线粒体膜蛋白ATAD3A在肝癌索拉非尼耐药及恶性生物学行为中的作用及调控机制

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目的:原发性肝细胞肝癌是全球范围内发病率及死亡最高的恶性肿瘤之一。每年约有近60万新发病例,而其中有近一半发生在中国,是严重威胁中国公民健康、社会及心理安全的重要问题。肝细胞肝癌患者往往起病隐匿,就诊时已分期较晚,对于进展期肝细胞肝癌患者,无论是治疗方式,或是治疗效果均十分有限。多靶点、多激酶抑制剂索拉非尼是唯一由FDA批准一线用于进展期肝癌患者治疗的靶向药物,其疗效确切,能有效延长晚期肝癌患者的总生存时间。就临床研究及经验发现:进展期肝细胞肝癌患者在使用索拉非尼治疗的过程中极易发生耐药,是造成患者治疗失败的重要原因。肝细胞肝癌患者治疗过程中索拉非尼耐药的研究也成为了肝癌治疗领域的研究重点及热点。有研究显示,实体肿瘤的乏氧状态在肝癌患者索拉非尼耐药中扮演了重要角色,但基于目前的研究结果肝癌患者索拉非尼耐药的现状并未得到有效的改善。因此,深入探讨肝癌乏氧与肝癌患者索拉非尼耐药的关系,并寻找新的关键性分子及调控机制将有益于肝细胞肝癌患者的治疗。  方法:首先通过乏氧孵箱及CoCl2处理,两种模式诱导建立乏氧肝癌细胞,并通过Western-blot进行乏氧状态鉴定。随后,通过流式细胞凋亡检测及CCK8细胞增殖实验进一步检测肝癌细胞在乏氧及常氧条件下对索拉非尼治疗的敏感性。在关键分子寻找及调控机制方面,采用了生物信息学分析、免疫荧光、免疫组化、Western-blot、qRT-PCR等多种方法。随后,采用慢病毒转染的方式,构建了稳定敲低、过表达线粒体膜蛋白ATAD3A的肝癌细胞系(Huh7及LM3),通过流式细胞凋亡检测、CCK8等方法进一步探讨线粒体膜蛋白ATAD3A在肝细胞肝癌索拉非尼治疗敏感性中的作用。同时,通过细胞周期、克隆形成、CCK8、体内成瘤实验等探讨了线粒体膜蛋白ATAD3A在肝癌细胞恶性生物学行为进展中的作用。在具体调控机制方面,采用了生物信息学分析预测,并通过荧光素酶报告基因检测、Western-blot、qRT-PCR等方法进行验证。最后,通过流式细胞凋亡检测、CCK8、细胞周期分析、克隆形成等方法进行了功能回复实验。  结果:(1)通过流式细胞凋亡检测,在Huh7及LM3两种肝癌细胞中发现:乏氧状态下索拉非尼处理,细胞凋亡比例较常氧条件下索拉非尼处理明显降低。乏氧条件下处理96h,其平均凋亡率(早期凋亡+晚期凋亡)为16.87%(LM3)或18.88%(Huh7)。常氧条件下处理96h时,平均凋亡率为47.8%(LM3)或48%(Huh7),两组差异具有统计学意义(p<0.05)。CCK8细胞增殖实验显示:乏氧条件下使用索拉非尼处理Huh7及LM3两种肝癌细胞,增殖抑制效果较常氧条件下明显降低,差异具有统计学意义(p<0.05)。(2)通过免疫荧光、Western-blot及qRT-PCR等多种检测方式发现:乏氧处理可使肝癌细胞乏氧诱导因子HIF1α的表达明显上调,而线粒体膜蛋白ATAD3A的表达水平明显下调,差异有统计学意义(p<0.05)。对85例肝细胞肝癌患者进行免疫组织化学染色评分发现:线粒体膜蛋白ATAD3A的表达水平与乏氧诱导因子HIF1α的表达呈负相关,即高表达线粒体膜蛋白ATAD3A的肝癌患者其乏氧诱导因子HIF1α的表达明显下调,反之亦然,差异有统计学意义(p<0.05)。对TCGA数据库肝癌组织芯片中423例肝癌患者进行分析发现,线粒体膜蛋白ATAD3A与乏氧诱导因子HIF1α表达呈负相关(r=-0.1733,P=0.0003)。(3)线粒体膜蛋白ATAD3A在肝癌中的表达水平,以及ATAD3A与肝癌患者临床病理特征及预后的相关性分析:首先,通过Western-blot检测发现线粒体膜蛋白ATAD3A在肝癌组织中的表达明显低于癌旁组织,其在正常肝细胞(L02)中的表达水平明显高于肝癌细胞(7701,Huh7,LM3,7721,HepG2,PLC);同样,qRT-PCR检测发现线粒体膜蛋白ATAD3A在正常肝细胞(L02)中的表达水平较几种肝癌细胞明显增高(Huh7,LM3,7721,HepG2,PLC),差异有统计学意义(p<0.05);而肝癌细胞7701中ATAD3A的表达与L02无明显差异。线粒体膜蛋白ATAD3A的表达水平与患者肿瘤大小及组织病理分级呈明显负相关;线粒体膜蛋白ATAD3A的表达水平可作为判断肝癌患者预后的重要指标,高表达线粒体膜蛋白ATAD3A的肝癌患者其预后较好,而低表达的患者其预后较差。(4)通过CCK8细胞增殖实验及流式细胞凋亡检测发现:敲低ATAD3A的肝癌细胞对索拉非尼处理的敏感性明显降低,凋亡细胞比例明显降低,差异有统计学意义(p<0.05);而过表达线粒体膜蛋白ATAD3A后,肝癌细胞对索拉非尼处理的敏感性明显增强,凋亡细胞比例明显增加,差异有统计学意义(p<0.05)。(5)在敲低及过表达线粒体膜蛋白ATAD3A的LM3及Huh7两种肝癌细胞中,通过克隆形成实验、细胞周期检测、周期相关蛋白检测及裸鼠体内成瘤实验发现:敲低线粒体膜蛋白ATAD3A,肝癌细胞的克隆形成能力较对照组明显增强;敲低线粒体膜蛋白ATAD3A,细胞的增殖能力明显增强;敲低线粒体膜蛋白ATAD3A,细胞周期进展增快,G1期细胞明显减少,而S及G2/M期细胞明显增加,细胞周期相关蛋白Cyclin A2,CyclinD1,CDK2的表达明显上调;同时,体内动物实验发现,敲低线粒体膜蛋白ATAD3A的肝癌细胞体内成瘤能力明显增强,瘤体的重量和体积较对照度明显增加,差异有统计学意义(p<0.05)。反之,过表达线粒体膜蛋白ATAD3A后,肝癌细胞的克隆形成能力、细胞增殖能力明显减弱,细胞周期进展减慢,体内成瘤能力明显减弱,差异有统计学意义(p<0.05)。(6)在之前的研究中,发现两种乏氧诱导模型均能明显上调乏氧诱导miR-210-5P的表达。生物信息学分析发现线粒体膜蛋白ATAD3A是乏氧诱导miR-210-5P的靶基因,通过荧光素酶报告基因检测进一步证实乏氧诱导的miR-210-5P在线粒体膜蛋白ATAD3A的3UTR区有直接的结合靶点;进一步通过miR-210-5P的类似物及抑制剂发现:miR-210-5P类似物可下调线粒体膜蛋白ATAD3A的基因及蛋白表达水平,miR-210-5P抑制剂可上调线粒体膜蛋白ATAD3A的基因及蛋白表达水平,差异有统计学意义(p<0.05);回复实验显示:CoCl2处理肝癌细胞后,线粒体膜蛋白ATAD3A的表达明显降低,而联合CoCl2及miRNA-210-5P抑制剂可回复CoCl2对ATAD3A表达的影响,差异有统计学意义(p<0.05)。(7)乏氧处理能部分回复线粒体膜蛋白ATAD3A高表达对肝癌细胞恶性生物学行为的影响。流式细胞凋亡检测结果显示:高表达线粒体膜蛋白ATAD3A的肝癌细胞,其对索拉非尼处理的敏感性增加,细胞凋亡(早期凋亡+晚期凋亡)比例增加。而经乏氧处理后,其对索拉非尼处理的敏感性降低。同样,细胞增殖、克隆形成及细胞周期进展在高表达线粒体膜蛋白ATAD3A的肝癌细胞中明显受限,而乏氧处理后细胞的增殖及细胞周期进展较高表达线粒体膜蛋白ATAD3A的细胞明显增快,差异有统计学意义(p<0.05);细胞周期相关蛋白Cyclin A2,Cyclin D1,CDK2的表达在ATAD3A过表达的肝癌细胞中明显降低,经乏氧处理后其表达水平明显增高。(7)流式细胞凋亡检测显示:miR-210-5P类似物可降低肝癌细胞对索拉非尼的敏感性,且在高表达ATAD3A的肝癌细胞中能够部分回复ATAD3A过表达对肝癌细胞索拉非尼治疗敏感性的影响,差异有统计学意义(p<0.05);相反,miR-210-5P抑制剂能明显增加索拉非尼处理的敏感性,而对ATAD3A敲低的肝癌细胞则无明显的回复作用,进一步说明线粒体膜蛋白ATAD3A是乏氧诱导miR-210-5P的直接功能性靶基因。(8)通过Western-blot检测发现:miR-210-5P的类似物及抑制剂参与调节mTOR信号通路的磷酸化水平,miR-210-5P类似物处理肝癌细胞后,其p-mTORser2448表达水平明显增高,而miR-210-5P抑制剂处理肝癌细胞后,其p-mTORser2448表达水平明显降低;ATAD3A低表达的肝癌细胞,其p-mTORser2448表达水平明显增高,而ATAD3A高表达的肝癌细胞,其p-mTORser2448表达水平明显明显降低;miR-210-5P的类似物能回复ATAD3A高表达对mTOR磷酸化水平的影响。  结论:(1)乏氧微环境可诱导肝癌细胞索拉非尼治疗不敏感,乏氧处理可降低肝癌细胞线粒体膜蛋白ATAD3A的表达水平。(2)线粒体膜蛋白ATAD3A在肝癌组织及细胞中呈低表达,其表达与患者的预后、肿瘤大小及临床病理分级具有显著相关性。(3)线粒体膜蛋白ATAD3A的表达水平与肝癌细胞乏氧状态密切相关,与HIF1α的表达呈负相关,乏氧诱导的miR-210-5P能直接靶向线粒体膜蛋白ATAD3A的3UTR区;(4)乏氧诱导能部分回复线粒体膜蛋白ATAD3A过表达对肝癌细胞恶性生物学行为的影响;(5)miR-210-5P类似物能部分回复线粒体膜蛋白ATAD3A过表达对肝癌细胞恶性生物学行为的影响,而miR-210-5P的抑制剂无此作用。由此,进一步证实线粒体膜蛋白ATAD3A是miR-210-5P的重要功能性靶基因。(6)肝癌细胞线粒体膜蛋白ATAD3A参与调节mTOR信号通路的活化,且受到乏氧诱导miR-210-5P的调控。
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