In vitro Investigation on Effect of Lentiviral Vector-mediated RNA Interference Inhibiting VASH1 Expression on Proliferation and Apoptosis of Human Glioma Cells U-87MG
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摘要: 目的 探讨运用慢病毒载体介导的RNA干扰技术抑制血管生成抑制因子1（VASH1）的表达对人脑胶质瘤U-87MG细胞增殖和凋亡的影响。方法 应用pGCL-GFP质粒构建针对VASH1的慢病毒shRNA载体，转染入工具细胞293T，筛选出适合浓度的慢病毒转染人脑胶质瘤U-87MG细胞；通过RT-PCR和Western blot评价其对U-87MG细胞内VASH1表达的影响；用四甲基偶氮唑蓝（MTT）法观察U-87MG细胞增殖活性的改变；用流式细胞仪（FCM）检测U-87MG细胞凋亡的变化。结果 与转染阴性对照组和空白组相比，转染pGCL-GFP-VASH1慢病毒载体的U-87MG细胞VASH1的mRNA 蛋白表达水平明显降低（P<0.01）；细胞的增殖活性显著上调（P<0.01），细胞凋亡明显减少（P<0.01）。结论 VASH1 shRNA慢病毒载体可抑制VASH1在人脑胶质瘤U-87MG细胞中的表达，并增加肿瘤细胞的增殖活性，抑制细胞凋亡。Abstract: Objective To investigate the effect of lentiviral vector-mediated RNA interference inhibiting VASH1 gene expression on the proliferation and apoptosis of human glioma cells U-87MG. Methods A lentiviral vector carrying short hairpinRNA(shRNA) of human VASH1 gene (pGCL-GFP-VASH1) was constructed and used to transfect 293T cells. The transfection efficiency was evaluated and then the lentiviral vector with suitable concentration was transfected into the human glioma cells U-87MG; RT-PCR and Western blot were used to detect the expression of VASH1 in U-87MG cells. MTT assay was used to observe the inhibion ratio of U-87MG cells growth. FCM analysis was used to observe the apoptosis. Results RT-PCR and Western blot analyses demonstrated that pGCL-GFP-VASH1 could significantly inhibit the expression of VASH1 mRNA and protein in U-87MG cells(P<0.01); MTT results showed that it could increase the growth of U-87MG cells(P<0.01). FCM results showed that the occurrence of apoptosis was suppressed significantly in U-87MG cells(P<0.01). Conclusion Lentiviral vector-mediated RNA interference targeting against VASH1 could effectively inhibit the expression of VASH1, induce the cell proliferation and suppress the apoptosis in U-87MG cells.
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Key words:
- VASH1 /
- RNA interference(RNAi) /
- Lentiviral vector /
- Glioma
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0 引言
肿瘤细胞普遍存活于缺血低氧微环境中，导致内质网内未折叠蛋白或错误折叠蛋白聚积，引起内质网应激（endoplasmic reticulum stress, ERS），为适应应激微环境，细胞激活未折叠蛋白反应（unfolded protein response, UPR），恢复内质网稳态[1]。
内质网上有三个跨膜蛋白即双链RNA激活的蛋白激酶样内质网激酶（PKR like ER kinase, PERK）、需肌醇酶1（type-Ⅰ endoplasmic reticulum transmembrane protein kinase, IRE1）和活化转录因子6（activating transcription factor 6, ATF6），分别对应UPR下游三条信号通路。正常状态下，PERK、IRE1和ATF6与葡萄糖调节蛋白78（glucose-regulated protein78, GRP78）结合失活，ERS时未折叠或错误折叠蛋白与GRP78结合，使GRP78从PERK、IRE1和ATF6上解离，激活UPR。PERK激活后可抑制翻译起始因子-2的α亚基 (eukaryotic translation initiation factor-2 alpha subunit, eIF2α），抑制蛋白质合成，上调ATF4、增强子结合蛋白同源蛋白（enhancer-binding protein homologous protein, CHOP）等凋亡蛋白，诱导细胞凋亡。激活的IRE1可使X-盒结合蛋白1（X-box binding protein 1, XBP1）剪切激活，后者与ERS反应原件结合诱导GRP78、CHOP及内质网甘露糖苷酶样蛋白等表达，增加错误折叠蛋白的降解，促进内质网功能的恢复；此外还能激活c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase, JNK）通路及其特有的Caspase-12凋亡通路促进细胞凋亡。解离的ATF6向高尔基体转位，被核内切酶片段1和核内切酶片段2剪切激活后进入细胞核内，激活的ATF6可以上调与蛋白质和脂类合成相关的内质网基因的表达。
侵袭性是肿瘤最主要的生物学特性之一，为手术根治带来了巨大的困难，也是肿瘤复发、致死的主要原因之一。肿瘤侵袭是一个复杂的多步骤连续的过程，受多种因子调控，如Rb基因、表皮生长因子等[2-3]。最近研究发现ERS/UPR不仅与肿瘤存活、凋亡有关，还能通过以下多种方式影响肿瘤侵袭性。
1 通过调节血管生成增强肿瘤细胞的侵袭性
血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）是人体血管生成过程中重要的调控因子，在诱导血管发生和血管生成及内皮细胞生长、促进细胞迁移等方面发挥重要作用。靶向VEGF治疗肿瘤已成为近年来研究的热点。
为适应缺血低氧微环境，肿瘤主要依靠缺氧诱导因子1α（hypoxia inducible factor-1, HIF-1α）上调VEGF表达，促进血管生成提高氧供[4]。近年来许多研究表明ERS/UPR可以通过调节VEGF表达诱导肿瘤血管生成，促进肿瘤细胞侵袭迁移。Pereira等研究显示，肿瘤细胞中激活的ATF4和XBP1可以与VEGF启动子结合促进其表达，而与HIF-1α同时激活时，ATF与HIF-1α形成复合体加强HIF-1α对VEGF的转录调控[5]。同样Chen等发现在三阴乳腺癌细胞中XBP1可以通过HIF-1α途径或与HIF-1α协同调节VEGF的表达，促进肿瘤的侵袭影响患者预后[6]。Jamison等研究发现，在髓母细胞瘤中适宜的PERK-eIF2a激活可以通过增强VEGF-A/VEGFR2信号促进肿瘤侵袭迁移[7]。Wang等发现，在人类肿瘤细胞中，低糖诱导的ERS/UPR能上调VEGF等的表达，促进肿瘤侵袭，沉默PERK减少了VEGF等的表达，暗示PERK/ATF4通路可通过调节VEGF表达调控肿瘤的侵袭性[8]。Ghosh等研究显示在胚胎滋养层细胞中，ERS可以通过IRE1a-XBP-1, PERK-ATF4和ATF6a三条通路促进VEGF的转录激活，不依赖HIF-1a促进血管生成[9]。
最近的研究表明ERS状态下的肿瘤细胞不仅能通过激活UPR通路维持内质网稳态，同时还能通过PERK、ATF6、IRE1a三条途径调控VEGF的表达，影响肿瘤的侵袭迁移，对肿瘤转移起了重要作用。以ERS/UPR调控的VEGF通路为靶点治疗肿瘤可能成为新的治疗手段。
2 通过上皮间质转化促进肿瘤细胞侵袭
上皮间质转化（epithelial-mesenchymal transition, EMT）是指上皮细胞通过特定程序转化为具有间质表型细胞的生物学过程。在胚胎发育、组织重建、癌症转移等过程中有重要作用，主要的特征为E-钙黏蛋白表达的减少、细胞骨架转化为波形蛋白为主。阐明调控癌症细胞发生EMT过程的分子机制及其在癌症发生、发展中的作用对抗癌治疗有重要意义。
之前的研究揭示了肿瘤EMT被一组锌指转录因子如snail家族 (snail and slug)，Zeb1和Twist通过WNT、IL-6、Notch等通路调控[10-11]，如胰腺癌中通过WNT和Notch通路可以促进EMT从而促进肿瘤侵袭转移过程[12]。最近许多研究指出肿瘤细胞ERS/UPR可以通过多种方式促进EMT，增加肿瘤的侵袭转移能力，但具体机制没有完全明了。Li等研究发现，在乳腺癌细胞中XBP1通过调节snail的表达促进EMT，提高肿瘤的侵袭能力，沉默XBP1或Snail抑制了EMT导致的肿瘤侵袭，暗示XBP1/Snail作为新奇的通路有助于乳腺癌的侵袭和转移[13]。ER蛋白29（endoplasmic reticulum protein, ERp29）属于内质网蛋白质，高表达的ERp29通过下调Twist、Slug，活化E-钙黏蛋白，降解纤黏蛋白等促进EMT，降低了细胞侵袭迁移的能力，在乳腺癌细胞中XBP1通路的激活抑制了ERp29表达，抑制了EMT从而增加了肿瘤侵袭能力[14-15]。Shah等发现，在肺腺癌细胞中p97缺失可导致ERS，后者激活蛋白激酶B（Protein kinase B, AKT）和Src酪氨酸激酶，促进EMT及肿瘤侵袭转移，抑制AKT或Src阻碍了ERS诱导的EMT及肿瘤侵袭迁移[16]。此外在其他疾病中ERS/UPR也能影响EMT。Tanjore等发现，在肺泡上皮细胞中ERS通过Smad和Src激酶两条途径刺激细胞EMT，其过程部分依赖IRE-1的调控[17]；Shin等发现在腹膜间皮细胞中ERS通过激活Smad2/3通路促进了Snail和b-连环蛋白表达从而促进了EMT，也可以通过调节转化生长因子-β1（transforming growth factor-β1, TGF-β1）促进EMT[18]。
EMT是恶性肿瘤细胞迁移和侵袭的重要步骤，处于应激状态下的肿瘤细胞能够通过EMT改变自身表型来适应或降低ERS，进而提高自身生存能力。最近Feng等研究发现，在TGF-β诱导的EMT的癌症细胞中，EMT通过激活PERK-eIFa通路促进了细胞侵袭，抑制PERK降低了EMT的癌细胞的侵袭转移能力[19]。肿瘤细胞中ERS/UPR和EMT相互影响促进肿瘤细胞适应微环境，增加了肿瘤的侵袭转移，探索两者之间的联系对肿瘤发生、发展及转移至关重要，靶向两者之间的关键因子可能成为肿瘤治疗的关键。
3 高表达GRP78促进肿瘤细胞侵袭
GRP78是内质网合成分泌的蛋白质，属于热休克蛋白70家族，作为内质网分子伴侣蛋白，其参与内质网中蛋白质的折叠和转运，对维持内质网稳态起了重要作用，此外还可以转运至细胞质、细胞膜甚至分泌到细胞外，参与调控细胞分化、存活、转移等重要的生物学过程。
GRP78作为内质网分子伴侣，在ERS时表达被上调。研究表明GRP78在结肠癌、食管癌、胰腺癌、肝癌等多种癌症中高表达，且高表达的GRP78与肿瘤侵袭转移有关[20]。Yuan等研究显示，在胰腺癌中高表达的GRP78激活黏着斑激酶（focal adhesion kinase, FAK）及JNK通路，促进了基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases, MMPs）的表达及肿瘤侵袭和转移，敲掉GRP78抑制了JNK的磷酸化、降低了MMPs的表达，且激活了RhoA通路，通过诱导应力纤维形成抑制了肿瘤的侵袭能力[21]。Li等研究发现，结肠癌中GRP78可以通过B-连环蛋白上调尿激酶型纤溶酶原激活物（uPA）的表达，并与uPA相互影响，促进两者的分泌提高了肿瘤的侵袭能力[22]。Zhao等发现，肝癌细胞表面GRP78能和α2M相互作用促进c-Src的磷酸化，后者能激活表皮生长因子受体，从而促进了肿瘤细胞侵袭和转移[23]。此外，在黑色素瘤细胞中GRP78高表达且对肿瘤的侵袭转移有直接的促进作用，敲掉GRP78则抑制了肿瘤的侵袭转移能力[24]。也有研究发现，敲掉GRP78可通过抑制PI3K/Akt信号通路, 显著降低肿瘤细胞的转移能力[25]。
ERS状态下，肿瘤细胞高度表达GRP78，通过调节MMPs表达、促进EMT及多种通路刺激了肿瘤细胞侵袭及转移。但也有研究表明GRP78低表达促进了肿瘤侵袭转移，如在结肠癌细胞中沉默GRP78能够减少E-钙黏蛋白的表达，促进EMT，同时激活核转录因子E2相关因子2/血红素加氧酶-1（nuclear factor erythroid-2 related factor 2/heme oxygenase-1, NRF-2/HO-1）通路，促进了肿瘤侵袭转移[26]。GRP78作为人体内重要的功能蛋白，尽管其在不同肿瘤组织中的功能各异，但以GRP78为靶点治疗肿瘤将有美好的前景，可能为肿瘤治疗指明新的方向。
4 高表达AGR2促进肿瘤细胞侵袭
前梯度蛋白2（anterior gradient 2, AGR2）是近年来发现的蛋白二硫键异构酶家族成员蛋白，UPR下游效应分子，它们定位在细胞内质网，在ERS中起着重要作用，参与调控蛋白质折叠、成熟和分泌等过程，促进肿瘤发生发展。ERS状态下，ARG2的表达显著升高，促进肿瘤生长、增加对氧化应激的抵抗性、维持内质网的稳态。
许多研究表明，ARG2在乳腺癌、肺癌、胰腺癌、胃癌等多种癌症中高表达，且与肿瘤的转移表型和不良预后相关，如低氧环境下培养的ERS状态的乳腺癌细胞中AGR2 mRNA增高5倍，ARG2高表达参与肿瘤的迁移与侵袭[27]。Di等发现，在人甲状腺乳头状癌细胞中，异常增加的ARG2促进了肿瘤细胞的迁移侵袭，敲掉ARG2基因后降低了肿瘤细胞的迁移侵袭性[28]。Tsuji等研究显示，在人胃印戒细胞癌中，ARG2高表达且可以通过旁分泌途径激活周围基质纤维母细胞，两者联合促进胃癌细胞迁移侵袭[29]。Zhang等研究发现，高表达的ARG2与胃癌的位置、浸润深度及TNM分期有关，且作为独立的预后因子其能通过促进组织蛋白酶D表达共同影响肿瘤的迁移侵袭及预后[30]。
此外ARG2可以促进肝癌细胞的增殖及侵袭、增加乳腺癌细胞的黏附从而增加其迁移侵袭的能力、调节人头颈部鳞癌细胞EMT过程、增加肿瘤侵袭转移能力[31]。ERS状态下的肿瘤细胞ARG2表达增高，促进了肿瘤的侵袭和转移，抑制ARG2减弱了肿瘤的侵袭性且增加了ERS诱导的细胞凋亡，暗示着抑制ARG2的表达可能成为肿瘤治疗的新靶点。
5 通过降解细胞外基质促进肿瘤细胞侵袭转移
细胞外基质（extracellular matrixc, ECM）是细胞合成并分泌到细胞表面或细胞之间的大分子，主要是一些多糖、蛋白或蛋白聚糖。这些物质构成复杂的网架结构，支持并连接组织结构、调节组织的发生和细胞的生理活动。恶性肿瘤的发生、发展、侵袭和转移常常伴有ECM的变化，合成及分泌大量基质降解酶降解ECM是肿瘤细胞侵袭转移的重要步骤。
MMPs是一组结构上具有极大同源性、能够降解细胞外基质蛋白的内肽酶。近年研究发现，细胞外基质降解是肿瘤侵袭和转移的关键环节，MMPs可通过调节细胞外基质影响肿瘤细胞的侵袭和扩散。Sanda等发现，由氧化低密度脂蛋白诱导的ERS可促进MMP-9的表达和分泌[32]；董凯楠等研究显示在胃癌细胞中，依霉素诱导的ERS可显著上调MMP-9的表达，后者通过降解细胞外基质增强胃癌细胞向外侵袭的能力[33]。Zhao等发现，在高度转移的食管鳞状细胞癌中，MMP-2及MMP-9高表达与GRP78表达正相关，抑制GRP78水平降低了MMP-2、MMP-9的表达，从而限制了肿瘤的侵袭能力[34]。
溶酶体膜相关蛋白（lysosome－associated membrane proteins, LAMPs）是参与细胞溶酶体形成及维持细胞溶酶体稳定的关键膜蛋白，细胞癌变过程中，大量组织蛋白酶被分泌到胞质，与MMPs等共同参与细胞外基质的降解，提高了肿瘤细胞的侵袭转移。目前已在食管癌、大肠癌、输卵管癌、卵巢癌、乳腺癌以及肝癌中均发现LAMP高表达。Nagelkerke等研究发现乳腺癌中LAMP3的表达与缺氧微环密切相关[35]，其机制可能为缺氧微环境通过PERK/eIF2α/ATF4通路而不是HIF-1α通路上调LAMP3的表达，从而增强癌细胞向远处转移的侵袭能力[36]。Nagelkerke等还发现，在人类头颈部鳞状细胞癌中，低氧诱导PERK/ATF4/LAMP3高度激活影响患者预后，可能与LAMP3高表达增加了癌症侵袭性有关[37]。
6 通过其他机制促进肿瘤细胞侵袭转移
半胱氨酸酸性蛋白（secreted protein, acidic and rich in cyst-eine, SPARC）是一种具有多个功能的小分子酸性蛋白，其主要作用是抗细胞黏附、促进细胞骨架重排、提高MMPs表达，对ECM的降解有促进作用。研究发现，在胶质瘤U87细胞中，激活的IRE1可促进SPARC的mRNA表达进而刺激了肿瘤侵袭[38]；Li等研究发现，在乳腺癌中抑制ERS诱导的乙酰肝素酶的表达可显著降低肿瘤的侵袭转移能力[39]；Wu等发现，胃癌细胞中ERP19高度表达，且对肿瘤的侵袭转移起到了促进作用，敲除ERP19后其侵袭转移能力明显减弱[40]，其机制可能是激活了FAK/桩蛋白通路[41]。
7 结语
近年来发现ERS/UPR不仅能维持内质网稳态、对抗细胞氧化应激，还能通过多种方式促进肿瘤侵袭转移，为肿瘤的生存提供新的保障。ERS/UPR与肿瘤侵袭性关系密切、复杂，具体互联机制尚未完全明了，明确其间的关系可能对肿瘤的治疗提供新的思路。
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