HBx诱导BNIP3L依赖性线粒体自噬介导糖酵解代谢重编程调控肝癌细胞干性表型的机制研究

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原发性肝癌(hepatocellular carcinoma,HCC)是常见恶性肿瘤之一,其病死率高居全球第二位。肝癌干细胞(livercancerstemcells,LCSCs)是一小群具有多向分化潜能、自我更新能力和耐药的异质细胞群体,在肝癌耐药和复发过程中发挥重要作用;肝癌发生发展与乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)感染密切相关。HBV基因组X基因编码的x蛋白(hepatitis B virus x protein,HBx)在HBV的复制和扩散中必不可少,其参与调节宿主细胞基因组稳定性、信号转导和细胞周期等,但在肝致癌过程中由HBx介导的细胞应激反应与肝癌干细胞之间的关系仍有待阐明。线粒体是细胞能量代谢的重要场所,其功能与数量的完整性与细胞结局息息相关;线粒体自噬是降解损伤线粒体,调节线粒体稳态的重要方式之一,但线粒体自噬在能量代谢中的作用尚有待阐明。代谢重编程指细胞在恶性转化过程中代谢模式发生改变,主要涉及到糖酵解、电子传递链、氧化磷酸化和磷酸戊糖途径等诸多方面,已作为肿瘤发生发展的标志之一。然而,线粒体自噬通路与糖酵解代谢重编程的关系、以及参与HBx蛋白介导肝癌细胞癌干性表型转归的作用及其调控机制,尚有待研究。目的:通过建立HBx表达诱导肝癌细胞癌干性表型模型,阐明HBx诱导BNIP3L依赖性线粒体自噬参与糖酵解代谢重编程,介导肝癌细胞癌干性转归;探讨BNIP3L干预对线粒体自噬、糖酵解代谢重编程和癌干性表型的影响。结果为进一步阐明HBx表达诱导肝癌细胞癌干性的调控机制、探讨预防和控制肝癌发生发展的潜在靶点提供依据。方法:(1)GEO分析:采用GEO数据库(GSE83148),分析HBV慢性感染人群肝组织和正常人群肝组织中干性相关基因、糖酵解相关基因和线粒体自噬相关基因差异水平情况,并分析线粒体自噬相关基因与糖酵解相关基因的相关性。(2)体内实验:pcDNA3.1-HA和pcDNA3.1-HA-HBX质粒转染人肝癌Huh7和MHCC-97H细胞,构建HBx表达的肝癌细胞模型。分别接种于BALB/c裸小鼠右下肢皮下,建立裸鼠移植瘤动物模型。①检测HBx对肿瘤生长的影响:每3天观察原位移植瘤的生长情况。24天后处死裸鼠,剥离移植瘤测量体积及质量后用于以下指标检测:②检测HBx对干性表型的影响:采用qRT-PCR检测干性相关基因(ABCG2,BM1,NANOG,KLF4,OCT4)转录水平;WB检测干性相关蛋白(ABCG2,Oct4,Bmi-1,CD44)表达;IHC检测组织中干性相关蛋白表达情况。③检测HBx对BNIP3L依赖性线粒体自噬的影响:WB检测总蛋白和线粒体蛋白中BNIP3L依赖性线粒体自噬相关蛋白(HIF-1 a,Beclin 1,BNIP3L,LC3B)表达;IHC检测组织中BNIP3L依赖性线粒体自噬相关蛋白表达情况。④检测HBx对糖酵解代谢重编程的影响:采用qRT-PCR检测糖酵解相关基因(SLC2A1,HHK2,PFKL,LDHA)转录水平;化学发光法检测细胞内ATP含量和乳酸分泌量。(3)体外实验:①本研究采用低侧群(side population,SP)细胞比例的人肝癌Huh7细胞株和高SP比例的人肝癌MHCC-97H细胞株,转染pcDNA3.1-HBX(1 μg/mL)构建HBx表达模型,以pcDNA3.1组为对照组,pcDNA3.1-HBX组为HBx表达组。上述两种肝癌细胞处理至终点时,采用qRT-PCR检测干性相关基因、糖酵解相关基因、电子传递链相关基因(ND4L,NDUFA4,ND2,CytB,ATP6,ATP8)以及ACTB等mRNA水平;采用 WB检测干性相关蛋白、线粒体自噬相关蛋白及HBx、Actin等蛋白表达;克隆形成实验和锚着非依赖生长实验检测细胞自我更新能力;Confocal检测BNIP3L和LC3B细胞内表达及与线粒体三者共定位情况和细胞内自噬流;透射电镜观察细胞线粒体自噬现象;流式细胞仪检测SP细胞比例和细胞葡萄糖摄取能力;化学发光法检测细胞内ATP含量和细胞外乳酸分泌量。②两种肝癌细胞瞬时转染pGEM-HBV和pGEM-HBVX null(1 μg/mL),以pGEM组为对照组,pGEM-HBV组为HBV表达组,pGEM-HBV X null组为HBV表达HBx缺失组,检测癌干性相关指标。③通过球囊培养法富集Huh7细胞中的肝癌干细胞,检测指标同HBx表达组。④采用CCCP(15 μmol/L)预处理Huh7细胞构建线粒体自噬阳性模型;采用BNIP3L小干扰RNA(siBNIP3L)(50 nmol/L)处理MHCC-97H细胞构建线粒体自噬抑制模型,检测癌干性和BNIP3L依赖性线粒体自噬相关指标。⑤两种肝癌细胞采用STF-31和2-DG处理构建糖酵解抑制模型,检测癌干性相关指标。⑥采用HBx表达Huh7细胞瞬时转染pTT5或者pTT5-9Dl 1(200 ng/mL)构建HBx敲低模型,检测癌干性、BNIP3L依赖性线粒体自噬和糖酵解代谢相关指标。结果:(1)GEO分析:筛选获得HBV感染肝组织(n=122)与正常人肝组织(n=6)的GEO数据库GSE83148,分析发现HBV感染肝组织中干性相关基因(BM1,CD44,NANOG,POU5F1),糖酵解相关基因(HK2,PFKL,ALDOA,PKM2),自噬相关基因MAP1LC33 mRNA水平显著高于正常人肝组织,且MAP1LC3B与糖酵解相关基因呈显著正相关。(2)体内实验:改造后的Huh7细胞3周成瘤体积约为2-3 cm3,肿瘤表面可见大量血管形成;改造后的MHCC-97H细胞3周成瘤体积约为0.1-0.2cm3,肿瘤表面光滑。与对照组相比,HBx表达组肿瘤体积增长较快,肿瘤质量和体积显著增加。剥离肿瘤组织检测发现,与对照组相比,HBx表达组移植瘤组织中干性相关蛋白和BNIP3L依赖性线粒体自噬相关蛋白表达显著增高,干性相关基因转录水平明显增加。与对照组相比,HBx表达组移植瘤组织中ATP含量下降,乳酸含量和糖酵解相关基因表达水平增高。(3)体外试验:首先,在人肝癌Huh7和MHCC-97H细胞中,①流式细胞仪分析显示分别存在1.25%和16.8%的SP细胞。与MP细胞相比,SP细胞中癌干性相关指标上升。②与对照组相比,HBx表达组两株肝癌细胞中癌干性指标上升,其中SP细胞比例由Huh7中的1.25%和MHCC-97H中的16.8%分别上升到1.73%和24.9%,细胞内BNIP3L依赖性线粒体自噬和糖酵解代谢增强。③与HBV表达组相比,HBV表达HBx缺失组中癌干性相关蛋白表达降低;④与亲本细胞相比,肝癌干细胞中癌干性相关指标上调,BNIP3L依赖性线粒体自噬和糖酵解代谢过程增强。其次,⑤在siBN1P3L构建的线粒体自噬抑制模型中,与HBx表达组相比,HBx+siBNMP3L组中BNIP3L依赖性线粒体自噬被抑制,癌干性表型相关指标降低并且糖酵解代谢被抑制;而在CCCP构建的线粒体自噬阳性模型中观察到了相反的现象。⑥在STF-31干预模型中,与HBx表达组相比,HBx+STF-31组中癌干性表型相关指标降低;在2-DG干预模型中也观察到同样的结果。同时与肝癌干细胞组相比,STF-31或2-DG干预组中肝癌干细胞癌干性表型相关蛋白表达降低。⑦在HBx表达Huh7细胞中,瞬时转染pTT5-9D11构建HBx敲低模型,与HBx表达组相比,HBx敲低表达组中癌干性和BNIP3L依赖性线粒体自噬相关蛋白表达降低,并且由HBx诱导的糖酵解代谢被抑制。结论:建立HBV、HBx表达和HBx敲低肝癌细胞体外试验模型和HBx表达肝癌细胞裸鼠荷瘤体内试验模型,诱导肝癌细胞发生糖酵解代谢重编程,介导肝癌细胞干性表型上调。HBx表达还可诱导肝癌细胞BNIP3L表达和线粒体转位与LC3B交互作用介导线粒体自噬并与糖酵解代谢重编程有关,靶向干预BNIP3L表达可调控HBx表达诱导的肝癌细胞糖酵解代谢重编程和癌干性表型。结果为进一步阐明HBx表达诱导肝癌细胞癌干性的调控机制、探讨预防和控制肝癌发生发展的潜在靶点提供依据。
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