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低氧條件下糖酵解限速酶PDK1調(diào)控乳腺癌腫瘤干細(xì)胞特性的研究

發(fā)布時間:2020-03-27 21:15
【摘要】:1、研究背景乳腺癌是女性發(fā)病率最高的一種癌癥。近年來,隨著乳腺癌的基礎(chǔ)研究向臨床的不斷轉(zhuǎn)化,目前乳腺癌的治療手段極大地改善了乳腺癌患者的治療效果,但在乳腺癌治療過程中,腫瘤的耐藥、復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移現(xiàn)象也日益嚴(yán)重。包括乳腺癌在內(nèi)的許多腫瘤中,存在一小群具備自我更新、多向分化潛能并能夠啟動和重建腫瘤組織表型的腫瘤細(xì)胞,被稱為腫瘤干細(xì)胞。大量研究表明,腫瘤干細(xì)胞參與腫瘤轉(zhuǎn)移、復(fù)發(fā)和放化療耐受的過程。因此靶向腫瘤干細(xì)胞的治療策略將有望成為癌癥治療的新方向。然而,由于腫瘤干細(xì)胞存在不同的亞群,且具備較強(qiáng)的可塑性和動態(tài)性,針對腫瘤干細(xì)胞的治療仍然缺乏有效的靶點(diǎn)和干預(yù)機(jī)制。PDK1能夠磷酸化丙酮酸脫氫酶(PDH)使其失去活性,抑制丙酮酸轉(zhuǎn)化成乙酰輔酶A,從而阻止丙酮酸進(jìn)入三羧酸循環(huán)。研究表明,PDK1蛋白在多種惡性腫瘤(包括乳腺癌)中異常高表達(dá)。作為一種重要的糖酵解限速酶,PDK1廣泛參與了細(xì)胞的生理代謝過程,在調(diào)節(jié)腫瘤進(jìn)展和干細(xì)胞重編程中具有重要作用。既往研究證實PDK1與腫瘤增殖、腫瘤轉(zhuǎn)移、腫瘤放化療抵抗以及不良預(yù)后密切相關(guān)。但是PDK1蛋白調(diào)控腫瘤發(fā)生發(fā)展的具體機(jī)制尤其與腫瘤干細(xì)胞的聯(lián)系尚不明確,這一領(lǐng)域有待更加深入地研究和探索。更重要的是,這一研究為靶向腫瘤干細(xì)胞的乳腺癌臨床治療策略提供了新的方向。2、研究方法(1)(1)對表達(dá)譜數(shù)據(jù)GSE15192進(jìn)行統(tǒng)計分析,比較細(xì)胞中CD44~+/CD24~-和CD44~-/CD24~+兩個亞群的糖酵解限速酶的表達(dá)情況。(2)通過體外微球懸浮培養(yǎng)和ALDH~+細(xì)胞分選,富集乳腺癌腫瘤干細(xì)胞群,利用RT-qPCR方法,比較“干性”群體與非“干性”群體中PDK1基因及其他糖酵解限速酶的表達(dá)情況;利用Western blotting方法檢測10對乳腺癌及癌旁組織標(biāo)本中PDK1蛋白表達(dá)水平;分析GEO數(shù)據(jù)集的GSE3494和GSE9893 PDK1蛋白表達(dá)水平與患者整體生存率(OS)的關(guān)系。(3)通過轉(zhuǎn)染siRNA或質(zhì)粒,敲降或過表達(dá)PDK1,利用流式細(xì)胞術(shù)檢測ALDH~+細(xì)胞群的比例;利用慢病毒載體構(gòu)建穩(wěn)定敲降或高表達(dá)PDK1的細(xì)胞系,通過Western blotting方法檢測PDK1和干性因子的蛋白表達(dá),并利用體外微球懸浮培養(yǎng)實驗,檢測PDK1表達(dá)變化對乳腺癌細(xì)胞微球形成能力的影響;通過裸鼠荷瘤實驗檢測敲降PDK1后腫瘤形成的體積變化。(4)利用BrdU染色,細(xì)胞周期分析和CCK8試劑盒檢測PDK1表達(dá)變化對乳腺癌細(xì)胞增殖、細(xì)胞周期和細(xì)胞生存能力的影響。(2)(1)利用免疫熒光染色檢測HIF-1α和PDK1在腫瘤中的定位,通過蘇木素-伊紅染色檢測腫瘤標(biāo)本組織形態(tài)。(2)通過免疫熒光檢測腫瘤干性因子在腫瘤中央和外周的定位和表達(dá);將腫瘤中央?yún)^(qū)和外周區(qū)的細(xì)胞進(jìn)行原代培養(yǎng),通過RT-qPCR實驗檢測兩種細(xì)胞PDK1表達(dá)水平;通過裸鼠荷瘤極限稀釋實驗,檢測兩種細(xì)胞的成瘤能力;并通過微球形成實驗檢測兩種細(xì)胞微球形成能力。(3)通過試劑盒檢測腫瘤中央?yún)^(qū)和外周區(qū)原代細(xì)胞的葡萄糖攝取、乳酸生成、ATP水平和PDH活性。(4)分離NTC和shPDK1皮下腫瘤的中央?yún)^(qū)和外周區(qū)進(jìn)行原代培養(yǎng),檢測兩區(qū)域細(xì)胞在敲降PDK1后PDK1表達(dá)水平、PDH活性、糖酵解水平和微球形成能力。(3)(1)通過RT-qPCR實驗,檢測腫瘤中央?yún)^(qū)和周圍區(qū)域細(xì)胞9種低氧相關(guān)lncRNA的表達(dá)水平,檢測在低氧和常氧培養(yǎng)下9種低氧相關(guān)lncRNA的表達(dá)水平,檢測腫瘤微球和癌細(xì)胞中9種lncRNA表達(dá)水平。(2)利用慢病毒建立穩(wěn)定敲降H19的細(xì)胞系,RT-qPCR實驗檢測敲降效率。(3)利用試劑盒檢測低氧和常氧條件下敲降H19對腫瘤細(xì)胞葡萄糖攝取,乳酸生成和ATP水平的影響。(4)利用RT-qPCR檢測siH19的敲降效率;再利用Western blotting實驗檢測敲降H19對干性因子表達(dá)量的影響;利用微球形成實驗檢測細(xì)胞微球形成的大小和數(shù)量。(4)(1)利用RT-qPCR和Western blotting實驗檢測低氧條件下H19敲降的乳腺癌細(xì)胞PDK1蛋白和mRNA水平,并利用試劑盒檢測PDH活性。(2)在敲降PDK1的細(xì)胞中過表達(dá)H19質(zhì)粒,通過Western blotting實驗檢測PDK1的蛋白水平;利用試劑盒檢測腫瘤細(xì)胞葡萄糖攝取、乳酸生成和ATP水平;通過微球形成實驗,檢測微球形成的大小和數(shù)量;通過裸鼠荷瘤實驗檢測腫瘤形成的體積變化。(3)收集20例乳腺癌病例樣本,通過RT-qPCR檢測H19和PDK1表達(dá)量,通過卡方檢驗對二者進(jìn)行相關(guān)性分析。(5)(1)通過RT-qPCR和Western blotting實驗,檢測低氧條件下敲降H19對HIF-1α的mRNA和蛋白水平的改變。(2)利用試劑盒提取細(xì)胞核和質(zhì)的RNA,通過RT-qPCR檢測常氧和低氧條件下H19的表達(dá)水平;利用分子克隆技術(shù),將HIF-1α3’UTR全長序列、預(yù)測的let-7靶向序列及靶點(diǎn)突變序列克隆到psiCHECK載體,通過熒光素酶報告實驗,檢測let-7類似物對報告載體熒光素活性的影響;通過Western blotting和RT-qPCR實驗,檢測let-7類似物或抑制劑對HIF-1α的mRNA和蛋白表達(dá)的影響。(3)通過熒光素酶報告實驗,檢測H19梯度上升對psi-HIF-1α-MRE熒光素酶活性的影響;在低氧條件下轉(zhuǎn)染siH19和let-7抑制劑,通過Western blotting檢測HIF-1α的蛋白表達(dá)變化。(4)利用shRNA慢病毒載體,構(gòu)建穩(wěn)定敲降HIF-1α的細(xì)胞,通過RT-PCR實驗檢測HIF-1α敲降效率和PDK1 mRNA水平;在敲降HIF-1α的細(xì)胞中高表達(dá)H19,利用Western blotting實驗檢測HIF-1α和PDK1蛋白表達(dá)水平。(6)(1)通過RT-qPCR實驗,檢測時間或劑量依賴地加入阿司匹林對H19mRNA表達(dá)水平的影響;利用Western blotting實驗,檢測低氧條件下阿司匹林對PDK1表達(dá)水平的改變;利用試劑盒,檢測阿司匹林對PDH活力的影響。(2)通過試劑盒,檢測阿斯匹林對腫瘤細(xì)胞葡萄糖攝取、乳酸生成和ATP水平的影響。(3)通過Western blotting實驗,檢測阿司匹林對干性因子蛋白表達(dá)的改變;通過微球形成實驗,檢測不同濃度阿司匹林對腫瘤微球數(shù)量和大小的影響;通過裸鼠荷瘤實驗,檢測阿司匹林對腫瘤生長速率和體積的影響。3、研究結(jié)果(1)(1)GSE15192分析結(jié)果表明,CD44~+/CD24~-亞群中PDK1表達(dá)水平明顯高于CD44~-/CD24~+亞群。(2)PDK1和干性因子的mRNA和蛋白水平在腫瘤“干性”細(xì)胞群和腫瘤組織中顯著高于“非干性”細(xì)胞群和正常組織;Kaplan-Meier生存分析結(jié)果顯示PDK1蛋白高表達(dá)的乳腺癌患者整體生存率(OS)下降,差異有統(tǒng)計學(xué)意義。(3)體外實驗結(jié)果表明,敲降或過表達(dá)PDK1減低或升高乳腺癌細(xì)胞的ALDH~+細(xì)胞群比例、PDK1和干性因子的蛋白表達(dá)以及微球形成的大小和數(shù)量;體內(nèi)實驗證明,敲降PDK1顯著降低裸鼠荷瘤的體積。(4)敲降或過表達(dá)PDK1對腫瘤的細(xì)胞增殖、細(xì)胞周期和細(xì)胞活力沒有影響。(2)(1)免疫熒光染色和蘇木素-伊紅染色結(jié)果顯示腫瘤中央缺氧區(qū)的PDK1表達(dá)水平顯著高于外周區(qū)。(2)腫瘤中央?yún)^(qū)的干性因子表達(dá)水平顯著高于外周區(qū);中央?yún)^(qū)原代腫瘤細(xì)胞的PDK1表達(dá),成瘤能力和微球形成能力顯著高于外周區(qū)原代腫瘤細(xì)胞。(3)腫瘤中央?yún)^(qū)細(xì)胞葡萄糖攝取,乳酸生成和ATP水平顯著高于外周區(qū)細(xì)胞,而PDH活性低于外周區(qū)細(xì)胞。(4)不同于NTC腫瘤的中央?yún)^(qū)與外周區(qū)細(xì)胞,shPDK1腫瘤中央?yún)^(qū)與外周區(qū)細(xì)胞的PDK1表達(dá)無差異;因此,PDH活性,葡萄糖攝取、乳酸生成、ATP水平以及微球形成能力在shPDK1腫瘤中央?yún)^(qū)與外周區(qū)細(xì)胞中沒有區(qū)別。(3)(1)中央?yún)^(qū)細(xì)胞、低氧處理的腫瘤細(xì)胞和腫瘤微球細(xì)胞中的H19表達(dá)水平顯著高于外周區(qū)細(xì)胞、常氧下的腫瘤細(xì)胞和二維培養(yǎng)的腫瘤細(xì)胞,同時與其他lncRNA相比升高倍數(shù)最高。(2)穩(wěn)定敲降H19的細(xì)胞H19表達(dá)量下降,低氧條件下其葡萄糖攝取、乳酸生成和ATP水平顯著減少。(3)常氧條件下H19敲降對糖酵解水平?jīng)]有影響。(4)低氧條件下H19敲降顯著減少干性因子的表達(dá);H19敲降的腫瘤細(xì)胞形成微球的大小和數(shù)量顯著降低。(4)(1)低氧條件下敲降H19顯著下調(diào)PDK1的蛋白和mRNA水平,增強(qiáng)PDH的活性。(2)敲降PDK1逆轉(zhuǎn)H19提升的葡萄糖攝取、乳酸生成和ATP水平。(3)敲降PDK1逆轉(zhuǎn)H19提高的微球形成能力和裸鼠荷瘤體積。(4)病人的腫瘤樣本中H19和PDK1存在顯著相關(guān)性(n=15)。(5)(1)低氧條件下敲降H19減少HIF-1α蛋白表達(dá),但對其mRNA水平?jīng)]有影響。(2)低氧條件下H19在細(xì)胞質(zhì)中表達(dá)水平顯著升高,細(xì)胞核中沒有明顯變化;let-7類似物顯著降低psi-let7 4x,psi-HIF-1α-FL和psi-HIF-1α-MRE的熒光素酶活性,而psi-HIF1α-Mut熒光素酶活性沒有明顯變化;在let-7類似物或抑制劑減少或增加HIF-1α蛋白水平,不影響其mRNA水平。(3)野生型H19劑量依賴的提高psi-HIF1A-MRE熒光素酶的活性,但突變的H19沒有作用;敲降H19減少HIF-1α蛋白表達(dá)量,而let-7抑制劑能夠逆轉(zhuǎn)敲降H19降低的HIF-1α蛋白表達(dá)水平。(4)敲降HIF-1α的細(xì)胞PDK1 mRNA水平顯著降低;高表達(dá)H19顯著升高PDK1蛋白表達(dá)量,而敲降HIF1A可逆轉(zhuǎn)H19提高的PDK1蛋白表達(dá)水平;(6)(1)阿司匹林能夠時間和劑量依賴地降低H19表達(dá)水平;低氧條件下阿司匹林減少PDK1蛋白的表達(dá),提高PDH的活性。(2)阿斯匹林抑制葡萄糖攝取,乳酸生成和ATP水平。(3)阿司匹林顯著降低干性因子的蛋白表達(dá)量,減少微球形成的大小和數(shù)量,抑制裸鼠荷瘤的體積。4、研究結(jié)論(1)PDK1對乳腺癌細(xì)胞的干性維持起重要作用;(2)缺氧條件下PDK1激活糖酵解增強(qiáng)腫瘤干細(xì)胞特性;(3)缺氧條件下誘導(dǎo)的H19促進(jìn)糖酵解和乳腺癌腫瘤干細(xì)胞特性;(4)沉默PDK1抑制H19介導(dǎo)的糖酵解過程和腫瘤干細(xì)胞特性;(5)H19通過調(diào)節(jié)HIF-1α促進(jìn)PDK1基因的表達(dá);(6)阿司匹林降低H19和PDK1的表達(dá)抑制糖酵解水平和干性維持。
【圖文】:

示意圖,糖酵解,限速酶,亞群


1、PDK1 對乳腺癌細(xì)胞的干性維持起重要作用為了尋找乳腺癌干細(xì)胞中關(guān)鍵的糖酵解調(diào)節(jié)因子,我們對葡萄糖代謝過程中糖酵解關(guān)鍵限速酶(SLC2A1,HK2,PFK,PKM2,LDHA和PDK1)(圖1A)的基因表達(dá)情況在GSE數(shù)據(jù)庫CD44+/CD24 和CD44 /CD24+兩個亞群中進(jìn)行比較[46]。如熱圖所示(圖1B),乳腺癌干細(xì)胞CD44+/CD24 亞群的PDK1 mRNA水平顯著高于乳腺癌非干細(xì)胞CD44 /CD24+亞群中的水平,而其他糖酵解限速酶的mRNA表達(dá)水平?jīng)]有顯著升高(圖1C)。圖1 篩選腫瘤干細(xì)胞群中富集的糖酵解限速酶。(A)糖代謝過程中關(guān)鍵步驟及其相關(guān)酶的示意圖。(B)從GEO數(shù)據(jù)庫中分析基因組的mRNA表達(dá)譜數(shù)據(jù)(GSE15192),選取表達(dá)突出基因制成熱圖,各基因表達(dá)值取2的對數(shù)。(C)在數(shù)據(jù)庫(GSE15192)中CD44+/CD24 和CD44 /CD24+兩個亞群的癌細(xì)胞里分析SLC2A1,HK2,PKM2,LDHA

干細(xì)胞,乳腺癌,腫瘤,微球形


53圖2 PDK1在乳腺癌干細(xì)胞群和腫瘤樣本中異常高表達(dá)。(A-B)通過微球形成實驗富集MDA-MB-231和 MCF-7細(xì)胞中的干細(xì)胞。通過RT-qPCR的方法檢測SLC2A1,HK2,,PKM2,LDHA,PFK,PDK1,MYC,POU5F1和LIN28的表達(dá)水平,**P< 0.01,***P<0.001。(C-E)通過微球形成的方法在MDA-MB-231細(xì)胞、MCF-7細(xì)胞和SK-BR-3細(xì)胞中富集腫瘤干細(xì)胞。通過western blotting 分析PDK1,C-MYC,OCT4和LIN28的蛋白表達(dá)情況。(F)利用RT-qPCR實驗,檢測ALDH陰性和陽性的MDA-MB-231細(xì)胞中PDK1和ALDH1的
【學(xué)位授予單位】:大連醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2018
【分類號】:R737.9

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本文編號:2603398


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