王全凱,金惠萍,李昕葦,崔旭芳,顧軼婷,烏瀚寶櫟爾,康同影,許建寧,*
(1.中國(guó)疾病預(yù)防控制中心職業(yè)衛(wèi)生與中毒控制所,北京 100050;2.中國(guó)疾病預(yù)防控制中心創(chuàng)傷與化學(xué)中毒全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100050)
甲基丙烯酸縮水甘油酯(glycidyl methacrylate,GMA),又稱甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯、甲基丙烯酸-2,3-環(huán)氧丙基酯,是一種無(wú)色透明、易融于多種有機(jī)溶劑的液體。GMA防紫外線、耐水、耐熱等優(yōu)良特性使其被大量應(yīng)用于環(huán)氧聚合物,牙科和骨科材料等復(fù)合材料的合成和改性[1]。早在2009 年,經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(Organization for Economic Co-operation and Development,OECD)篩選數(shù)據(jù)集中已將GMA分類為高產(chǎn)量化學(xué)品[2]。GMA 的職業(yè)暴露和環(huán)境釋放通常與其產(chǎn)品制備過(guò)程相關(guān)且無(wú)可避免,在生產(chǎn)或使用GMA的化工廠附近,一般人通過(guò)飲用水和食用魚類接觸GMA的機(jī)會(huì)分別為2.97×10-4和1.34×10-5mg/kg[3];而在使用含有雙酚A-甲基丙烯酸縮水甘油酯和三乙二醇二甲基丙烯酸酯的牙齒和骨骼復(fù)合材料時(shí),包括幼兒在內(nèi)的患者可能會(huì)短期接觸到未反應(yīng)的GMA 單體[4]。流行病學(xué)調(diào)查顯示,吸入濃度為32.95 mg/m3時(shí),會(huì)對(duì)人體造成明顯的毒性反應(yīng)[5]。國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(International Agency for Research on Cancer,IARC)根據(jù)“強(qiáng)有力”的致癌機(jī)制證據(jù)及“充分”的實(shí)驗(yàn)證據(jù),將GMA歸類為2A類“對(duì)人類很可能致癌”[5]。本課題組既往研究發(fā)現(xiàn),使用GMA 染毒第30 代16HBE 細(xì)胞,二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide,DMSO)為對(duì)照組,GMA 組細(xì)胞可在軟瓊脂中形成集落,且細(xì)胞在裸鼠成瘤實(shí)驗(yàn)結(jié)果陽(yáng)性,裸鼠皮下腫塊經(jīng)病理組織學(xué)檢查診斷為鱗狀上皮細(xì)胞癌,而同時(shí)期DMSO 組細(xì)胞未形成集落和裸鼠皮下腫塊[6]。但GMA 在蛋白水平上的致癌機(jī)制仍不甚明確。
醛 脫 氫 酶 3A1(aldehyde dehydrogenase 3a1,ALDH3A1)是ALDH 超家族的重要成員之一,該家族成員能夠氧化多種內(nèi)源性和外源性醛類物質(zhì)為相應(yīng)的羧酸。近年來(lái),ALDH3A1 已被證明在包括口腔癌[7]、小細(xì)胞肺癌[8]等多種癌癥類型中出現(xiàn)明顯的下調(diào)表達(dá)。ALDH3A1可作為預(yù)測(cè)惡性腫瘤預(yù)后的生物標(biāo)志物同時(shí)其表達(dá)水平可能與不良臨床結(jié)局相關(guān)。范飛飛等[9]以癌癥基因組圖譜(TCGA)中肺腺癌患者的RNA 測(cè)序數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),發(fā)現(xiàn)ALDH3A1 在有轉(zhuǎn)移的肺腺癌患者中明顯高表達(dá),與癌癥干細(xì)胞及其上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)特性有關(guān)。此外,敲除ALDH3A1 的A549 細(xì)胞增殖、遷移和侵襲能力明顯下降。在口腔鱗狀細(xì)胞癌中,ALDH3A1 被證明可通過(guò)IL-6/STAT3 信號(hào)通路抑制細(xì)胞的EMT 過(guò)程[7,10]。根據(jù)本課題組前期蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,GMA 誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞中ALDH3A1 蛋白表達(dá)水平是未處理對(duì)照細(xì)胞的73%,即表達(dá)下調(diào)了27%,且ALDH3A1 富集到6 個(gè)KEGG 通路中,故ALDH3A1 可能為GMA 誘導(dǎo)16HBE 細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化過(guò)程中的關(guān)鍵差異表達(dá)蛋白質(zhì)。然而,ALDH3A1 能否作為GMA 誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化的生物標(biāo)志物目前尚不清楚。
本研究在課題組既往建立的GMA誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE 細(xì)胞模型基礎(chǔ)上,使用瞬時(shí)轉(zhuǎn)染技術(shù)過(guò)表達(dá)ALDH3A1,研究GMA 致癌性分子機(jī)制,以期明確其與ALDH3A1表達(dá)水平的關(guān)聯(lián)。
GMA(純度≥98.5%)和DMSO 購(gòu)于美國(guó)Sigma 公司;Lipofectamine 3000 和無(wú)血清opti-MEM 培養(yǎng)基購(gòu)于美國(guó)Thermo Fisher 公司;0.25%胰酶-EDTA 購(gòu)于北京索萊寶科技有限公司;無(wú)RNase 水購(gòu)于北京金克隆科技有限公司;標(biāo)準(zhǔn)胎牛血清購(gòu)于美國(guó)Gibco 公司;TRIzol 試劑購(gòu)于美國(guó)Invitrogen 生命技術(shù)有限公司。Western blot 中使用的PageRuler 預(yù)染蛋白梯購(gòu)于美國(guó)Thermo Fisher 公司,一抗ALDH3A1、IL-6、STAT3、E-cadherin、MMP3、Snail、Vimentin 購(gòu)于美國(guó)Abcam公司;辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記的IgG 抗體購(gòu)于碧云天有限公司。
CO2恒溫培養(yǎng)箱購(gòu)于美國(guó)Thermo Fisher 公司;臺(tái)式高速低溫離心機(jī)購(gòu)于美國(guó)Beckman 公司;倒置顯微鏡購(gòu)于日本Olympus公司;熒光顯微鏡購(gòu)于美國(guó)Leica公司;潔凈工作臺(tái)購(gòu)于上海博迅實(shí)業(yè)有限公司;HH-6-恒溫水浴鍋購(gòu)于江蘇天瑞電子儀器廠;Infinite 200pro 酶聯(lián)免疫檢測(cè)儀購(gòu)于瑞士Tecan 公司;電泳儀購(gòu)于北京六一生物科技有限公司;全自動(dòng)化學(xué)發(fā)光成像系統(tǒng)購(gòu)于上海天能生命科學(xué)有限公司;ViiA 7實(shí)時(shí)定量PCR反應(yīng)體系購(gòu)于美國(guó)Thermo Fisher公司。
16HBE 細(xì)胞為人支氣管上皮細(xì)胞,是經(jīng)SV40 Large T抗原永生化的細(xì)胞,保留著正常人器官氣道上皮細(xì)胞的特定形態(tài)和功能,由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)捐贈(zèng)。復(fù)蘇細(xì)胞后,使用含有10%胎牛血清(fetal bovine serum,F(xiàn)BS)的MEM 培養(yǎng)基,于37 ℃、CO2體積分?jǐn)?shù)為5%的恒溫培養(yǎng)箱中進(jìn)行細(xì)胞傳代培養(yǎng)?;诒菊n題組既往GMA 細(xì)胞毒性和細(xì)胞克隆形成率結(jié)果[11],取對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期16HBE 細(xì)胞接種于培養(yǎng)瓶中,24 h后向培養(yǎng)液中加入終濃度為8 μg/mL的GMA染毒液,等量DMSO 為溶劑對(duì)照。每次染毒時(shí)間72 h,間隔24 h 后進(jìn)行第2 次染毒,重復(fù)染毒3 次后結(jié)束染毒,細(xì)胞記為第0代(P0),更換為含有5% FBS的MEM培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng),每3 d 換液1 次,每5 d 傳代1 次,傳代過(guò)程中收取第40 代(P40)GMA 處理組和同代齡DMSO 對(duì)照組細(xì)胞,經(jīng)多種實(shí)驗(yàn)鑒定,P40 GMA(8 μg/mL)處理組細(xì)胞已完成惡性轉(zhuǎn)化過(guò)程,惡性轉(zhuǎn)化特征顯著且穩(wěn)定,可用于后續(xù)ALDH3A1 功能和作用機(jī)制的探索和研究[12]。
過(guò)表達(dá)質(zhì)粒構(gòu)建通過(guò)將人ALDH3A1 cDNA 插入質(zhì)粒載體GV658中獲得,通過(guò)DNA測(cè)序證實(shí)其構(gòu)建成功。ALDH3A1過(guò)表達(dá)質(zhì)粒和對(duì)照質(zhì)粒均由中國(guó)上海吉?jiǎng)P化學(xué)股份有限公司合成。構(gòu)建ALDH3A1 過(guò)表達(dá)質(zhì)粒的引物序列見(jiàn)表1。
表1 構(gòu)建ALDH3A1過(guò)表達(dá)質(zhì)粒使用的引物列表
提取各組細(xì)胞總蛋白,BCA 法蛋白定量后進(jìn)行SDS-PAGE 電泳,使用PageRuler 預(yù)染蛋白梯作為標(biāo)準(zhǔn)。5%的脫脂牛奶封閉PVDF 膜(0.45 μm),TBST 緩沖液沖洗3 次,每次5 min,然后分別加入一抗ALDH3A1、 IL-6、 STAT3、 E-cadherin、 MMP3、Snail、Vimentin(1∶1 000稀釋) 4 ℃孵育過(guò)夜,內(nèi)參抗體為GAPDH。次日,使用辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記的IgG抗體作為二抗(1∶1 000 稀釋)室溫孵育1 h 后用TBST再次清洗膜3次,ECL試劑處理膜后曝光成像。
實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈反應(yīng)(quantitative real-time PCR,qPCR)對(duì)所選基因的表達(dá)進(jìn)行定量分析。qPCR使用2×Hieff Canace PCR 母液(10136ES01,YEASEN,中國(guó)),在Bio-Rad CFX(Bio-Rad,美國(guó))儀上進(jìn)行40次熱循環(huán),退火溫度均為60 ℃,使用管家基因β-actin作為內(nèi)參,引物序列見(jiàn)表2。采用比較CT法對(duì)目的基因表達(dá)進(jìn)行相對(duì)定量(△△CT法),目的基因的表達(dá)水平與內(nèi)參基因的表達(dá)進(jìn)行歸一化處理。每組進(jìn)行3次重復(fù)。
數(shù)據(jù)和圖表使用SPSS 23.0 軟件處理并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)用±s表示,組間比較采用雙側(cè)t檢驗(yàn)或單因素方差分析,P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用ImageJ 軟件處理蛋白質(zhì)條帶圖。采用GraphPad Prism軟件完成文章中圖表繪制。
使用Western blot 和qPCR 法檢測(cè)GMA 誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE 細(xì)胞與DMSO 對(duì)照組細(xì)胞中ALDH3A1的表達(dá)情況,以驗(yàn)證既往課題組蛋白質(zhì)組學(xué)結(jié)果,即GMA 誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞中ALDH3A1 是未處理對(duì)照細(xì)胞的73%(P<0.01)。如圖1,與對(duì)照組相比,惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞中ALDH3A1 mRNA 和蛋白表達(dá)水平均顯著降低(P<0.01),與蛋白質(zhì)組學(xué)結(jié)果一致,提示ALDH3A1可能在GMA誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE細(xì)胞中發(fā)揮作用。
圖1 ALDH3A1在GMA誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE細(xì)胞中的表達(dá)
為進(jìn)一步明確ALDH3A1 在GMA 誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE細(xì)胞中的作用,采用瞬時(shí)轉(zhuǎn)染技術(shù)過(guò)表達(dá)惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞中的ALDH3A1,并采用Western blot和qPCR分析確認(rèn)。結(jié)果如圖2,實(shí)驗(yàn)中細(xì)胞轉(zhuǎn)染效率較高,與空質(zhì)粒組細(xì)胞相比,基因和蛋白表達(dá)水平在ALDH3A1 過(guò)表達(dá)組細(xì)胞中顯著增加(P<0.01)。因此,本研究中構(gòu)建的ALDH3A1 瞬時(shí)過(guò)表達(dá)惡性轉(zhuǎn)化16HBE細(xì)胞可用于進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。
圖2 瞬時(shí)轉(zhuǎn)染后GMA誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE細(xì)胞中ALDH3A1的表達(dá)情況
為進(jìn)一步探究ALDH3A1 對(duì)GMA 誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE 細(xì)胞EMT 過(guò)程的影響,使用Western blot 和qPCR 技術(shù)檢測(cè)惡性轉(zhuǎn)化16HBE 細(xì)胞和對(duì)照組細(xì)胞中EMT 過(guò) 程 標(biāo) 志 蛋 白(E-cadherin、Vimentin、Snail、MMP3)的表達(dá)變化。如圖3A 和3B 所示,與對(duì)照組細(xì)胞相比,惡性轉(zhuǎn)化16HBE 細(xì)胞中E-cadherin 和Vimentin 的蛋白表達(dá)及轉(zhuǎn)錄水平分別出現(xiàn)顯著的下調(diào)及上調(diào)(P<0.01)。而與空質(zhì)粒對(duì)照組細(xì)胞相比,ALDH3A1 過(guò)表達(dá)細(xì)胞中E-cadherin 表達(dá)上調(diào),Vimentin、MMP3、Snail 表達(dá)及轉(zhuǎn)錄水平則顯著下降(P<0.01)。上述結(jié)果提示ALDH3A1在GMA誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE細(xì)胞中可能具有抑制EMT過(guò)程的作用。
圖3 ALDH3A1在GMA誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE細(xì)胞中抑制EMT過(guò)程
為進(jìn)一步明確ALDH3A1 影響GMA 誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE 細(xì)胞EMT 過(guò)程的潛在機(jī)制,使用Western blot 和qPCR 分析確定ALDH3A1 過(guò)表達(dá)對(duì)IL-6/STAT3通路的影響。如圖4A 所示,與對(duì)照組相比,惡性轉(zhuǎn)化16HBE細(xì)胞中STAT3表達(dá)水平顯著提高,而STAT3蛋白表達(dá)雖未出現(xiàn)明顯改變但其磷酸化水平顯著提高(P<0.01)。然而在ALDH3A1 過(guò)表達(dá)組細(xì)胞中,IL-6、STAT3、p-STAT3 表達(dá)受到抑制,IL-6、STAT3 的轉(zhuǎn)錄水平也呈現(xiàn)顯著降低(P<0.01)。結(jié)果提示,IL-6/STAT3 通路的抑制可能參與到ALDH3A1 在GMA 誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE細(xì)胞中抑制EMT過(guò)程。
圖4 ALDH3A1在GMA誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE細(xì)胞中對(duì)IL-6/STAT3信號(hào)通路相關(guān)蛋白表達(dá)水平的影響
在眾多的癌癥致病因素中,約90%以上是化學(xué)因素,而各種化學(xué)物質(zhì)廣泛存在于多種環(huán)境介質(zhì)中[13]。然而作為一種明確“可能對(duì)人類致癌”的化學(xué)物質(zhì),GMA對(duì)人類的致癌性證據(jù)依然十分有限。由于人類流行病學(xué)調(diào)查數(shù)據(jù)難以獲得,因此,基于相應(yīng)致癌分子機(jī)制的研究對(duì)判斷GMA可能的人類致癌性則顯得更為重要。20 世紀(jì)80 年代開始,課題組先后對(duì)GMA 的致畸性、致突變性和致癌性進(jìn)行了一系列的研究[14]。軟瓊脂克隆形成實(shí)驗(yàn)和刀豆蛋白凝集素A(conanavalin A,ConA)凝集實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)GMA 誘導(dǎo)發(fā)生形態(tài)改變的金倉(cāng)鼠胚胎細(xì)胞已獲得惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞特征,提示GMA能夠誘發(fā)金倉(cāng)鼠胚胎細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化[15]。裸鼠皮下接種GMA 誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化BALB/c 3T3 細(xì)胞后,可形成分化程度較低的纖維肉瘤[16]。上述結(jié)果說(shuō)明,GMA誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE 細(xì)胞模型已成功建立,可用于GMA的致癌性機(jī)制研究。
ALDH3A1 作為NAD(P)+依賴性酶組成的ALDH 超家族的重要成員,通過(guò)將多種醛氧化成羧酸的方式調(diào)節(jié)正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞中增殖、分化、存活和對(duì)氧化應(yīng)激的反應(yīng)等功能[17-18]。ALDH3A1 已被證明在幾種癌癥類型中表達(dá)下調(diào),在Patel 等[8]的報(bào)道中,與正常肺組織相比,ALDH3A1在小細(xì)胞肺癌組織中的表達(dá)水平更低,且ALDH3A1 過(guò)度表達(dá)與腫瘤進(jìn)展或預(yù)后可能呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[1,19-20]。但也有文獻(xiàn)表明,大鼠肝細(xì)胞胞質(zhì)ALDH3A1由多環(huán)芳烴氯化化合物誘導(dǎo)會(huì)在致癌過(guò)程中增加,因此ALDH3A1在GMA誘導(dǎo)16HBE細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化過(guò)程中表達(dá)降低的相關(guān)作用機(jī)制仍需進(jìn)一步的研究和探討。
細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)是一種由細(xì)胞分泌的非細(xì)胞成分,可以為細(xì)胞提供必要的結(jié)構(gòu)和生化支持。癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,其中多個(gè)步驟均有ECM 的參與,包括腫瘤組織的細(xì)胞分離,細(xì)胞活性調(diào)節(jié),并通過(guò)淋巴系統(tǒng)或血管侵襲,增殖和逃逸等[21]。近年來(lái),EMT 在腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移中的重要作用已得到充分驗(yàn)證,Zhao等[22]報(bào)告了EMT促進(jìn)上皮樣腫瘤細(xì)胞獲得侵襲潛力,促進(jìn)細(xì)胞通過(guò)血液或淋巴系統(tǒng)的運(yùn)輸。在大多數(shù)腫瘤中,上皮細(xì)胞E-cadherin的表達(dá)減少和Vimentin、MMP3、Snail 的表達(dá)增加被認(rèn)為是腫瘤轉(zhuǎn)移和侵略性增加的關(guān)鍵標(biāo)志[23]。在我們的研究中,GMA 誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE 細(xì)胞中E-cadherin 表達(dá)下調(diào),Vimentin 表達(dá)上調(diào),提示ALDH3A1 可通過(guò)調(diào)控EMT 過(guò)程中相關(guān)E-cadherin、Vimentin的表達(dá),激活GMA誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE細(xì)胞的EMT過(guò)程。
IL-6 通過(guò)與IL-6 受體結(jié)合后,Janus 激酶(JAK)就會(huì)被激活,STAT3 被磷酸化,通過(guò)2 個(gè)單體之間的相互SH2 結(jié)構(gòu)域-磷酸酪氨酸相互作用形成同源二聚體,并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中,從而在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核之間交換信號(hào),與靶基因的啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合,激活EMT相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄,參與癌細(xì)胞的抗凋亡、血管生成、增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移和耐藥性的過(guò)程[24-26]。異常的IL-6/STAT3 信號(hào)通路在腫瘤發(fā)生和發(fā)展中起著至關(guān)重要作用,目前已在肝癌、肺癌、乳腺癌、卵巢癌、胃癌等多種癌癥中檢測(cè)到IL-6/STAT3 信號(hào)通路的持續(xù)激活[27-28]。為了明確GMA誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE細(xì)胞中ALDH3A1 如何影響其EMT 過(guò)程,我們檢測(cè)了IL-6/STAT3 通路相關(guān)蛋白的表達(dá),結(jié)果發(fā)現(xiàn)惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞中ALDH3A1 表達(dá)降低的同時(shí)IL-6/STAT3 通路被激活。上述結(jié)果提示,上調(diào)ALDH3A1 可以通過(guò)IL-6/STAT3信號(hào)通路有效抑制GMA誘導(dǎo)的惡性轉(zhuǎn)化16HBE細(xì)胞的EMT過(guò)程。
ALDH3A1 與GMA 誘導(dǎo)16HBE 細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化過(guò)程密切相關(guān),IL-6/STAT3通路激活促使惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化能力增加,從而在GMA 誘導(dǎo)16HBE 細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化過(guò)程發(fā)生作用。本研究的結(jié)果將有助于闡明GMA的致癌機(jī)制。