢驗(yàn)。細(xì)胞活力比較采用重復(fù)測(cè)量資料的方差分析。P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
Western印跡實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖1A)顯示,與膠質(zhì)瘤細(xì)胞 U87和 U251相比,T4121,T387,T3832和T456 4種腦GSC中MCU蛋白表達(dá)較高。RT-qPCR結(jié)果(圖1B)顯示,除T456細(xì)胞,上述3種腦GSC中MCUmRNA水平亦高于U87和U251(P<0.05,P<0.01)。
Fig.1 Expression of mitochondrial calcium uniporter(MCU) in brain glioma stem cells(GSCs)T456,T4121,T387 and T3832,and glioma cells U87 and U251 detected by Western blotting(A)and real timequantitative PCR(RT-qPCR)(B).-x±s,n=3.*P<0.05,**P<0.01,compared with U87 cells;#P<0.05,##P<0.01,compaired with U251 cells.
圖2結(jié)果顯示,與shNT相比,分別轉(zhuǎn)染shMCU#1和shMCU#2病毒4 d后,4種腦GSC中MCUmRNA水平均顯著下降(P<0.01),其中T387-shMCU#1和T387-shMCU#2細(xì)胞下降至T387-shNT細(xì)胞的30.6%和33.8%,T4121-shMCU#1和T4121-shMCU#2細(xì)胞下降至T4121-shNT細(xì)胞的34.5%和35.1%,T3832-shMCU#1和T3832-shMCU#2細(xì)胞下降至T3832-shNT細(xì)胞的27.6%和22.0%,T456-shMCU#1和T456-shMCU#2細(xì)胞下降至T456-shNT細(xì)胞的32.3%和21.9%。
Fig.2 Knockdown effect of short hairpin RNA(shRNA)on mRNA levels of MCU in T387(A),T4121(B),T3832(C)and T456(D)cells by RT-qPCR.T387,T4121,T3832 and T456 cells were transfected with negative control shRNA(shNT),MCU-shRNA#1(shMCU#1)and MCU-shRNA#2(shMCU#2)for 96 h.±s,n=3.**P<0.01,compared with corresponding shNT group.
圖3結(jié)果顯示,培養(yǎng)至第6天,轉(zhuǎn)染shMCU#1和 shMCU#2慢病毒的 T387,T4121,T3832和T456細(xì)胞較各自shNT組比較,細(xì)胞活力均明顯降低(P<0.01),表明敲低MCU表達(dá)后腦GSC增殖被抑制。
Fig.3 Effect of MCU knockdown on viability of T387(A),T4121(B),T3832(C)and T456(D)cells.See Fig.2 for the cell transfection.The cells transfected by shRNA were seeded into 96-well plates with 2000 cells per well.Cell viability was detected using the CellTiter-Glo? luminescent cell viability assay.±s,n=3.**P<0.01,compared with corresponding shNT group.
圖4結(jié)果顯示,培養(yǎng)至第6天,4種腦GSC分別轉(zhuǎn)染shMCU#1和shMCU#2慢病毒后,其形成的腫瘤球較小,且數(shù)量較各自shNT組均顯著減少(P<0.01),表明敲低MCU表達(dá)可影響GSC增殖和自我更新能力。
Fig.4 Effect of MCU knockdown on tumor sphere formation of T387,T4121,T3832 and T456 cells.See Fig.2 for the cell transfection.The formation of tumor spheres was observed on the 6thday after transfection.The morphology of tumor spheres(A)was photographed with an imaging microscope and the number of tumor spheres(B)was counted.±s,n=3.**P<0.01,compared with corresponding shNT group.
圖5結(jié)果顯示,培養(yǎng)至第6天,DS16570511 25 μmol·L-1可顯著抑制T387,T4121和16157細(xì)胞活力(P<0.05,P<0.01)及腫瘤球大?。≒<0.05),但對(duì)NHA細(xì)胞活力影響較弱(P<0.05),對(duì)NHA細(xì)胞形態(tài)無(wú)明顯影響;50 μmol·L-1能顯著抑制該4種細(xì)胞活力(P<0.01),同時(shí)NHA細(xì)胞死亡。表明DS16570511 25 μmol·L-1可特異性抑制腦GSC和神經(jīng)干細(xì)胞,而對(duì)正常神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞生長(zhǎng)無(wú)明顯影響。
Fig.5 Effect of DS16570511 on cell viability(A)and tumor sphere formation(B)of T387,T4121,16157 and NHA cells.GSC(T456 and T4121),human neural stem cells(16157)and human astrocytes(NHA)were treated with MCU inhibitor DS16570511.The cell viability was detected on the 0,2nd,4thand 6thdays.The size of tumor spheres and cell status were detected on the 6thday.±s,n=3.*P<0.05,**P<0.01,compared with corresponding cell control group.
圖6結(jié)果顯示,與接種LUS-shNT細(xì)胞組相比,接種LUS-shMCU#1和LUS-shMCU#2細(xì)胞的裸小鼠顱內(nèi)移植瘤區(qū)域發(fā)光明顯減弱,祼小鼠存活時(shí)間亦顯著延長(zhǎng)。T387-LUC-shNT細(xì)胞移植瘤小鼠平均存活33 d,敲低MCU后移植瘤小鼠平均存活時(shí)間分別延長(zhǎng)至67和66 d;T4121-LUC-shNT細(xì)胞移植瘤小鼠平均存活34 d,敲低MCU后移植瘤小鼠平均存活時(shí)間分別延長(zhǎng)至75和73 d。
Fig.6 Knockdown MCU inhibited tumorigenesis ability(A1,A2)of T387 and T4121 cells and prolonged survival time(B1,B2)of xenografted nude mice.The cells transfected by LUC-shRNA were injected into the intracranial of BALB/c nude mice.Bioluminescence imaging was performed on the brains of BALB/c nude mice afer 25 d,and the mouse survival time was recorded.n=8.
本研究結(jié)果表明,MCU在GSC中高表達(dá),且敲低MCU可抑制GSC自我更新能力和增殖,提示MCU可能是影響GSC生長(zhǎng)的靶點(diǎn)。據(jù)報(bào)道,DS16570511是 MCU 抑制劑,25 μmol·L-1能顯著抑制線粒體的鈣吸收,即抑制MCU功能[16]。本研究結(jié) 果表明,DS16570511 25 μmol·L-1處理后T387,T4121和16157細(xì)胞活力明顯降低,但對(duì)NHA細(xì)胞活力和增殖影響較小,表明MCU可能特異性地在腦GSC中發(fā)揮作用。GSC的主要功能是起始腫瘤發(fā)生,促進(jìn)腫瘤發(fā)展。為此,本研究構(gòu)建了裸小鼠顱內(nèi)原位移植瘤模型。結(jié)果顯示,敲低MCU后裸小鼠顱內(nèi)移植瘤生長(zhǎng)明顯緩慢,且移植瘤裸小鼠的存活時(shí)間顯著延長(zhǎng)。上述結(jié)果表明,MCU可調(diào)控腦GSC增殖。
已知線粒體鈣具有調(diào)控細(xì)胞死亡和能量合成的重要功能。但MCU是否通過(guò)調(diào)控GSC的能量合成或其他細(xì)胞死亡途徑影響GSC增殖尚不清楚。本研究?jī)H聚焦于MCU在腦GSC的功能,未闡明具體的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)制,如MCU已知的調(diào)控因子腺苷酸活化蛋白激酶或鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ等在GSC中是否發(fā)揮調(diào)控MCU功能的作用值得進(jìn)一步探索。
綜上所述,敲低MCU表達(dá)可抑制GSC體外增殖和自我更新能力,亦可抑制GSC在裸小鼠顱內(nèi)原位成瘤能力,且延長(zhǎng)移植瘤小鼠的存活時(shí)間。本研究為MCU調(diào)控腫瘤發(fā)展研究提供依據(jù),也為其調(diào)控腦GSC研究提供新思路。
中國(guó)藥理學(xué)與毒理學(xué)雜志2022年9期