SHMT2通过结合并上调HAX1促进乳腺癌细胞的侵袭和迁移
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doi:10.3971/j.issn.1000-8578.2023.23.0462
SHMT2通过结合并上调HAX1促进乳腺癌 细胞的侵袭和迁移
陈前智1,沈娜1,张宁1,陈嫣2
SHMT2 Promotes Invasion and Migration of Breast Cancer Cells Through Binding to and Up-regulating HAX1
CHEN Qianzhi 1, SHEN Na 1, ZHANG Ning 1, CHEN Yan 2
1. Department of Breast and Thyroid Surgery, Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430030, China;
2. Department of Ultrasound, Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430030, China
Abstract: Objective To explore the molecular mechanism of SHMT2 regulating the invasion and migration of breast cancer cells. Methods Bioinformatics analysis was used to verify the role of SHMT2 in breast cancer tissues. Transwell assay was used to detect the changes of invasion and migration abilities of breast cancer cells. Co-immunoprecipitation, knockdown plasmid transfection and Western blot were used to determine the regulatory relationship between different proteins. Results Bioinformatics analysis showed that the expression level of SHMT2 in invasive breast cancer tissues was significantly higher than that in adjacent normal tissues (P <0.001). The 5-year disease-specific survival and overall survival in the SHMT2 high expression group were significantly lower than those in the SHMT2 low expression group (both P <0.001). Transwell assay showed that SHMT2 knockdown significantly reduced the invasion ability (t =5.375, P =0.0058) and migration ability (t =6.274, P =0.0033) of MCF7 cells. Western blot showed that SHMT2 could combine to HAX1, and knockdown of SHMT2 reduced the protein level of HAX1. Transwell assay showed that the inhibitory effect of SHMT2 knockdown on the migration of MCF7 cells could be reversed by overexpression of HAX1 (t =6.274, P =0.0033; t =8.041, P =0.0013), while SHMT2 inhibitor (SHIN1, 10 nmol/L) significantly inhibited the migration of MCF7 cells induced by SHMT2 overexpression (t =10.16, P =0.0005; t =8.741, P =0.0009). Conclusion SHMT2 was closely related to the poor prognosis of breast cancer, and was a key factor in the invasion and migration of breast cancer cells. The mechanism was that SHMT2 increased the invasion and migration ability of breast cancer cells by binding to and up-regulating HAX1. It was verified that SHMT2 inhibitor could significantly reduce the migration ability of breast cancer cells. This study explored the therapeutic potential of SHMT2 inhibitor in metastatic breast cancer, and found potential intervention targets for its clinical treatment.
Key words: Breast cancer; SHMT2; SHMT2 inhibitor; HAX1; Invasion; Migration Funding: Natural Science Foundation of Hubei (No. 2021CFB108)
Competing interests: The authors declare that they have no competing interests.
摘 要:目的 探讨SHMT2调控乳腺癌细胞侵袭和迁移的分子机制。
方法 生物信息分析验证SHMT2在乳腺癌组织中的作用,Transwell 小室法检测乳腺癌细胞侵袭和迁移能力的变化,免疫共沉淀法、敲低质粒转染、蛋白印迹实验确定蛋白调控关系。
结果 生物信息学分析显示,在浸润性乳腺癌组织中SHMT2表达水平显著高于癌旁正常组织(P <0.001),SHMT2高表达组的5年疾病特异性生存率和总生存率均显著低于SHMT2低表达组(均P <0.001)。
Transwell 小室法检测发现敲低SHMT2可显著降低MCF7细胞的侵袭(t =5.375, P =0.0058)和迁移能力(t =6.274, P =0.0033)。
蛋白印迹实验发现,SHMT2能与HAX1相互结合,而敲低SHMT2可降低HAX1的蛋白水平。
Transwell 小室实验发现,敲低SHMT2对
收稿日期:2023-05-04;修回日期:2023-06-13
基金项目:湖北省自然科学基金(2021CFB108)
作者单位:1. 430030 武汉,华中科技大学同济医学院
附属协和医院乳腺甲状腺外科;2. 430030 武汉,华中科技大学同济医学院附属协和医院超声影像科作者简介:陈前智(1990-),男,博士,医师,主要
从事乳腺癌及结肠癌发病机制及治疗策略的研究,ORCID:
0009-0002-6145-7437
·基础研究·
MCF7细胞迁移能力的抑制作用可被高表达HAX1逆转(t =6.274, P =0.0033; t =8.041, P =0.0013),而SHMT2抑制
剂(SHIN1, 10 nmol/L )可显著抑制SHMT2高表达对MCF7细胞迁移能力的促进作用(t =10.16, P =0.0005; t =8.741, P =0.0009)。
结论 SHMT2
与乳腺癌不良预后密切相关,是乳腺
癌细胞侵袭转移的关键因子,其作用
(货号:23225)、ECL 显影液(货号:34577)购自美国Thermo Fisher 公司;GAPDH 抗体(货号:60004-1-Ig )、SHMT2抗体(货号:11099-1-AP )、HAX1抗体(货号:11266-1-AP )均购自武汉三鹰生物技术有限公司;SHMT2抑制剂(SHIN1,货号:RZ-2994)购自美国MCE 公司。
1.2 数据库筛选及数据处理
从TCGA 数据库(https:// )下载并整理TCGA-BRCA (乳腺浸润癌)项目STAR 流程的RNAseq 数据并提取TPM 格式的数据。
根据数据格式特征情况选择合适的统计方法进行统计(运用R 语言stats 包以及car 包),用ggplot2包对数据进行可视化,分析不同组织蛋白表达的差异水平。
统计方法:Wilcoxon rank sum test 。
从TCGA 数据库下载并整理TCGA-BRCA (乳腺浸润癌)项目STAR 流程的RNAseq 数据并提取TPM 格式的数据以及临床数据。
使用R 语言的survival 包进行比例风险假设检验并进行拟合生存回归,结果用survminer 包以及ggplot2包进行可视化,分析不同蛋白表达的生存预后情况。
统计方法:Log rank 检验。
1.3 细胞培养及质粒转染
MCF7细胞株为本实验前期购自美国ATCC 细胞库,于-80℃冰箱超低温保存。
MCF7细胞用含10%胎牛血清的高糖培养基(DMEM )培养,置于含5%CO 2的37℃恒温培养箱内,用0.25%胰酶进行消化传代。
敲低质粒(shSHMT2#1和#2)和高表达质粒(Flag-SHMT2、HA-HAX1)均购自中国吉凯基因公司。
在MCF7细胞生长进入对数期后,用TurboFect 试剂转染敲低或高表达质粒,孵育48 h 后进行后续实验。
1.4 细胞侵袭能力检测
将Transwell 小室用不含血清的DMEM 培养基激活后置于24孔板中。
吸除培养基后在小室上层加入50 μl 基质胶,静置30 min 。
将消化处理后的不同组细胞用不含血清的DMEM 培养基重悬,进行细胞计数,稀释细胞并调整其含量。
吸200 μl 细胞悬液(约2万个细胞),加入Transwell 小室上层,在小室下方培养孔内加入600 μl 含10%胎牛血清的DMEM 培养基,静置于CO 2细胞培养箱孵育24 h 。
去除培养基后加入4%多聚甲醛固定小室15 min ,继而用龙胆紫染色液染色20 min ,用ddH 2O 冲洗净后自然晾干。
将小室内侧面擦净后将其置于光学显微镜下进行观察,每组选取5个视野来计细胞数目并取平均值。
重复3次后选取平均值。
机制可能是SHMT2通过结合并上调HAX1来增加乳腺癌细胞侵袭和迁移能力,SHMT2抑制剂对乳腺癌转移的治疗潜力,为其临床治疗提供了潜在的干预靶点。
关键词:乳腺癌;SHMT2;SHMT2抑制剂;HAX1;侵袭;迁移
中图分类号:R737.9
开放科学(资源服务)标识码(OSID):
0 引言
乳腺癌是女性最常见的恶性肿瘤之一,也是癌症死亡的主要原因之一。
2020年全球癌症统计数据显示,女性乳腺癌已超过肺癌,成为最常见的癌症,估计有230万新病例,其中乳腺癌死亡人数占癌症死亡总数的6.9%[1]。
远处转移是乳腺癌死亡的主要原因
[2-3]。
尽管乳腺癌生物学研究的进步促
使了分子靶向治疗和内分泌药物的广泛应用,但由于乳腺癌的复杂性和异质性,与乳腺癌细胞侵袭转移调控相关的分子机制目前尚不清楚[4-5]。
因
此,寻找新的乳腺癌侵袭转移机制及相关靶向治
疗药物迫在眉睫
[6-7]。
线粒体丝氨酸羟甲基转移酶
(SHMT2)是一种线粒体代谢酶,在维持正常甲基化模式、DNA 稳定性和遗传变异方面起关键作用[8]。
SHMT2催化细胞内甘氨酸生物合成对细胞生长和增殖至关重要,异常的SHMT2促进了代谢的变化,从而增强了肿瘤细胞在缺血微环境中的生存能力[9]。
已有研究表明,SHMT2在乳腺癌、胃癌、食管癌和结直肠癌等组织中的mRNA 和蛋白水平均显著高于配对的癌旁组织,而且在不同肿瘤中SHMT2可增强肿瘤细胞的增殖、侵袭能力
[10]。
本研究进一步验证并发现SHMT2在乳腺癌组织中表达显著高于癌旁组织,而且在肿瘤细胞中敲减SHMT2基因可抑制其侵袭迁移能力。
本研究以探索SHMT2调控乳腺癌侵袭迁移的分子机制为研究目标,拟发现新的分子调控机制和潜在干预靶点。
1 材料与方法
1.1 主要仪器和试剂
细胞培养箱购自美国Thermo Fisher 公司;高速低温离心机购自美国Eppendorf 公司;普通倒置显微镜购自日本奥林巴斯公司;蛋白印迹实验装置购自美国Bio-Rads 公司。
MCF7、HEK293T 是源于ATCC 的冻存细胞株,细胞培养所需的DMEM 培养液和胎牛血清均购自美国Gibco 公司。
蛋白印迹实验制胶试剂和NP40细胞裂解液购自武汉启动子公司;转染试剂Turbo-Fect (货号:R0531)、BCA
蛋白浓度检测试剂盒
1.5 细胞迁移能力检测
吸200 μl 不同组细胞悬液(约2万个细胞),加入已激活的Transwell 小室上层,在小室下方培养孔内加入600 μl 含10%胎牛血清的DMEM 培养基,静置于CO 2细胞培养箱孵育24 h 。
去除培养基后加入4%多聚甲醛固定小室15 min ,继而用龙胆紫染色液染色20 min ,用ddH 2O 冲洗净后自然晾干。
将小室内侧面擦净后将其置于光学显微镜下进行观察,每组选取5个视野来计细胞数目并取平均值。
重复3次后选取平均值。
1.6 细胞划痕实验
将预处理后的细胞置于6孔板中培养。
当细胞生长至95%融合度时,使用10 μl 移液管进行划痕实验。
同时更换培养基为无血清培养基。
应用丝裂霉素(1 μg/ml )抑制癌细胞增殖。
采用倒置显微镜在0~24 h 不同时间点记录划痕距离的变化。
1.7 蛋白印迹实验
将处理后的细胞在冰上用NP40裂解液裂解15 min ,然后在4℃低温离心机12 000 r/min 离心10 min ,收集上清液并测蛋白浓度。
用预制备的十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶(Tris-HCL-SDS-PAGE )电泳分离蛋白,然后转移到PVDF 膜上。
将膜与一抗(稀释1:1000)在4℃孵育过夜,用TBST 洗涤后用二抗常温孵育膜1 h 。
采用化学发光
法检测蛋白表达水平。
1.8 蛋白质免疫共沉淀
将相应抗体用蛋白L 磁珠(货号:HY-K0205, MCE )处理2 h ,HEK293T 细胞裂解液与预处理磁珠在4℃孵育过夜。
获取磁珠后进行蛋白印迹分析。
1.9 统计学方法
采用SPSS20.0软件和GraphPad Prism9.0软件进行统计学分析。
两组间差异比较采用独立样本t 检验。
P <0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 SHMT2在乳腺癌组织的表达及其与预后的关系
通过对TCGA 数据库进行数据分析,发现在浸润性乳腺癌的癌组织中SHMT2表达水平显著高于癌旁正常组织(P <0.001),见图1A ,进而通过相关预后分析发现,SHMT2高表达组的5年疾病特异性生存率和总生存率均显著低于SHMT2低表达组(均P <0.001),见图1B 、1C 。
这就说明SHMT2表达与浸润性乳腺癌的不良预后密切相关,提示可能起到癌基因作用。
2.2 敲低SHMT2可降低MCF7细胞的侵袭能力
在MCF7细胞中转染shNC 对照质粒或shSH-MT2低表达质粒,用Transwell 小室法检测发现敲低SHMT2可显著降低MCF7细胞的侵袭能力(t =5.375, P =0.0058),见图2。
①: compared with adjacent normal tissues, P <0.001; ②: compared with SHMT2 high-expression group, P <0.001; ③: compared with SHMT2 high-expression group, P <0.001.
图1 SHMT2在乳腺癌中的表达(A)及其与预后的相关性(B, C)
Figure 1 Expression level of SHMT2 in breast cancer (A) and its correlation with prognosis
(B, C)
*: compared with shNC group, t =5.375, P =0.0058.
图2 敲低SHMT2对MCF7细胞侵袭能力的影响
Figure 2 Effect of SHMT2 knockdown on invasion ability of MCF7 cells
2.3 敲低SHMT2可降低MCF7细胞的迁移能力
在MCF7细胞中转染shNC 对照质粒或shSH-MT2低表达质粒,用Transwell 小室法进行检测,发现敲低SHMT2可显著降低MCF7细胞的迁移能力(t =6.274, P =0.0033),见图3。
2.4 SHMT2结合并上调HAX1蛋白
为了进一步明确SHMT2调控乳腺癌细胞侵袭和迁移变化的分子机制,本研究发现在蛋白免疫共沉淀中用SHMT2作为诱饵蛋白,SHMT2能够与HAX1相互结合,见图4A 。
进一步在MCF7细胞中转染shNC 对照质粒、shSHMT2#1或shSHMT2#2低表达质粒,通过蛋白印迹实验发现,敲低SHMT2可降低HAX1的蛋白水平,见图4B 。
这些结果说明,SHMT2能够结合HAX1蛋白并上调其蛋白水平。
2.5 SHMT2对MCF7细胞迁移能力的调控
为了进一步验证SHMT2调控乳腺癌细胞侵袭转移能力是否依赖于HAX1通路,本研究设计了相关逆转实验。
将MCF7细胞分为三组,即shNC 对照组、shSHMT2敲低组、shSHMT2+HA-HAX1回复组,转染相应质粒后通过Transwell 小室实验发现,敲低SHMT2对MCF7细胞迁移能力的抑制作用可被高表达HAX1逆转(t =6.274, P =0.0033; t =8.041, P =0.0013),见图5A 。
继而用细胞划痕实验可以得到类似结果(t =6.943, P =0.0023; t =5.654, P =0.0048),见图5B 。
这就意味着,SHMT2对MCF7细胞迁移能力的促进作用是依赖于HAX1蛋白的。
2.6 SHMT2抑制剂(SHIN1)对MCF7细胞迁移能力的作用
SHIN1是SHMT1/2特异性抑制剂,可抑制S H M T 2相关功能。
本研究为了在细胞水平验证SHIN1是否能抑制乳腺癌细胞转移能力,将
MCF7细胞分为三组,即Vector 空载对照组、Flag-SHMT2高表达组、Flag-SHMT2+SHIN1抑制剂组,对不同组进行处理后通过Transwell 小室实验发现,SHMT2高表达可明显增加MCF7细胞迁移能力,而加入SHMT2抑制剂(SHIN1, 10 nmol/L )后可显著抑制细胞迁移能力(t =10.16, P =0.0005;t =8.741, P =0.0009),见图6A 。
继而用细胞划痕实验可以得到类似结果(t =4.416, P =0.0115; t =6.091, P =0.0037),见图6B 。
3 讨论
越来越多的研究表明,SHMT2蛋白在乳腺癌发生发展中起着关键作用[11]。
Li 等研究表明,在MDA-MB-231细胞系中,某些细胞亚群中与SHMT2相关的一碳代谢活性升高,其转移潜能也显著增加。
敲低SHMT2表达可有效抑制体外转移性亚克隆的增殖水平。
此外,在动物模型中进一步验证了抑制SHMT2引起的代谢重编程会降低癌细胞增殖能力[12]。
一项研究表明,在128例乳腺癌病例中检测发现,SHMT2蛋白表达与肿瘤的侵袭性(TNM 分期和Elson 分级)呈剂量依赖性相关。
分层分析结果表明,SHMT2有助于预测患者的预后,尤其是在雌激素受体(ER )阴性的乳腺癌患者中[13]。
本研究中,我们通过数据分析验证了SHMT2在乳腺癌癌组织中蛋白表达显著高于相应的癌旁组织,而且SHMT2高表达与乳腺癌的不良预后密切相关。
从而在组织及临床水平验证了SHMT2
与乳腺癌的相
*: compared with shNC group, t =6.274, P =0.0033.
图3 敲低SHMT2对MCF7细胞迁移能力的影响
Figure 3 Effect of SHMT2 knockdown on migration
ability of MCF7 cells
图4 SHMT2蛋白结合(A)并下调(B)HAX1蛋白
Figure 4 SHMT2 protein bound to (A) and down-regulated (B) HAX1 protein
①: t =10.16, P =0.0005, compared with vector group; ②: t =8.741, P =0.0009, compared with Flag-SHMT2 group; ③: t =4.416, P =0.0115, compared with vector group; ④: t =6.091, P =0.0037, compared with Flag-SHMT2 group, A: migration experiment; B: scratch experiment.
图6 SHMT2抑制剂(SHIN1)对MCF7细胞迁移能力的影响
Figure 6
Effect of SHMT2 inhibitor (SHIN1) on migration ability of MCF7 cells
①: t =6.274, P =0.0033, compared with shNC group; ②: t =8.041, P =0.0013, compared with shSHMT2#1 group; ③: t =6.943, P =0.0023, compared with shNC group; ④: t =5.654, P =0.0048, compared with shSHMT2#1 group; A: migration experiment; B: scratch experiment.
图5 SHMT2对MCF7细胞迁移能力的促进作用
Figure 5 SHMT2 increased the migration ability of MCF7 cells
关性,可能在疾病发生发展过程中起致癌作用。
最近有研究发现SHMT2过表达与乳腺癌的临床治疗耐药相关。
在拉帕替尼治疗过程中,SHMT2升高的细胞可以减轻活性氧(ROS)的毒性作用,更容易在治疗中存活下来[14]。
此外,通过上调抗氧化酶HMOX1、SHMT2和SLC7A11的表达,乳腺癌细胞通过EIF2AK3/EIF2AK4-pEIF2S1-ATF4轴表现出对紫杉醇的耐药性[15]。
总之,这些结果表明SHMT2可能是一个有价值的乳腺癌预后生物标志物。
本研究中,我们进一步通过相关细胞水平实验发现SHMT2在乳腺癌MCF7细胞系中可促进肿瘤细胞侵袭迁移。
为了研究其具体分子机制,本实验通过蛋白免疫共沉淀实验探索SHMT2可能的下游作用靶点。
HS-1-相关蛋白X-1(HAX1)是最初被鉴定为一个35 kDa的蛋白,与Src激酶底物HS-1相互作用,并被认为参与B细胞信号转导[16]。
HAX-1参与抑制细胞凋亡和促进细胞迁移,这是肿瘤发生和转移的关键过程,提示在肿瘤中可能发生HAX-1过表达,从而促进细胞存活和增强恶性细胞的侵袭能力[17-18]。
我们通过免疫共沉淀法发现SHMT2和HAX1可以相互结合,而且通过转染shSHMT2低表达质粒发现敲低SHMT2可降低HAX1蛋白表达水平。
在MCF7细胞系中敲低SHMT2同时高表达HAX1,发现高表达HAX1可逆转敲低SHMT2对肿瘤细胞迁移能力的促进作用。
进而验证了SHMT2可通过结合并上调HAX1表达促进乳腺癌细胞侵袭迁移。
在Tran-swell小室实验中我们进一步验证了SHMT2抑制剂可显著降低MCF7乳腺癌细胞的迁移能力。
本研究通过生物信息学分析和细胞实验发现SHMT2是乳腺癌细胞侵袭转移的关键因子,并发现了SHMT2-HAX1信号轴在相关调控中的关键作用,通过细胞实验探究了SHMT2抑制剂对乳腺癌转移的治疗潜力,为乳腺癌转移的相关分子调控提供了新的线索和思路,为其临床治疗提供了潜在的干预靶点。
利益冲突声明:
所有作者均声明不存在利益冲突。
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[编辑:邱颖慧;校对:刘红武]作者贡献:
陈前智:课题设计、实验实施、论文撰写
沈 娜:生物信息学分析
张 宁:数据处理
陈 嫣:图片整理、论文撰写。