长链非编码RNA在宫颈癌中的作用及机制研究

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研究背景与目的:
  宫颈癌(cervical cancer)是最常见的女性癌症之一,尤其是在欠发达国家,发病率和死亡率仍居高不下且五年生存率低,严重影响妇女的健康。由于早期发现不及时、晚期转移、复发和化疗耐药等因素导致宫颈癌患者死亡率仍较高。因此,寻找宫颈癌的防治措施,研究有效的宫颈癌治疗靶标和可靠的诊断生物标志物非常重要,可为宫颈癌的预防、诊断和个性化治疗提供依据。长链非编码RNA(long non-coding RNA,lncRNA)调控着重要的生命过程,并与人类的重大疾病密切相关,其发现可能为解决宫颈癌的有效防治带来希望。同时宫颈癌是一种多因素引起的恶性肿瘤,是环境因素和遗传因素综合作用的结果,已有证据表明,环境内分泌干扰物(environmental endocrine disruptingchemicals, EEDs)具有较强的致癌促癌作用,大量文献已证实卵巢癌、乳腺癌、子宫肌瘤等妇科肿瘤的发生与其密切相关,而长链非编码RNA在其中可能起到重要的调控作用。环境内分泌干扰物的持续暴露已成为具有我国特色的重大公共卫生问题,探讨其健康危害效应可为重大环境污染的健康危害识别及疾病发病机制提供科学依据。因此,本研究首先基于癌症基因图谱(The Cancer Genome Atlas,TCGA)大数据库,利用生物信息学分析,结合宫颈癌新发病例组织样本差异表达水平分析,筛选宫颈癌关键lncRNA生物标志。在此基础上,进一步对MEG3和RASA4CP进行后续的功能和机制研究。通过细胞和动物实验,探索MEG3和RASA4CP对宫颈癌细胞生物学功能及成瘤过程的影响,同时检测其相关的信号通路的影响,探讨MEG3和RASA4CP在宫颈癌发生发展过程中的分子作用机制。最后,进一步探讨了MEG3在环境内分泌激素4-壬基酚(4-Nonyl Phenol,4-NP)参与宫颈癌进展过程中的作用及机制。本研究将为进一步阐明宫颈癌的发病机理、发现环境-疾病生物标志的可能性提供理论依据。
  研究方法:
  1. 对肿瘤基因组图谱数据库宫颈癌患者RNA测序数据进行分析,按照FIGO临床进展分期进行分组,通过生物信息学分析描绘TCGA大样本宫颈癌人群相关lncRNA差异表达谱,进一步通过基因功能GO富集、KEGG信号通路分析以及lncRNA-mRNA共表达网络分析宫颈癌差异lncRNA的潜在功能,并应用ceRNA理论构建lncRNA-miRNA-mRNA共表达网络。结合宫颈癌患者临床特征,运用COX多因素分析预后,最后研究选取关键lncRNA并应用qRT-PCR技术在新发病宫颈癌患者癌和癌旁组织中的表达进行检测。
  2. 通过综合分析TCGA数据库及宫颈癌人群lncRNA表达,选取与宫颈癌密切相关的MGE3作为后续研究的目标基因。对MEG3在宫颈癌细胞株中表达水平进行检测,构建目标MEG3过表达慢病毒转染宫颈癌Hela细胞株和Siha细胞株,筛选得到稳转细胞株后,采用CCK-8技术、流式细胞技术、细胞划痕实验和Transwell侵袭实验研究MEG3的增殖、凋亡、周期、迁移及侵袭等生物学过程中所发挥的生物学功能。同时,选取MEG3过表达Hela细胞株,应用Western Blot技术、裸鼠荷瘤技术和免疫组化等技术,结合体内外实验来探讨MEG3在宫颈癌发生发展及成瘤过程中的分子作用机制。
  3. 通过综合分析TCGA数据库及宫颈癌人群lncRNA表达谱,选取与宫颈癌密切相关的RASA4CP作为另一个后续研究的目标基因。对RASA4CP宫颈癌细胞株中表达水平进行检测,应用RNA原位杂交技术检测RASA4CP的亚细胞定位。构建RASA4CP过表达慢病毒转染宫颈癌Hela细胞株,筛选得到稳转细胞株后,采用CCK-8技术、流式细胞技术研究RASA4CP在宫颈癌细胞增殖、凋亡和周期中所发挥的生物学功能。同时,选取RASA4CP过表达Hela细胞株,应用Western Blot技术、裸鼠荷瘤技术和免疫组织化学等技术,结合体内外实验来探讨RASA4CP在宫颈癌发生发展及成瘤过程中的分子作用机制。
  4. 采用高效液相色谱质谱串联检测宫颈癌人群4-壬基酚内暴露水平。在前期MEG3研究的基础上,我们选取MEG3过表达Hela细胞株和阴性对照细胞株进行低剂量的4-壬基酚染毒,运用CCK-8增殖实验确定4-壬基酚对宫颈癌细胞的剂量-效应关系,流式细胞术检测4-壬基酚对宫颈癌细胞凋亡的影响。应用qRT-PCR技术检测染毒后MEG3的表达变化水平。CCK-8技术、流式细胞术分析4-壬基酚染毒后MEG3对增殖和凋亡的生物学功能的影响。同时,应用Western Blot技术探讨MEG3通过PI3K-AKT信号通路参与4-壬基酚染毒促宫颈癌进展过程中的分子作用机制。
  研究结果:
  1.宫颈癌相关lncRNA筛选及分析
  通过对TCGA数据库大样本宫颈癌人群测序数据的深入分析,筛选出51个宫颈癌差异表达的lncRNAs。根据ceRNA理论,进一步构建了宫颈癌lncRNA-miRNA-mRNA的ceRNA网络,发现有42个关键lncRNA在宫颈癌中可能具有重要的调控作用。对临床特征和预后的关系进行了分析,结果进一步揭示了其中有18个lncRNA和宫颈癌的临床进展密切相关,2个lncRNA(RASA4CP和ILF3-AS1)与宫颈癌的预后密切相关。在宫颈癌人群样本中对TCGA数据分析结果进行验证,结果显示TCGA数据分析结果具有较高的可靠性和准确性,最终筛选出9个lncRNA(EMX20S,MEG3、DDX12P、SYS1-DBNDD2、LINC00341、MIR9-3HG、LINC00663、RASA4CP和ILF3-AS1)和宫颈癌的发生发展密切相关,TCGA数据筛选出的关键lncRNA具有作为宫颈癌生物标志的潜能并可进一步深入研究。
  2. LncRNA-MEG3在宫颈癌中的生物学功能及机制研究
  相对于正常宫颈上皮细胞H8细胞,宫颈癌Hela、Siha细胞株中MEG3的表达量分别下调22.46和7.87倍;在60对宫颈癌人群中,相对于癌旁组织,癌组织中MEG3表达量下调23.00倍。CCK8增殖实验结果显示:与阴性对照组相比,Hela和Siha细胞MEG3过表达组细胞增殖能力明显下降(P<0.05)。细胞凋亡结果显示:与阴性对照组相比,Hela和siha细胞MEG3过表达组的凋亡水平呈现显著增高(P<0.05)。细胞周期实验结果显示:与阴性对照组相比,Hela细胞MEG3过表达组的细胞周期G1期发生阻滞(P<0.05);Siha细胞MEG3过表达组的细胞周期S期发生阻滞(P<0.05)。划痕实验结果显示:与阴性对照组相比,Hela细胞MEG3过表达组的迁移能力呈现显著降低(P<0.05)。Transwell侵袭实验结果显示:与阴性对照组相比,Hela细胞MEG3过表达组的侵袭能力呈现显著降低(P<0.05)。Western Blot检测结果显示:与阴性对照组相比,Hela和Siha细胞MEG3过表达组的PI3K、p-AKT、mTOR、BCL-2、elf4e、cylinD蛋白表达水平显著降低,P21、Bax、caspase-3蛋白表达水平增强。裸鼠荷瘤实验结果显示:与阴性对照组相比,慢病毒MEG3过表达组平均瘤重及瘤体积显著下降(p<0.05)。瘤组织Western Blot检测结果显示:与阴性对照组相比,MEG3过表达组p-AKT、mTOR、PI3K和BCL-2蛋白表达水平显著降低。瘤组织免疫组化结果显示:与阴性对照组相比,MEG3过表达可抑制BCL-2和p-mTOR的表达水平,增强p-AKT的表达水平。
  3. LncRNA–RASA4CP在宫颈癌中的生物学功能及机制研究
  相对于正常宫颈上皮细胞H8细胞,宫颈癌Hela、Siha细胞株中RASA4CP的表达量分别下调29.51和1.12倍;在60对宫颈癌人群中,相对于癌旁组织,癌组织中RASA4CP的表达量下调15.00倍。RNA原位杂交结果显示RASA4CP主要分布在在宫颈癌Hela细胞质内中。CCK-8增殖实验结果显示:与阴性对照组相比,RASA4CP过表达组的增殖能力呈现下降趋势(P<0.05)。细胞凋亡结果显示:与阴性对照组相比,RASA4CP过表达组的凋亡水平呈现显著增高(P<0.05)。细胞周期实验结果显示:与阴性对照组相比,RASA4CP过表达组的细胞周期G2期发生阻滞(P<0.05)。Western Blot检测结果显示:与阴性对照组相比,RASA4CP过表达组的p-AKT、p-ERK、BCL-2、caspase-3和NF-kB蛋白表达水平显著降低,p-P38、p-JNK、Bax和caspase3的蛋白表达水平显著增高。裸鼠荷瘤实验结果显示:与阴性对照组相比,慢病毒RASA4CP过表达组平均瘤重及瘤体积显著下降(p<0.05)。瘤组织Western Blot检测结果显示:与阴性对照组相比,RASA4CP过表达组的p-AKT、p-ERK、BCL-2蛋白表达水平降低;p-P38蛋白表达水平增强。瘤组织免疫组化结果显示:与阴性对照组相比,RASA4CP过表达可抑制p-AKT、p-ERK和BCL2的蛋白表达水平。
  4. LncRNA-MEG3在4-壬基酚促宫颈癌进展过程中的作用及机制研究
  高效液相色谱串联质谱检测4-壬基酚内暴露水平,结果显示:宫颈癌患者尿液中4-NP平均浓度22.37±16.32 ng/mL,显著高于正常对照组 3.84±2.52 ng/mL(P<0.05)。CCK8结果显示:随着4-NP染毒浓度和染毒时间的增加,细胞增殖活性亦呈逐渐增加趋势,且在4-NP染毒浓度为0.1μmol/L,染毒时间为72h时,细胞的增殖率最高(p<0.05)。细胞凋亡结果显示:4-NP染毒组细胞总凋亡率(15.80±0.77)%,较未染毒组的总凋亡率(23.24±1.63)%显著降低(P<0.05)。qRT-PCR结果显示:4-NP染毒Hela细胞24、48、72h,MEG3表达水平较0h组分别显著下调2.16、3.46、8.80倍(P<0.05)。4-NP(0.1μmol/L)染毒MEG3过表达Hela细胞株72h后,CCK-8结果显示:与空白对照4-NP(-)&MEG3(-)组相比, 4-NP(+)&MEG3(-)组细胞OD值显著增加(P<0.05);与4-NP(-)&MEG3(+)组相比,4-NP(+)&MEG3(+)组细胞OD值明显降低(P<0.05)。细胞凋亡结果显示:4-NP(+)&MEG3(-)组细胞总凋亡率(12.64±0.56)%,较4-NP(-)&MEG3(-)组(25.43±2.87)%显著下调(P<0.05);与4-NP(-)&MEG3(+)组相比,4-NP(+)&MEG3(+) 组细胞总凋亡率显著上调(P<0.05)。Western blot结果显示,与空白对照组[4-NP(-)&MEG3(-)]比较,4-NP可显著促进宫颈癌Hela细胞的AKT和PI3K的蛋白磷酸化水平,明显增加凋亡抑制蛋白BCL-2表达,同时降低促凋亡蛋白Bax;与4-NP(+)&MEG3(-)比较,MEG3可部分抑制4-NP染毒导致的AKT和PI3K的蛋白磷酸化水平增加,也可部分逆转4-NP染毒所致的BCL-2蛋白表达促进作用,同时上调蛋白Bax的表达。
  研究结论:
  1)通过对TCGA数据库宫颈癌患者癌及癌旁组织RNA测序结果的分析及ceRNA网络构建,发现42个差异表达的关键lncRNA,进一步临床病理特征及预后相关分析,结合人群组织样本验证,研究发现9个lncRNA ( EMX20S , MEG3、DDX12P、SYS1-DBNDD2、LINC00341、MIR9-3HG、LINC00663、RASA4CP和ILF3-AS1)和宫颈癌的发生发展及预后关系密切,可作为宫颈癌临床诊断和预后后续生物标志。
  2)MEG3在宫颈癌细胞和组织中呈现低表达。MEG3过表达可显著抑制宫颈癌Hela和Shia细胞的增殖、促进凋亡、改变细胞周期状态;同时可显著降低Hela细胞的迁移和侵袭以及抑制裸鼠成瘤,该过程可能与MEG3对PI3K-AKT信号通路的抑制作用有关。提示MEG3可能发挥类似抑癌基因的功能并在宫颈癌的进程中发挥重要调控作用。
  3)RASA4CP在宫颈癌患者癌组织中呈现低表达。RASA4CP过表达可显著抑制宫颈癌Hela细胞的增殖、促进凋亡,改变细胞周期的状态;同时可抑制裸鼠成瘤,该过程可能与RASA4CP对MAPK-ERK信号通路关键蛋白的抑制作用有关。本研究为首次开展RASA4CP在宫颈癌中的作用及机制研究,发现RASA4CP发挥类似抑癌基因的功能并可能在宫颈癌的进程中发挥重要调控功能。
  4)宫颈癌患者的4-壬基酚内暴露水平显著高于对照人群。4-壬基酚具有促进宫颈癌细胞增殖的能力,且具有浓度-效应和时间-效应关系。低剂量的4-壬基酚暴露可明显诱导宫颈癌细胞中MEG3表达下调,同时低剂量的4-壬基酚暴露可降低MEG3过表达对宫颈癌细胞增殖的抑制作用,且可部分抑制MEG3过表达对宫颈癌细胞的促凋亡作用。通过关键蛋白的变化,发现MEG3通过调控PI3K-AKT信号通路的开放参与4-壬基酚染毒对宫颈癌细胞的作用机制,提示MEG3可能是介导4-壬基酚促进宫颈癌作用的关键lncRNA分子。宫颈癌患者内暴露水平及MEG3在4-壬基酚促宫颈癌中的作用机制研究均为首次报道,为进一步评估MEG3及相关分子是否可作为暴露或效应生物标志提供实验依据。
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