雷帕霉素对肺癌细胞mTOR信号通路相关蛋白表达的作用
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DOI:10.3971/j
.issn.1000-8578.2011.10.003收稿日期:2010-09-28;修回日期:2011-03-
22基金项目:广州市教育局科技基金资助项目(穗教科[2006]61035);广东省医学科研基金资助项目(A2010248
)作者单位:1.510260广州,广州医学院第二附属医院肿瘤科;2.
中山大学肿瘤防治中心作者简介:曾波航(1963-)
,男,博士,教授,主要从事肿瘤靶向治疗研究
雷帕霉素对肺癌细胞mTOR信号通路相关蛋白表达的作用
曾波航1,庄 莹1,陈静琦1,江素华1,曾木圣2
Effects of Rapamycin on Expression of mTOR Signaling Pathway Relative Protein in LungCancer
CellZENG Bo-hang1
,ZHUANG Ying1
,CHEN Jing-qi 1
,JIANG Su-hua1
,ZENG Mu-sheng2
1.Department of Oncology,Second Affiliated Hospital,Guangzhou Medical University,Guang
zhou510260,China;2.Sun Tat-sen University
Tumor CencerAbstract:Objective To investigate the relation between the function state of mTOR signal pathway andrapamycin sensitivity to lung cancer.Methods mTOR signaling pathway protein in 4 lung cancer celllines(HLAMP,H1299,A549 and PAa)were detected by Western Blot.MTT method was used to deter-mine the inhibitory effect of rapamycin on human lung cancer cell.Lung cancer cell lines were divided intorapamycin sensitive group and non-sensitive group.En Vision method was used to detecte the expressionof rapamycin differential protein in 100 lung cancer and 20 lung nonmalignant disease normal lung tis-sues.Result AKT,S6K1,4E-BP1,eIF4E were expressed in all human lung cancer cell lines.P-S6K1 washigh-level expression in sensitive cell lines,no detection in non-sensitive cell line,and it was arapamycindifferential protein.P-S6K1 positive-expression rate was 15%(3/20)in normal lung tissues,and 62%(62/100)in lung cancer,respectively.P-S6K1 positive-expression rate in small cell lung cancer(81%,17/21)was higher than that in non-small cell lung cancer(59%,45/79).Conclusion The expression of P-S6K1in human lung cancer cell lines may reflect rapamycin sensitivity to cancer cell to a extent.But othermTOR signaling pathway protein(AKT,S6K1,eIF4E,4E-BP1)can not reflect rapamycin sensitivity tolung cancer cell.P-S6K1 isarapamycin differential protein.The expression of P-S6K1 in small cell lungcancer is much higher than that in non-samll cell lung cancer.The results suggest the better clinical effectof mTOR inhibitor-rapamycin in small cell lung cancer.Key
words:Lung Cancer;Rapamycin;mTOR摘 要:目的 探讨mTOR信号通路的功能状态与肺癌对雷帕霉素敏感度的关系。
方法 Westernblot检测mTOR信号通路中AKT、S6K1、eIF4E、4E-BP1、P-S6K1蛋白在4种人肺癌细胞株的表达;MTT法检测雷帕霉素对肺癌细胞增殖的抑制情况,将肺癌细胞分为雷帕霉素敏感组和不敏感组,找出与敏感度相关的差异蛋白,用En Vision法检测患者肺癌组织中差异蛋白的表达。
结果 AKT、S6K1、eIF4E、4E-BP1蛋白在4种肺癌细胞株中均有表达。
而P-S6K1在不敏感株中未检测到,在敏感株中呈高表达,为雷帕霉素差异蛋白。
P-S6K1在正常肺组织中的阳性表达率为15%(3/20例),在肺癌组织中的阳性表达率为62%(62/100例),其中在小细胞肺癌组织中的阳性表达率(81.0%,17/21例)高于非小细胞肺癌组织(59%,45/79例)。
结论 在mTOR信号通路相关蛋白中,仅P-S6K1在一定程度上可预测肺癌细胞株对雷帕霉素的敏感度,为一种mTOR靶向抑制剂———雷帕霉素治疗肺癌的差异蛋白。
P-S6K1在小细胞肺癌中表达较非小细胞肺癌高,提示在P-S6K1表达率高的小细胞未分化肺癌中应用mTOR靶向抑制剂———雷帕霉素的疗效可能更佳。
关键词:肺癌;雷帕霉素;mTOR
中图分类号:R734.2 文献标识码:A 文章编号:1000-8578(2011)10-1105-040 引言
哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian targ
etof rapamycin,mTOR)可以整合氨基酸、能量、生长因子所激发的信号通路,参与基因转录、蛋白质翻译、核糖体生物合成和细胞凋亡等多项细胞功
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能。
现已发现,许多肿瘤伴有mTOR信号通路调节异常[1-4]。
生长因子通过跨膜信号转导激活PI3K,产生PtdIn(1-4)P2,PtdIn(3,4,5)P3,它们以PH域与PDK和AKT结合并激活PDK-1,活化的PDK-1磷酸化AKT并使之活化,AKT再直接磷酸化mTOR,活化的mTOR作用于下游的底物。
激活的mTOR至少可调节两种不同的下游底物:S6K1和4E-BP1,它们是蛋白翻译的关键调节因子。
雷帕霉素(Rapamycin)能特异性靶向抑制mTOR,阻止S6K1和4E-BP1磷酸化。
美国国立癌症研究所分析雷帕霉素对60种肿瘤细胞株的杀伤作用后,发现雷帕霉素能抑制部分肿瘤株细胞,其中对乳腺癌、卵巢癌、白血病、肺癌、肾癌等肿瘤细胞株的生长抑制明显[5-6]。
有关肺癌细胞株对雷帕霉素的敏感度、mTOR信号转导通路蛋白与肺癌细胞对雷帕霉素敏感度之间的关系研究甚少[7],雷帕霉素差异蛋白在人肺癌组织中的表达则未见报道。
研究雷帕霉素差异蛋白的表达与mTOR抑制剂-雷帕霉素对肺癌细胞敏感度关系,将为mTOR抑制剂的临床应用奠定基础。
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 试剂 RPMI-1640细胞培养液、胎牛血清购自美国Gibco公司。
雷帕霉素、MTT购自美国Sigma公司。
抗S6K1抗体、抗P-S6K1抗体(Thr389)、抗AKT抗体、抗eIF4E抗体、抗4E-BP1抗体、ECL化学发光试剂盒、鼠抗人P-S6K1单抗隆抗体(Thr389)购自美国Cell Signaling Technology公司。
抗TUBLIN抗体、PVDF膜购自美国Roche公司。
辣根过氧化酶标记羊抗兔IgG、辣根过氧化酶标记羊抗鼠IgG购自美国Santa Cruze Biotech-nology公司。
二步法免疫组织化学试剂、DAB显色液购自美国DAKO公司。
1.1.2 细胞 A549、H1299、PAa和HLAMP等4种人肺癌细胞株由广州医学院实验医学中心惠赠。
1.1.3 组织 肺癌组织100例,其中非小细胞肺癌79例(含腺癌38例、鳞癌41例),小细胞肺癌21例。
20例肺良性病变患者正常肺组织作为对照。
1.2 实验方法
1.2.1 Western blot检测mTOR信号通路相关蛋白的表达 将生长状态良好的HLAMP、H1299、A549和PAa细胞,按每5×107个细胞加入400μl蛋白样品裂解缓冲液裂解细胞。
收集细胞蛋白,蛋白质浓度经分光光度计定量。
细胞蛋白经β-巯基乙醇98℃、10 min变性。
取20μg蛋白经10.5%SDSPAGE电泳后,120 V3 h电转移至PVDF膜上,再以5%脱脂奶(溶于TBST中)封闭过夜。
分别用抗AKT一抗、抗eIF4E一抗、抗4E-BP1一抗、抗S6K1一抗、抗P-S6K1一抗和抗TUBLIN一抗4℃孵育过夜。
相应二抗室温孵育1 h,TBST洗膜10 min×3次。
配置新鲜发光液,将膜孵育3 min,暗室X线片曝光0.5~5 min,显影30 s,定影30 s成像。
1.2.2 MTT法测定雷帕霉素对肺癌细胞的抑制作用根据实验结果将肺癌细胞分为雷帕霉素敏感组和不敏感组。
1.2.3 筛选出差异蛋白并探讨其与肺癌细胞对雷帕霉素敏感度的关系 Western blot检测人肺癌细胞株mTOR信号通路相关蛋白(AKT、eIF4E、4E-BP1、S6K1、P-S6K1等)的表达,筛选出雷帕霉素差异蛋白。
用Western blot检测雷帕霉素差异蛋白在用药前后的变化并探讨其与肺癌细胞对雷帕霉素敏感度的关系。
1.2.4 收集临床肺癌患者的组织标本及完整的临床病历资料,免疫组织化学En Vision法检测肺癌组织和肺部良性疾病正常肺组织差异蛋白的表达,分析差异蛋白的表达与肺癌临床病理特征间的关系及其意义。
1.3 结果判定方法
所有切片均由两位病理科医生在双盲的情况下观察。
阳性评判标准:(1)根据细胞质阳性细胞数的多少计分:<5%的细胞质阳性记为1分;>5%~35%的细胞质阳性记为2分;>35%~70%的细胞质阳性记为3分;>70%的细胞质阳性记为4分。
(2)根据阳性染色的强度进行计分:未染色为1分为阴性;弱染色为2分;中度染色为3分;重度染色为4分。
统计分析时采用两种计分法的乘积,若乘积≥4分,便认为P-S6K1表达阳性,否则为阴性。
1.4 统计学方法
采用SPSS16.0软件,用卡方检验的方法对雷帕霉素对肺癌细胞增殖的抑制率和肺癌组织中p-S6K1表达的阳性率进行统计学分析。
2 结果
2.1 Western blot检测mTOR信号通路相关蛋白的表达
结果显示mTOR的上游蛋白AKT及下游蛋白4E-BP1、eIF4E、S6K1和内参蛋白TUB在所有细胞株中均有表达,S6K1的活性状态P-S6K1只在HLAMP、A549和PAa细胞株中表达,在H1299细胞株中未检测到,见图1。
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图1 4种肺癌细胞株mTOR信号通路相关蛋白的表达
Figure 1 The expression of proteins of mTOR signaling
pathway in 4 lung cancer cell lines
2.2 雷帕霉素对肺癌细胞增殖的抑制作用
不同浓度(0.1、1、10、100 nmol/L)的雷帕霉素处理人肺癌细胞株72 h后,抑制率相邻两组间比较差异有统计学意义(P<0.05)为敏感组(HLAMP、A549和PAa细胞株),且随浓度增加而相应增加,抑制率相邻两组间比较差异无统计学意义(P>0.05)为不敏感组(H1299)。
100 nmol/L时的抑制率达到最大(P<0.05),敏感组大于30%,不敏感组小于30%。
结果表明肺癌细胞株HLAMP、A549和PAa对雷帕霉素敏感,而肺癌细胞株H1299对雷帕霉素不敏感,见图2。
图2 不同浓度雷帕霉素对肺癌细胞增殖的作用
Figure 2 Effect of Rapamycin on lung cancer
cell proliferation
2.3 雷帕霉素差异蛋白
mTOR信号通路相关蛋白的AKT、S6K1、4E-BP1、eIF4E蛋白在所有人肺癌细胞株中均有表达,见图1,而P-S6K1在雷帕霉素敏感株(HLAMP、A549和PAa)中呈高表达,在雷帕霉素不敏感株(H1299)中未检测到,故把P-S6K1作为雷帕霉素差异蛋白。
2.4 P-S6K1在肺癌组织中表达结果
P-S6K1表达阳性细胞表现为棕黄色至深黄色颗粒,主要分布在肿瘤细胞胞核中,少部分标本中肿瘤细胞的胞核和胞质都可见阳性信号,见图3。
P-S6K1在正常肺组织的阳性表达率为15%(3/20例),在肺癌组织的阳性表达率为62%(62/100例),其中在小细胞肺癌的阳性表达率(81%,17/21例)高于非小细胞肺癌(59%,45/79例)。
P-S6K1在肺癌组织中的表达较正常肺组织的表达高,差异有统计学意义(χ2值=14.83,P<0.05)。
P-S6K1表达阳性率在非小细胞癌与小细胞癌之间的差异有统计学意义(P<0.05);其中在非小细胞癌中,P-S6K1阳性表达率在腺癌与鳞癌之间的差异无统计学意义(P>0.05),见表1。
表1 P-S6K1蛋白在肺癌组织的表达
Table 1 P-S6K1 expressed in human lung cancer tissuesDiseases Total Positive
Positive
rate(%)Lung cancer 100 62 62
SCLC 21 17 81
NSCLC 79 45 57
Lung adenocarcinoma 38 25 65.8
Lung squamous carcinoma 41 20 48.8
Normul lung tissue 20 3 1
5
3a:SCLC;3b:Lung adenocarcinoma
图3 P-S6K1在小细胞肺癌和腺病细胞中的阳性表达
(En Vision ×200)
Figure 3 The position expression of P-S6K1in SCLC andLung adenocarcinoma(En Vision ×200)
3 讨论
雷帕霉素是一种大环内酯类抗菌素,能特异性靶向抑制mTOR,阻止S6K1和4E-BP1磷酸化,具
有靶向抗肿瘤细胞作用,可阻止肿瘤细胞在G
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期,诱导细胞凋亡,抑制肿瘤血管形成,抑制肿瘤侵袭和转移。
雷帕霉素仅能抑制部分肿瘤细胞株,同一肿瘤不同的细胞株之间对雷帕霉素的敏感度也存在差异[1-6]。
Noh等[8]用15种乳腺癌细胞株细胞证实12株细胞对雷帕霉素敏感,研究者还发现雷帕霉素体外对肿瘤细胞株作用存在较大差异,本实验中发现了有对雷帕霉素敏感的肺癌细胞株(HLAMP、A549和PAa),也有对雷帕霉素耐药的肺癌细胞株(H1299)。
Hiroaki等[9]在人大肠癌实验研究中发现雷帕霉素抑制大肠癌细胞增殖的同时下调雷帕霉素敏感株P-S6K1的表达,发现40%的大肠腺瘤和腺癌有
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P-S6K1的表达,表明了40%的大肠腺瘤和腺癌可能会对雷帕霉素治疗敏感。
Noh等[8]发现肿瘤细胞S6K1过度表达和AKT磷酸化表达与乳腺癌细胞株对雷帕霉素敏感度有关。
本实验通过使用Western blot法检测mTOR相关上下游蛋白的表达情况,发现位于mTOR上游的AKT蛋白及下游的S6K1、4E-BP1、eIF4E蛋白在所有的肺癌细胞株中均有不同程度的表达,但S6K1的磷酸化形式P-S6K1仅在对雷帕霉素敏感的HLAMP、A549、PAa细胞高表达,而在H1299细胞中缺失。
表明肺癌细胞株HLAMP、A549、PAa细胞中mTOR信号通路处于活化状态,而肺癌细胞株H1299细胞的mTOR并非处于活化状态,所以细胞的增殖不受mTOR的影响。
换而言之,代表mTOR信号通路处于活化状态的P-S6K1与肺癌细胞株对雷帕霉素敏感度存在相关性。
为了进一步探讨P-S6K1与雷帕霉素敏感度的关系,本实验还测定了经雷帕霉素处理后敏感株的P-S6K1表达情况。
结果显示,经雷帕霉素处理后,敏感株HLAMP、A549细胞中P-S6K1蛋白表达较用药前明显降低。
表明雷帕霉素能同时下调P-S6K1的蛋白表达,提示P-S6K1在一定程度上可以代表雷帕霉素敏感度。
与Hiroaki等[9]研究结果相仪,表明P-S6K1可以作为mTOR抑制剂———雷帕霉素抑制肿瘤生长的标志物。
同时说明了在肿瘤细胞中,雷帕霉素阻断mTOR是通过抑制S6K1效应而抑制细胞增殖,或许在部分肿瘤中,mTOR信号通路是活化的,但并非细胞周期中所必须的,即或许存在对雷帕霉素不敏感的其他通路。
本部分实验研究结果分析显示肺癌组患者P-S6K1的表达阳性率为62%,肺良性病变患者P-S6K1表达均为阴性,两组间比较差异有统计学意义(P<0.05)。
一般认为,mTOR在正常组织细胞中呈低度表达,而在大多恶性肿瘤中呈异常高表达,异常高表达的mTOR在肿瘤的发生、发展中起重要作用,且与肿瘤的临床病理特征具有一定的相关性[3]。
S6K1作为mTOR重要的下游物质,P-S6K1是其活化形式,P-S6K1的存在表明mTOR信号通路处于异常活化状态。
因此,P-S6K1在肺癌患者中的高表达可以代表mTOR的活性,通过P-S6K1的检测,在肺癌与肺良性病变的鉴别中具有较高的特异性。
我们的研究还发现P-S6K1在肺癌中高表达,在正常肺组织中低表达。
P-S6K1在小细胞肺癌的表达较非小细胞肺癌高,这可能与小细胞肺癌分化程度极低有一定的关系,具体机制尚不清。
P-S6K1在小细胞肺癌的高表达提示在临床治疗中,小细胞肺癌患者使用mTOR抑制剂治疗可能获得更佳疗效。
目前雷帕霉素没有在临床上用于肺癌的治疗,但一系列的研究结果提示,随着对mTOR通路研究不断深入,雷帕霉素及同类药物有可能成为肺癌靶向治疗的新策略。
综上所述,雷帕霉素能抑制肺癌细胞的增殖,同时下调P-S6K1的表达。
P-S6K1在一定程度上代表肿瘤细胞对雷帕霉素敏感度。
检测P-S6K1不仅在肺癌与肺良性疾病的鉴别中有重要的意义,还可能有助于选择患者接受mTOR抑制剂治疗。
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[编辑:安 凤;校对:刘红武]
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