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研究背景胰腺导管腺癌(Pancreatic ductal adenocarcinoma,PDAC)是消化系统中恶性程度极高、疗效及生存预后极差的肿瘤之一。流行病学研究表明,全世界每年有超过33万人死于胰腺导管腺癌,其总体5年生存率约6%(2%-9%)。由于胰腺癌起病隐匿,进展迅速,大多数患者就医时已经处于中晚期并出现局部浸润及远处转移,因此只有约10%-15%的胰腺癌患者有机会接受根治性手术切除。大多数患者只能采用姑息性手术、化疗、放疗、免疫治疗等疗法,临床疗效收获甚微。因此,深入研究胰腺癌细胞增殖及侵袭转移的分子调控机制,对防治PDAC的增殖及侵袭转移,研发新的早期诊断肿瘤标志物,提高临床患者的生存预后具有重要意义。转化生长因子-β超家族(Transforming growth factor-βsuperfamily,TGF-βs)是一类具有多种生物学功能的多肽类细胞因子,目前研究发现共有33种不同的亚型(TGF-β1,TGF-β2,TGF-β3,Inhibinα,Inhibinβ_A,Inhibinβ_B,Inhibinβ_C,Inhibinβ_E,Nodal,Myostatin,BMP-2,BMP-3,BMP-4,BMP-5,BMP-6,BMP-7,BMP-8_A,BMP-8_B,BMP-9,BMP-10,GDF-1,GDF-3,GDF-5,GDF-6,GDF-7,GDF-9,GDF-9B,GDF-10,GDF-11,GDF-15,MIS,Lefty A,Lefty B),能够在细胞形态维持以及细胞分化、增殖、凋亡、衰老、迁移等生物学过程中发挥重要作用。生长分化因子-15(Growth differentiation factor 15,GDF-15),是转化生长因子-β超家族中生长分化因子亚家族的成员,又称作巨噬细胞抑制因子-1(MIC-1)、非甾体抗炎药物活化基因-1(NAG-1)、前列腺源性生长因子(PDF)、胎盘转化生长因子β(PTGFβ)、胎盘骨形态发生蛋白(PLAB)以及PL74。最早由澳大利亚Bootcov MR等学者在1997年从人源U937骨髓单核细胞c DNA文库中分离出GDF-15。作为TGF-β家族中的一员,GDF-15跟家族中其它成员的氨基酸序列相似性仅为15%-29%。GDF-15基因位于人类19号染色体GRCh38.p13,含有两个外显子和一个内含子,长为7007bp DNA。经转录翻译合成含有308个氨基酸的GDF-15前体蛋白(无活性),在细胞内经Furin-like蛋白酶切割加工后形成具有生物学活性的分泌型GDF-15,分子量约为30k Da。在生理状况下,GDF-15在除胎盘组织以外的其他组织中不表达或者少量表达;然而在病理状况下,如炎症、应激、损伤、缺血再灌注、心衰、II型糖尿病等,受累的组织器官中GDF-15的表达量显著增多,相应的血浆中GDF-15表达量亦升高。研究报道,在多种类型肿瘤如恶性胶质瘤、睾丸癌、卵巢癌、口腔鳞状细胞癌、葡萄膜黑色素瘤、肺癌、前列腺癌、乳腺癌、结直肠癌、胃癌以及肝细胞癌中GDF-15异常高表达,可以作为检测和判断肿瘤预后的潜在生物学标志物。GDF-15主要由活化的巨噬细胞以及肿瘤细胞分泌,在肿瘤的发生发展过程中扮演重要角色。在胰腺癌中,GDF-15基因受Twist1调控而持续表达,增强胰腺癌细胞增殖及侵袭转移,并诱导细胞对化疗药物产生耐药性,但其具体分子机制有待进一步阐明。胶质细胞源性神经营养因子家族α样受体(Glial-derived neurotrophic factor receptor alpha-like,GFRAL)是胶质细胞源性神经营养因子(GDNF)受体α家族的孤儿受体。研究报道,GDNF蛋白家族有四个成员,即GDNF家族受体-α1(GFR-α1),GDNF家族受体-α2(GFR-α2),GDNF家族受体-α3(GFR-α3)和GDNF家族受体-α4(GFR-α4)。其中GFRAL基因定位于人6号染色体,包含有9个外显子,且存在可变剪切体。GFRAL蛋白由395个氨基酸残基组成,在其C-末端有20-30个可伸缩的疏水性氨基酸,N-末端存在一个信号肽。GFRAL蛋白通过糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定在细胞膜上。作为一种单次跨膜蛋白,GFRAL位于细胞内的结构域较短,缺乏向细胞内传导信号的能力,因此在发挥生物学作用时,需要酪氨酸激酶辅助受体Ret来协助GFRAL受体进行信号的传导。来自四个不同的医学研究团队Emmerson PJ,Yang L,Mullican SE和Hsu JY在Nature Medicine和Nature刊文报道,GFRAL局限地表达于小鼠脑干最后区(Area postrema,AP)以及孤束核(Nucleus tractus solitarius,NTS)中的神经细胞膜表面;GFRAL能够与GDF-15特异性结合,其结合率跟GDF-15的浓度呈正相关。在神经细胞膜上形成GDF-15/GFRAL/Ret复合物,激活胞内PI3K-Akt,Erk1/2,MAPK和磷脂酶C(PLC)γ信号通路,从而抑制小鼠的摄食行为,调节新陈代谢,降低体重,改善血糖,能作为严重肥胖、2型糖尿病以及厌食/恶病质治疗的潜在靶标。然而,GFRAL在肿瘤中尚未见相关研究报道。为深入研究GDF-15与孤儿受体GFRAL在胰腺癌中的临床意义及其具体的分子机制,结合前期研究工作基础,我们提出如下研究设想:胰腺导管腺癌细胞能够自分泌分化生长因子GDF-15,作用于胰腺癌细胞自身膜上受体GFRAL,通过GDF-15/GFRAL信号通路,促进胰腺癌细胞增殖及侵袭转移。研究目的1.通过收集临床胰腺癌病例,检测胰腺癌组织及血浆样本中GDF-15、GFRAL的表达情况,分析二者之间表达的相关性,明确其异常表达对PDAC患者临床病理因素及生存预后的影响,为后续的机制研究提供依据。2.检测GDF-15及GFRAL在胰腺癌细胞系中的表达情况,分析二者在细胞水平表达的相关性。3.阐明胰腺癌自分泌GDF-15,可直接与细胞膜受体GFRAL结合,通过GDF-15/GFRAL信号通路,促进胰腺癌细胞增殖及侵袭转移的分子机制。4.构建裸鼠皮下成瘤模型,在动物水平探讨GDF-15及GFRAL对胰腺癌体内成瘤的影响,为开发新的胰腺癌诊治策略提供新思路。研究方法1.采用酶联免疫吸附实验(ELISA),检测正常人与胰腺癌患者血浆中GDF-15的表达情况,并用Graph Pad Prism 5软件分析GDF-15在正常人及胰腺癌患者血浆中的表达水平。同时,采用免疫组化(IHC)实验在正常人及胰腺癌组织中对GDF-15的表达进行验证。根据胰腺癌患者血浆中GDF-15表达的高低将PDAC病例分为高表达组和低表达组(区分高、低表达组的依据为GDF-15在所有胰腺癌血浆病例中表达的均值),分别统计上述两组病例间PDAC患者年龄、性别、肿瘤临床分期分级、肿瘤大小以及术后生存预后等临床资料的差异性。2.通过ELISA实验,检测正常胰腺导管上皮细胞系HPDE以及四株胰腺癌细胞系(As PC-1,Bx PC-3,Panc-1和Hs766t)中GDF-15的表达情况,并用Graph Pad Prism 5软件分析GDF-15在正常及胰腺癌细胞系中的表达水平,从而在体外细胞系水平,对GDF-15在临床组织及血浆样本中的表达情况进行验证。3.采用免疫组化(IHC)实验在正常人及胰腺癌组织检测GFRAL的表达情况。根据免疫组化评分的高低将PDAC病例分为高表达组和低表达组,分别统计上述两组病例间PDAC患者术后生存预后等临床资料的差异性;同时,采用WB实验在正常胰腺导管上皮细胞株HPDE以及六株胰腺癌细胞系As PC-1,Bx PC-3,CFPAC-1,Panc-1,SW1990和Hs766t中检测GFRAL蛋白的表达情况。4.采用Graph Pad Prism 5软件,分别在胰腺癌临床样本以及胰腺癌细胞系中,统计分析GDF-15和GFRAL表达量之间的相关性。5.通过免疫荧光(IF)、激光扫描共聚焦(CLSM)等实验技术,在胰腺癌组织石蜡切片以及细胞系中行免疫荧光双标记GDF-15和GFRAL,在激光扫描共聚焦仪器上观察GDF-15及GFRAL在胰腺癌组织及细胞系中表达的共定位情况。采用免疫共沉淀(Co-IP)实验,在胰腺癌细胞系中,从分子水平上来验证GDF-15蛋白与GFRAL蛋白的直接相互作用。6.构建干扰慢病毒Lv-GDF15-RNAi和合成人重组GDF-15(Recombinant human GDF-15)细胞因子,分别下调和模拟上调GDF-15在胰腺癌细胞中的下调和上调表达,并采用CCK-8、Transwell、划痕实验等技术观察GDF-15对胰腺癌细胞增殖、侵袭转移的影响。7.构建过表达慢病毒Lv-EGFP-GFRAL(+)以及其阴性对照慢病毒Lv-EGFP-GFRAL(-),感染胰腺癌细胞,采用流式细胞筛选出稳定上调表达GFRAL蛋白的细胞,并采用WB实验检测GFRAL蛋白的过表达效率。使用人重组GDF-15细胞因子刺激Lv-EGFP-GFRAL(+)和Lv-EGFP-GFRAL(-)细胞,观察细胞增殖以及侵袭转移能力的改变情况。8.使用4周大小的BALB/c雌性裸鼠作为研究对象,通过接种带有干扰慢病毒Lv-GDF15-RNAi稳定下调表达GDF-15的As PC-1细胞(2×10~6个/只)构建胰腺癌裸鼠皮下成瘤模型,30天后采用小动物成像系统(IVIS?Spectrum系统)观察GDF-15在裸鼠体内对胰腺癌细胞成瘤的影响。研究结果1.与正常人胰腺组织(7例)以及正常血浆(20例)相比较,GDF-15在胰腺癌肿瘤组织(21例)以及胰腺癌血浆(34例)中显著高表达(P<0.0001);GDF-15高表达组中胰腺癌患者术后5年生存率明显低于GDF-15低表达组(P=0.0120)。2.在细胞系水平验证GDF-15的表达情况,不同胰腺癌细胞系中的表达水平不一致,其中在As PC-1中表达最高,在Hs766t中表达最低。3.与正常胰腺组织(13例)相比较,GFRAL在胰腺癌组织(117例)中明显高表达;GFRAL高表达组中胰腺癌患者术后5年生存率明显低于GFRAL低表达组(P=0.0272)。且GFRAL在胰腺癌细胞系中的表达情况与临床样本相一致。4.GDF-15及GFRAL在胰腺癌样本中表达的相关性,采用Graph Pad Prism 5软件统计分析发现,GDF-15与GFRAL的表达呈正相关(r~2=0.6501,P=0.0009)。5.激光扫描共聚焦显示GDF-15与GFRAL在胰腺癌组织中共定位表达,且免疫共沉淀实验证明GDF-15与GFRAL蛋白能通过直接相互结合来发挥生物学作用。6.人重组GDF-15细胞因子能促进胰腺癌细胞的增殖、侵袭转移;下调GDF-15的表达后,胰腺癌细胞系的增殖及侵袭转移能力显著减弱。慢病毒上调GFRAL表达后,GDF-15对胰腺癌细胞的增殖及侵袭转移能力显著增强。7.在胰腺癌裸鼠皮下成瘤模型体内,与阴性对照组(Lv-GDF15-NC)比较,接种干扰慢病毒Lv-GDF15-RNAi As PC-1细胞组裸鼠皮下的肿瘤质量及体积明显较小(P=0.0286)。研究结论1.胰腺癌患者血浆及组织中GDF-15、GFRAL显著高表达,且与患者临床预后密切相关;可以作为胰腺癌患者临床诊疗的肿瘤标志物。2.在胰腺癌临床样本和细胞系中,GDF-15及GFRAL表达皆呈正相关。3.GDF-15及GFRAL在胰腺癌中共定位表达,且二者能直接相互结合。4.胰腺癌细胞可以自分泌GDF-15。5.GDF-15通过GFRAL受体促进胰腺癌细胞的增殖及侵袭转移。本研究通过深入探讨GDF-15/GFRAL通路对胰腺癌发生发展的影响。首次提出并证实胰腺癌细胞高表达孤儿受体GFRAL,并自分泌GDF-15,通过与PDAC细胞膜受体GFRAL直接相互结合,从而促进胰腺癌增殖及侵袭转移。进一步丰富了PDAC增殖及侵袭转移机制研究的理论宝库,并为临床PDAC增殖及侵袭转移的防治提供了新的潜在靶点。