DDX11蛋白在肝癌发生发展中的作用及其分子机制研究

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研究背景:
  原发性肝癌发病率和死亡率逐年上升,严重地危害了人类的生命健康,根据国际癌症研究中心2018年全球癌症统计报告结果显示,肝癌的发病率和死亡率分别居全球癌症发病和死亡率的第6位和第4位,肝癌发病率在我国常见癌症中居于第4位,死亡率则居于第3位。原发性肝癌根据病理类型分为肝细胞癌(Hepatocellular Carcinoma, HCC )、肝内胆管细胞癌(Intrahepatic Cholangiocarcinoma, ICC)及HCC-ICC混合型,其中肝细胞癌约占所有原发性肝癌的75%~85%。肝癌的病因和发病机制尚不完全明确,目前认为其发病是多因素、多步骤的复杂过程,受基因和环境等因素的影响,在我国肝癌的主要危险因素为慢性乙肝病毒感染和黄曲霉毒素。肝癌的发病比较隐匿,早期通常无明显临床症状,多数患者确诊时往往已进展至中晚期,此时已错失根治性治疗的机会。目前肝癌没有一个很好的治疗方式,具体的治疗方案需要个体化,可行手术切除、肝移植、介入治疗、靶向治疗、免疫治疗等,但是这些治疗措施对于提高肝癌患者的生存率存在很大的局限性,并且在很多行手术切除的患者中存在复发的可能性,尤其是在伴有血管侵犯的患者中更为突出,很多家庭可能会面临人财两空的局面,所以若能早期诊断,将会给很多患者带来生的希望。目前肝癌的诊断主要依靠甲胎蛋白(α-fetoprotein,AFP)、甲胎蛋白异质体、异常凝血酶原(proteininducedbyvitaminKabsence-Ⅱ,PIVKA-Ⅱ)和影像学检查,但AFP及PIVKA-Ⅱ敏感性和特异性有限,影像学也存在一定的局限性,所以若能寻找到新的敏感性更高、特异性更强的生物学标记物,对于改善肝癌患者的生存预后意义重大。
  作为连接DNA和蛋白质的关键枢纽,核糖核酸(Ribonucleic Acid, RNA)在生命科学里的重要作用越来越多地受到科学研究人员的重视,DEAD-box(DDX)蛋白是一类高度保守的RNA解旋酶,在RNA代谢中发挥了重大作用,已经有很多研究报道,该家族蛋白分子几乎在需要RNA参与的所有细胞过程中都发挥着重要作用。RNA解旋酶家族最早被认为是参与胚胎形成、精子发生、细胞生长和分裂的。近些年的研究表明DDX家族成员可能在多种肿瘤的进展中也发挥着重要作用。因此进一步挖掘有重要功能的DDX蛋白,探索其生物学功能和调控机制有助于明确肿瘤发生发展的机制,为肿瘤的预防、早期诊断及治疗和预后提供一定的科学理论基础。DDX11是DDX解旋酶家族的成员之一,有研究报道DDX11在原发性和转移性黑色素瘤中呈高表达,DDX11在恶性黑色素瘤的发生、发展中起重要作用,DDX11具有作为一个治疗黑色素瘤的分子靶标的潜在可能性;最近还有DDX11在肺腺癌中的研究,然而DDX11在肝癌中的表达程度、生物学功能及分子机制目前尚未见报道。
  基于上述研究背景,本研究第一部分首先利用生物信息学分析工具,对癌症基因组图谱(The Cancer Genome Atlas, TCGA)和基因表达数据库(Gene Expression Omnibus, GEO)两大公共数据库中的肝癌表达谱数据集进行分析,随后检测DDX11在肝癌组织和细胞中的表达情况,并探讨DDX11的表达与HCC患者临床特征及预后的关系,探索DDX11成为HCC分子诊断和预后判定指标的可能性。第二部分首先在细胞水平观察下调和过度表达DDX11后对肝癌细胞生物学行为的影响,其次通过裸鼠皮下成瘤实验观察下调和过度表达DDX11后对肝癌细胞成瘤能力的影响。第三部分首先通过生物信息学工具分析预测DDX11参与肝癌发生发展的上下游分子,并通过体内外实验进行验证。
  第一部分DDX11在肝癌中的表达及其和肝癌患者生存预后的关系
  目的:
  研究DDX11在肝癌中的表达及其与肝癌患者临床特征和预后的关系
  方法:
  1.利用TCGA和GEO等公共数据库中的肿瘤基因芯片数据,分析在泛癌组织中DDX11mRNA的表达情况;
  2.利用TCGA和GEO等公共数据库中的大样本、多中心肝癌表达谱,分析肝癌组织中DDX11mRNA的表达情况;
  3.构建肝癌组织芯片随访队列,利用免疫组织化学方法检测肝癌组织中DDX11蛋白的表达水平,并分析DDX11表达水平和临床预后之间的关系;
  4.通过RT-PCR和Westernblot技术检测人正常肝细胞系L02细胞和Hep3B、Huh7、HepG2、SMMC7721这4种肝癌细胞系中DDX11的表达情况,分析肝癌细胞和正常肝细胞中的DDX11的表达差异强度;
  5.数据应用SPSS23.0(SPSS软件,IBM,USA)进行统计学分析,研究结果表示为均数±标准差,数值类变量的比较通过配对或非配对t检验进行,临床病理特征单因素分析通过卡方检验进行,将单因素中具有统计学差异(p<0.05)的变量引入多因素COX回归分析模型进行多变量分析。生存分析使用Kaplan-Meier方法检测并应用GraphPadPrism6.0绘制生存曲线图,所有上述检验定义p<0.05被认为具有统计学意义。
  结果:
  1.公共数据库结果显示DDX11mRNA在多种肿瘤中均存在异常表达;
  2.肝癌组织DDX11mRNA和蛋白表达水平明显高于癌旁组织;
  3.DDX11高表达提示更高的TNM分期及血管浸润;
  4.DDX11高表达的肝癌患者比DDX11低表达的肝癌患者总生存期更短、预后更差,提示DDX11在肝癌发生发展中可能发挥潜在的重要作用;
  5.DDX11在肝癌细胞系Hep3B、Huh7、HepG2、SMMC7721相对高表达。
  第二部分DDX11对肝癌细胞生物学行为的影响
  目的:
  利用慢病毒转染技术在DDX11相对高表达的肝癌细胞株中沉默DDX11基因,在DDX11相对低表达的肝癌细胞株中过表达DDX11基因,分别研究沉默/过表达DDX11对肝癌细胞增殖、迁移、侵袭、克隆形成、细胞凋亡和细胞周期等生物学行为的影响;并建立裸鼠荷瘤模型,观察DDX11对肝癌体内增殖的影响。
  方法:
  1.利用慢病毒转染技术分别在DDX11相对高表达的肝癌细胞株中沉默DDX11基因,在DDX11相对低表达的肝癌细胞株中过表达DDX11基因;
  2.通过RT-PCR和Westernblot技术检测DDX11mRNA和蛋白表达变化;
  3.使用CCK8法、EdU细胞增殖检测法检测体外沉默和过表达DDX11基因后对肝癌细胞增殖和生长能力的影响;
  4.流式细胞术检测体外沉默和过表达DDX11基因对肝癌细胞凋亡和细胞周期的影响;
  5.克隆形成实验检测体外沉默和过表达DDX11基因后对肝癌细胞克隆形成能力的影响;
  6.Transwell法检测体外沉默和过表达DDX11基因后对肝癌细胞侵袭能力的影响;
  7.利用第一步骤中构建的DDX11敲减组(sh-DDX11)和空病毒对照组(sh-NC)细胞系,在BALB/c裸小鼠建立皮下成瘤模型,利用小动物活体成像技术在体内观察DDX11敲减对肝癌增殖能力的影响,观察DDX11敲减组(sh-DDX11)和空病毒对照组(sh-NC)裸鼠肿瘤生长情况,记录皮下瘤体积、重量和数目的变化并绘制生长曲线;
  8.利用第一步骤中构建的DDX11稳定过表达组(oe-DDX11)和空病毒对照组(oe-NC)细胞系,在BALB/c裸小鼠建立皮下成瘤模型,利用小动物活体成像技术在体内观察DDX11过表达对肝癌生物学行为的影响,观察DDX11稳定过表达组(oe-DDX11)和空病毒对照组(oe-NC)裸鼠肿瘤生长情况,记录皮下瘤体积、重量和数目的变化并绘制生长曲线;
  结果:
  1.在转染DDX11敲减慢病毒的SMMC7721和HepG2肝癌细胞系中,DDX11mRNA和蛋白表达水平降低,敲减实验成功。在转染DDX11过表达慢病毒的肝癌细胞系Hep3B和Huh7细胞中,DDX11mRNA和蛋白表达水平升高,过表达实验成功;
  2.敲减DDX11后,与阴性对照组比较稳定敲减DDX11肝癌细胞系的增殖生长能力、克隆形成能力和侵袭能力等明显下降,凋亡增加;
  3.过表达DDX11后,与空白对照组比较稳定过表达DDX11肝癌细胞系的增殖生长能力、克隆形成能力和侵袭能力等明显升高,凋亡减少;
  4.转染sh-DDX11敲减组裸鼠和转染空病毒(sh-NC)的裸鼠组相比,敲减DDX11后肝癌增殖速度明显减慢,肿瘤体积和重量减少;
  5.转染oe-DDX11过表达组裸鼠和空病毒对照组(oe-NC)的裸鼠组相比,过表达DDX11后肝癌增殖速度明显加快,肿瘤体积和重量增加。
  第三部分DDX11参与肝癌进展的上下游机制的初步探索
  目的:
  初步探索DDX11对肝癌细胞的增殖、凋亡、迁移和侵袭等生物学行为调控的上、下游机制,为深入研究调控机制提供理论依据,为肝癌的治疗提供新的靶点。
  方法:
  1.根据DDX11mRNA的表达水平将TCGA数据库中的肝癌样本分为DDX11高表达组和低表达组,然后下载目标基因集进行GSEA分析,通过GSEA富集分析预测DDX11在肝癌进展中的相关通路。
  2.利用Westernblot技术检测第二部分构建的稳定转染DDX11敲减细胞株SMMC7721和HepG2中PI3K-AKT-mTOR信号通路相关蛋白的表达水平变化;
  3.利用第二部分中构建的稳定转染DDX11敲减的肝癌细胞系,在BALB/c裸鼠建立皮下成瘤模型,进行免疫组化染色检测PI3K-AKT-mTOR信号通路相关蛋白的表达;
  4.利用Westernblot技术检测第二部分构建的稳定转染DDX11过表达细胞株Hep3B和Huh7中PI3K-AKT-mTOR信号通路相关蛋白的表达水平变化;
  5.利用第二部分中构建的稳定转染DDX11过表达的肝癌细胞系,在BALB/c裸鼠建立皮下成瘤模型,进行免疫组化染色检测PI3K-AKT-mTOR信号通路相关蛋白的表达;
  6.利用CistromeCancerdatabase(http://cistrome.org/)数据库预测能够调控DDX11的上游转录因子并利用公共数据库TCGA分析该转录因子和DDX11mRNA在32种肿瘤的表达相关性;
  7.利用RT-PCR和Westernblot技术检测在细胞株Hep3B中过表达E2F1后DDX11mRNA和蛋白的表达情况,在细胞株SMMC7721中瞬时转染E2F1siRNA后DDX11mRNA和蛋白的表达情况;
  8.采用双荧光素酶报告基因实验验证E2F1与DDX11之间的相互作用关系以及对其转录活性的影响。
  9.利用功能回复实验验证E2F1/DDX11调控轴通过激活PI3K-AKT-mTOR信号通路促进肝癌细胞恶性表型。
  结果:
  1.GSEA富集分析结果表明DDX11高表达与PI3K-AKT-mTOR途径、细胞周期、DNA复制、同源重组和错配修复密切相关;
  2.同对照组比,转染sh-DDX11的肝癌细胞SMMC7721和HepG2细胞中p-PI3K、p-AKT和p-mTOR蛋白表达程度明显下降;
  3.构建裸鼠皮下成瘤模型,对两组移植瘤组织进行PI3K-AKT-mTOR信号通路蛋白免疫组化染色,我们根据蛋白染色强度和范围的不同,对PI3K-AKT-mTOR信号通路蛋白p-PI3K、p-AKT和p-mTOR蛋白、Ki67在肝癌中的表达进行评分,结果提示敲减DDX11组染色水平低于对照组,体内实验证实了DDX11敲减后肝癌细胞中的PI3K-AKT-mTOR信号通路蛋白p-PI3K、p-AKT和p-mTOR蛋白、Ki67表达降低;
  4.同对照组比,转染oe-DDX11的肝癌细胞Hep3B和Huh7细胞中的p-PI3K、p-AKT和p-mTOR蛋白表达程度明显升高;
  5.构建裸鼠皮下成瘤模型,对两组移植瘤组织进行PI3K-AKT-mTOR信号通路蛋白免疫组化染色,我们根据蛋白染色强度和范围的不同,对PI3K-AKT-mTOR信号通路蛋白p-PI3K、p-AKT和p-mTOR蛋白、Ki67在肝癌中的表达进行评分,结果提示过表达DDX11组染色水平高于对照组,体内实验证实了DDX11过表达后肝癌细胞中的PI3K-AKT-mTOR信号通路蛋白p-PI3K、p-AKT和p-mTOR蛋白、Ki67表达升高;
  6.TCGA数据库中32种肿瘤表达谱数据分析结果显示,在32种肿瘤中,有包括肝癌在内的29种肿瘤中E2F1和DDX11的表达都成显著正相关;
  7.在细胞株Hep3B中过表达E2F1后DDX11mRNA和蛋白的表达程度较对照组明显升高;在细胞株SMMC7721中敲减E2F1后DDX11mRNA和蛋白的表达程度较对照组明显降低。
  8.双荧光素酶报告基因实验结果显示共转染E2F1质粒与pGL3-DDX11质粒组的荧光素酶活性明显高于对照组。
  9.蛋白表达的功能回复实验证实:在肝癌细胞系中过表达E2F1后PI3K-AKT-mTOR信号通路蛋白p-PI3K、p-AKT和p-mTOR蛋白表达显著上调,而敲减DDX11能够部分逆转E2F1对PI3K通路的激活效应。
  10.细胞表型的功能回复实验证实:在肝癌细胞系中过表达E2F1后肝癌细胞的增殖和侵袭能力显著增加,而敲减DDX11能够部分逆转E2F1对肝癌细胞的增殖和侵袭能力的促进作用。
  全文结论:
  1.DDX11在肝癌中表达显著增加,并和临床特征密切相关,同时DDX11高表达患者的生存时间明显短于DDX11低表达的患者,提示DDX11可以作为肝癌预后判断的标志物;
  2.体内外研究结果显示:DDX11沉默后,肝癌的增殖能力显著下降,迁移和侵袭能力以及成瘤能力明显下降;而DDX11过表达后,肝癌的增殖能力显著增加,迁移和侵袭能力以及成瘤能力显著增加,提示DDX11在肝癌的发生和发展过程中发挥促癌基因的作用;
  3.体内及体外实验结果显示:DDX11沉默后PI3K-AKT-mTOR信号传导通路蛋白的表达降低,DDX11过表达后PI3K-AKT-mTOR信号传导通路蛋白的表达升高,提示PI3K-AKT-mTOR可能是DDX11异常表达的下游通路;
  4.在肝癌细胞中过表达或抑制E2F1对DDX11表达水平有明显影响,其可能的机制为转录因子E2F1与DDX11启动子区结合进而调控DDX11的表达,提示E2F1是DDX11异常表达的上游通路。
  5.功能回复实验证实E2F1/DDX11调控轴通过激活PI3K-AKT-mTOR信号通路促进肝癌细胞恶性表型。
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