引用本文: 李斌, 李政, 尹泚, 蔺军平, 杨建宝, 朱多杰, 冯海明, 敬涛. 敲减 DDX46 后食管鳞癌细胞差异表达基因筛选及相互作用的生物信息学分析. 中国胸心血管外科临床杂志, 2020, 27(1): 61-67. doi: 10.7507/1007-4848.201907051 复制
全球近 60% 的食管癌新发病例在中国,居我国恶性肿瘤死亡率第 4 位[1]。食管鳞癌占我国食管癌组织学类型的 90% 以上,部分患者确诊时已是局部晚期或转移性疾病,失去了根治手术的机会,远期疗效不容乐观[1-2]。目前基因组事件导致食管鳞癌的发生机制仍不清楚,靶向治疗的相关研究尚处于萌芽阶段[3-4]。在前期研究[5]中,我们发现与正常食管组织相比,食管鳞癌组织中 DDX46 的表达明显升高,敲减 DDX46 基因可显著抑制食管鳞癌细胞增殖。然而,DDX46 参与食管鳞癌恶性生物学行为的调控机制有待进一步阐述。本研究通过基因芯片技术检测 DDX46 敲减前后食管鳞癌 TE-1 细胞基因表达谱,利用生物信息学方法分析差异表达基因,为进一步研究 DDX46 参与食管鳞癌发生发展的分子机制,以及临床治疗寻找潜在的治疗靶点提供参考。
1 材料与方法
1.1 主要试剂和材料
研究中所用试剂包括胎牛血清、1640 培养基(Lonza),SYBR Premix Ex Taq 试剂盒、PCR 扩增试剂盒(TaKaRa),DDX46 抗体、GAPDH 抗体(Sigma),RNA 提取试剂 Trizol、ds-cDNA 合成试剂盒(Invitrogen),LipofectAMINETM 2000 试剂(Santa Cruz),GeneChip® 3’ IVT Plus 试剂盒、GeneChip® Hybridization Wash and Stain 试剂盒(Affymetrix)。PCR 引物由广州锐博生物科技有限公司设计制备。基因芯片为美国 Affymetrix 公司 Human U133 plus 2.0 全基因组表达谱芯片。
1.2 细胞培养及转染
人食管鳞癌 TE-1 细胞株购于上海生命科学研究院细胞资源中心,置于 RPMI-1640 培养液、5%CO2、37℃ 培养箱内培养。DDX46 基因 shRNA 靶点序列:5’ -AGAAATCACCAGGCTCATA-3’ ,阴性对照序列参考文献[6]报道。DDX46 基因慢病毒制备和包装由吉凯基因公司完成。参考本实验常用病毒转染方法进行病毒转染[7]。转染 12 h 后更换为常规培养液继续培养,观察实验组与对照组细胞状态良好且相当;转染 72 h 后采用荧光显微镜观察绿色荧光蛋白的表达情况,荧光率即为细胞转染率,转染率达到 70% 以上者可继续下游实验。
1.3 样品细胞总 RNA 抽提和探针制备
总 RNA 提取采用 Trizol 试剂,具体方法与步骤按 Invitrogen 公司说明书操作。所得总 RNA 的纯度与完整性使用 Thermo NanoDrop 2000 紫外分光光度计和 Aglient 2100 生物分析仪检测。质量控制标准:1.7<A260/280<2.2,RNA 的完整数(RIN)≥7.0,并且 28S/18S>0.7。质量检验合格后纯化总 RNA。以 RNA 为模板,首先合成单链 cDNA,然后合成双链 DNA 并纯化,最后以双链 DNA 为模板,通过体外反转录获得带生物素标签的 aRNA,纯化并片段化后与芯片杂交。
1.4 芯片杂交洗染和扫描
依据 Affymetrix 表达谱芯片配套提供的杂交流程和清洗染色试剂盒说明书进行杂交和芯片洗脱染色。采用GeneChip® Scanner 3000 进行扫描,AGCC 操作系统生成芯片扫描图像和原始数据。
1.5 芯片数据可靠性验证
随机选取 6 个差异表达基因行实时定量聚合酶链式反应(qRT-PCR)检测,验证芯片数据的可靠性。用 Trizol 试剂充分裂解样品细胞后提取总 RNA,按照 Promega 公司 M-MLV 操作说明书完成逆转录,然后进行 PCR 扩增反应。GAPDH 基因作为内参,2–ΔΔCt法计算目的基因 mRNA 的相对表达量(ΔCt=目的基因 Ct 值-内参基因 Ct 值;ΔΔCt=实验组ΔCt 值-对照组ΔCt 平均值)。
1.6 统计学分析
芯片数据分析根据 Affymetrix 公司提供的标准流程应用 GCOSvL.4 软件完成。差异表达基因的筛选符合以下条件:表达差异倍数的绝对值≥2,且 P<0.05。采用 Ingenuity Pathway Analysis(IPA,www.ingenuity.com)[8]在线软件进行生物信息学分析,根据差异基因在已知信号通路中的富集情况进行共表达网络构建。计量资料用均数±标准差(±s)表示,应用 IBM SPSS Statistics 19.0 统计软件进行配对样本 t 检验,率的比较采用 χ2 检验,P<0.05 为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 RNA 质量检查结果
Thermo NanoDrop 2000 检测 A260/280 分布于 1.93~2;Agilent 2100 检测 RIN 分布于 9~9.5,并且 28S/18S 分布于 1.6~1.9。各检测指标均符合芯片检测质量要求,可以进行下游实验;见表 1。

2.2 芯片数据质量控制
探针表达信号值分布曲线图展示了所有芯片探针表达值的分布情况,芯片在不同表达值区间探针个数的统计量用不同颜色的曲线表示。结果显示信号值分布曲线重合度高,说明本次芯片实验可靠性高,可以进行后续数据分析;见图 1。

2.3 芯片数据分析结果
对两组样本差异表达基因数进行统计,DDX46 基因在芯片中的表达显著下调,差异倍数(fold change,FC)值=–4.092,LogFC=–2.033,P<0.001。依据 FC 绝对值≥2,并且 P<0.05,筛选出差异基因 1 006 个,其中表达下调基因 644 个、表达上调基因 362 个。绿色代表基因的信号值相对下调,黑色代表信号值适中,灰色代表信号值未检出,红色代表信号值相对上调;所有差异基因的信号值对所有基因进行层次聚类获得左侧树状结构,所有样本的信号值对所有样本进行层次聚类获得上部树状结构;见图 2。

每一纵列代表一个样本,每一横列代表一个基因,颜色由绿色到红色代表表达丰度由低到高
2.4 生物信息学分析结果
2.4.1 差异基因的注释和功能分析
通过 IPA 在线软件进行生物信息学分析,结果显示,差异基因主要涉及细胞周期、增殖、凋亡、黏附、能量代谢及免疫应答等生物学过程,与肿瘤细胞株死亡相关基因 33 个(APP、BBC3、BIK、CD44、CFH、DDIT3、DDX58、DPYD、EGF、EIF2S1、ERBB3、FGF2、IGF2、IGFBP3、IGFBP6、IL6ST、KL、LCN2、MAPK8、MDM4、NQO1、NRG1、OGG1、OSGIN1、PTGS2、RASD1、RHOB、RRM2、SCD、SLC7A11、TGM2、TXNRD1、WT1);见图 3。

2.4.2 差异基因共表达网络的构建
对筛选出的差异基因进行共表达网络构建,发现 Integrin、PI3K/Akt、NF-κB、mTOR、RhoGDI 信号通路在网络中有共表达趋势,PI3K 为重要节点分子;见图 4。

2.5 差异表达基因 qRT-PCR 验证结果
对 CD44、DDIT3、ERBB3、FGF2、IL6ST 和 OGG1 基因进行 qRT-PCR 检测,验证芯片结果的可靠性。PCR 引物序列见表 2。经 qRT-PCR 检测的上述 6 个基因的表达变化趋势与芯片检测结果完全符合;见图 5。


**
3 讨论
研究[9]发现 mRNA 可能是全新的抗肿瘤药物靶点。mRNA 在细胞核中转录形成,编辑后被转运到细胞质中的蛋白质加工厂核糖体。RNA 解旋酶参与了 mRNA 生物学进程的所有环节[10-11]。DDX46 是 DEAD-box 蛋白家族 RNA 解旋酶成员,在 mRNA 前体剪接和核糖体组装中发挥核心作用[12-13]。人 DDX46 基因位于 5q31.1 染色体,含 26 个外显子,编码的 DDX46 蛋白分子量为 131 kDa[14]。我们前期研究[5]发现 DDX46 蛋白主要定位于细胞核,食管鳞癌组织中 DDX46 蛋白的表达明显高于相对应正常食管组织,敲减 DDX46 能显著抑制食管鳞癌细胞增殖,并诱导细胞凋亡,提示 DDX46 表达上调可能参与食管鳞癌细胞的恶性生物学行为,然而其作用机制仍不清楚。
为阐明其可能的作用机制,我们应用全基因组芯片技术检测 DDX46 基因敲减前后食管鳞癌 TE-1 细胞基因表达谱,生物信息学方法分析差异表达基因,IPA 在线工具进行信号通路富集分析,构建共表达网络,发现差异表达基因分别属于多个蛋白功能家族,Integrin、PI3K/Akt、NF-κB、mTOR、RhoGDI 信号通路在网络中有共表达趋势,PI3K 为重要节点分子。
IPA 经典通路分析显示,敲减 DDX46 基因明显抑制 Integrin 信号通路活性。Integrin 是细胞表面的主要黏附分子,提供了细胞外基质间与细胞骨架的生理连接。Integrin 通过其下游效应分子整合素连接激酶(ILK)发挥一系列细胞生物学功能,包括胚胎发育、细胞应激和凋亡等[15-16],也参与了肿瘤的发生发展[17]、浸润转移[18]。已有研究[19]表明,ILK 激活 Integrin 信号通路依赖 PI3K 的活性。PI3K 可被细胞外信号激活,其活性与多种肿瘤的发生相关[20]。PI3K 被激活,PI3K/Akt 信号通路也因此而激活。Akt 作为 PI3K 下游的关键效应分子,可以磷酸化上百种不同底物,是细胞增殖、凋亡和自噬等信号通路的汇合点,在肿瘤发生中起重要作用[21]。NF-κB 是 PI3K/Akt 信号通路下游的重要效应分子,通常与抑制性蛋白 IκBα 等结合,以无活性的复合物存在于胞浆内,通过磷酸化引起 IκBα 自身降解,NF-κB 从无活性的复合物脱落释放并进入细胞核,激活其下游靶基因[22-23]。mTOR 作为一种 PI3K 相关激酶,是 PI3K/Akt 信号通路下游的另一个重要效应蛋白,参与调控多种细胞生物学功能,包括转录、翻译、细胞增殖、凋亡和自噬等[24]。已经证实 mTOR 信号通路在许多肿瘤中被持续激活,导致细胞异常增殖和凋亡失调[25-26]。我们的研究提示 RNAi 敲减 DDX46 基因可能是通过抑制 PI3K 的活化,进而抑制 ILK 的表达,与 PI3K/Akt 信号通路发生“cross talk”,参与下调 Integrin 信号通路,进而发挥抑制肿瘤细胞增殖的作用。
另外 IPA 经典通路分析还显示,敲减 DDX46 基因可明显激活 RhoGDI 信号通路。研究[27]发现 RhoGDI2 基因高表达能够抑制膀胱癌浸润和转移,提示 RhoGDI2 是膀胱癌的转移抑制基因。有学者[28]报道,PI3K 抑制剂 LY294002 和 mTOR 抑制剂 Rapamycin 联用可显著增加 RhoGDI2 蛋白的表达,从而抑制肺癌细胞的侵袭转移;进一步研究发现,RhoGDI2 蛋白表达与 Akt 的活化密切相关,抑制 Akt 可显著增加 RhoGDI2 表达,提示 RhoGDI 信号通路可能通过与 Akt 的相互作用参与调节肺癌的侵袭转移。我们的研究提示,敲减 DDX46 基因通过抑制 PI3K 活性,下调 PI3K/Akt 信号通路,使 RhoGDI 信号通路活化,从而参与抑制食管鳞癌的迁移和侵袭。
综上所述,DDX46 是 PI3K/Akt 信号通路中的一个关键调节分子,利用生物信息学方法有效挖掘了 DDX46 敲减后食管鳞癌基因芯片数据,为下一步实验研究提供了有价值的线索。
利益冲突:无。
全球近 60% 的食管癌新发病例在中国,居我国恶性肿瘤死亡率第 4 位[1]。食管鳞癌占我国食管癌组织学类型的 90% 以上,部分患者确诊时已是局部晚期或转移性疾病,失去了根治手术的机会,远期疗效不容乐观[1-2]。目前基因组事件导致食管鳞癌的发生机制仍不清楚,靶向治疗的相关研究尚处于萌芽阶段[3-4]。在前期研究[5]中,我们发现与正常食管组织相比,食管鳞癌组织中 DDX46 的表达明显升高,敲减 DDX46 基因可显著抑制食管鳞癌细胞增殖。然而,DDX46 参与食管鳞癌恶性生物学行为的调控机制有待进一步阐述。本研究通过基因芯片技术检测 DDX46 敲减前后食管鳞癌 TE-1 细胞基因表达谱,利用生物信息学方法分析差异表达基因,为进一步研究 DDX46 参与食管鳞癌发生发展的分子机制,以及临床治疗寻找潜在的治疗靶点提供参考。
1 材料与方法
1.1 主要试剂和材料
研究中所用试剂包括胎牛血清、1640 培养基(Lonza),SYBR Premix Ex Taq 试剂盒、PCR 扩增试剂盒(TaKaRa),DDX46 抗体、GAPDH 抗体(Sigma),RNA 提取试剂 Trizol、ds-cDNA 合成试剂盒(Invitrogen),LipofectAMINETM 2000 试剂(Santa Cruz),GeneChip® 3’ IVT Plus 试剂盒、GeneChip® Hybridization Wash and Stain 试剂盒(Affymetrix)。PCR 引物由广州锐博生物科技有限公司设计制备。基因芯片为美国 Affymetrix 公司 Human U133 plus 2.0 全基因组表达谱芯片。
1.2 细胞培养及转染
人食管鳞癌 TE-1 细胞株购于上海生命科学研究院细胞资源中心,置于 RPMI-1640 培养液、5%CO2、37℃ 培养箱内培养。DDX46 基因 shRNA 靶点序列:5’ -AGAAATCACCAGGCTCATA-3’ ,阴性对照序列参考文献[6]报道。DDX46 基因慢病毒制备和包装由吉凯基因公司完成。参考本实验常用病毒转染方法进行病毒转染[7]。转染 12 h 后更换为常规培养液继续培养,观察实验组与对照组细胞状态良好且相当;转染 72 h 后采用荧光显微镜观察绿色荧光蛋白的表达情况,荧光率即为细胞转染率,转染率达到 70% 以上者可继续下游实验。
1.3 样品细胞总 RNA 抽提和探针制备
总 RNA 提取采用 Trizol 试剂,具体方法与步骤按 Invitrogen 公司说明书操作。所得总 RNA 的纯度与完整性使用 Thermo NanoDrop 2000 紫外分光光度计和 Aglient 2100 生物分析仪检测。质量控制标准:1.7<A260/280<2.2,RNA 的完整数(RIN)≥7.0,并且 28S/18S>0.7。质量检验合格后纯化总 RNA。以 RNA 为模板,首先合成单链 cDNA,然后合成双链 DNA 并纯化,最后以双链 DNA 为模板,通过体外反转录获得带生物素标签的 aRNA,纯化并片段化后与芯片杂交。
1.4 芯片杂交洗染和扫描
依据 Affymetrix 表达谱芯片配套提供的杂交流程和清洗染色试剂盒说明书进行杂交和芯片洗脱染色。采用GeneChip® Scanner 3000 进行扫描,AGCC 操作系统生成芯片扫描图像和原始数据。
1.5 芯片数据可靠性验证
随机选取 6 个差异表达基因行实时定量聚合酶链式反应(qRT-PCR)检测,验证芯片数据的可靠性。用 Trizol 试剂充分裂解样品细胞后提取总 RNA,按照 Promega 公司 M-MLV 操作说明书完成逆转录,然后进行 PCR 扩增反应。GAPDH 基因作为内参,2–ΔΔCt法计算目的基因 mRNA 的相对表达量(ΔCt=目的基因 Ct 值-内参基因 Ct 值;ΔΔCt=实验组ΔCt 值-对照组ΔCt 平均值)。
1.6 统计学分析
芯片数据分析根据 Affymetrix 公司提供的标准流程应用 GCOSvL.4 软件完成。差异表达基因的筛选符合以下条件:表达差异倍数的绝对值≥2,且 P<0.05。采用 Ingenuity Pathway Analysis(IPA,www.ingenuity.com)[8]在线软件进行生物信息学分析,根据差异基因在已知信号通路中的富集情况进行共表达网络构建。计量资料用均数±标准差(±s)表示,应用 IBM SPSS Statistics 19.0 统计软件进行配对样本 t 检验,率的比较采用 χ2 检验,P<0.05 为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 RNA 质量检查结果
Thermo NanoDrop 2000 检测 A260/280 分布于 1.93~2;Agilent 2100 检测 RIN 分布于 9~9.5,并且 28S/18S 分布于 1.6~1.9。各检测指标均符合芯片检测质量要求,可以进行下游实验;见表 1。

2.2 芯片数据质量控制
探针表达信号值分布曲线图展示了所有芯片探针表达值的分布情况,芯片在不同表达值区间探针个数的统计量用不同颜色的曲线表示。结果显示信号值分布曲线重合度高,说明本次芯片实验可靠性高,可以进行后续数据分析;见图 1。

2.3 芯片数据分析结果
对两组样本差异表达基因数进行统计,DDX46 基因在芯片中的表达显著下调,差异倍数(fold change,FC)值=–4.092,LogFC=–2.033,P<0.001。依据 FC 绝对值≥2,并且 P<0.05,筛选出差异基因 1 006 个,其中表达下调基因 644 个、表达上调基因 362 个。绿色代表基因的信号值相对下调,黑色代表信号值适中,灰色代表信号值未检出,红色代表信号值相对上调;所有差异基因的信号值对所有基因进行层次聚类获得左侧树状结构,所有样本的信号值对所有样本进行层次聚类获得上部树状结构;见图 2。

每一纵列代表一个样本,每一横列代表一个基因,颜色由绿色到红色代表表达丰度由低到高
2.4 生物信息学分析结果
2.4.1 差异基因的注释和功能分析
通过 IPA 在线软件进行生物信息学分析,结果显示,差异基因主要涉及细胞周期、增殖、凋亡、黏附、能量代谢及免疫应答等生物学过程,与肿瘤细胞株死亡相关基因 33 个(APP、BBC3、BIK、CD44、CFH、DDIT3、DDX58、DPYD、EGF、EIF2S1、ERBB3、FGF2、IGF2、IGFBP3、IGFBP6、IL6ST、KL、LCN2、MAPK8、MDM4、NQO1、NRG1、OGG1、OSGIN1、PTGS2、RASD1、RHOB、RRM2、SCD、SLC7A11、TGM2、TXNRD1、WT1);见图 3。

2.4.2 差异基因共表达网络的构建
对筛选出的差异基因进行共表达网络构建,发现 Integrin、PI3K/Akt、NF-κB、mTOR、RhoGDI 信号通路在网络中有共表达趋势,PI3K 为重要节点分子;见图 4。

2.5 差异表达基因 qRT-PCR 验证结果
对 CD44、DDIT3、ERBB3、FGF2、IL6ST 和 OGG1 基因进行 qRT-PCR 检测,验证芯片结果的可靠性。PCR 引物序列见表 2。经 qRT-PCR 检测的上述 6 个基因的表达变化趋势与芯片检测结果完全符合;见图 5。


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3 讨论
研究[9]发现 mRNA 可能是全新的抗肿瘤药物靶点。mRNA 在细胞核中转录形成,编辑后被转运到细胞质中的蛋白质加工厂核糖体。RNA 解旋酶参与了 mRNA 生物学进程的所有环节[10-11]。DDX46 是 DEAD-box 蛋白家族 RNA 解旋酶成员,在 mRNA 前体剪接和核糖体组装中发挥核心作用[12-13]。人 DDX46 基因位于 5q31.1 染色体,含 26 个外显子,编码的 DDX46 蛋白分子量为 131 kDa[14]。我们前期研究[5]发现 DDX46 蛋白主要定位于细胞核,食管鳞癌组织中 DDX46 蛋白的表达明显高于相对应正常食管组织,敲减 DDX46 能显著抑制食管鳞癌细胞增殖,并诱导细胞凋亡,提示 DDX46 表达上调可能参与食管鳞癌细胞的恶性生物学行为,然而其作用机制仍不清楚。
为阐明其可能的作用机制,我们应用全基因组芯片技术检测 DDX46 基因敲减前后食管鳞癌 TE-1 细胞基因表达谱,生物信息学方法分析差异表达基因,IPA 在线工具进行信号通路富集分析,构建共表达网络,发现差异表达基因分别属于多个蛋白功能家族,Integrin、PI3K/Akt、NF-κB、mTOR、RhoGDI 信号通路在网络中有共表达趋势,PI3K 为重要节点分子。
IPA 经典通路分析显示,敲减 DDX46 基因明显抑制 Integrin 信号通路活性。Integrin 是细胞表面的主要黏附分子,提供了细胞外基质间与细胞骨架的生理连接。Integrin 通过其下游效应分子整合素连接激酶(ILK)发挥一系列细胞生物学功能,包括胚胎发育、细胞应激和凋亡等[15-16],也参与了肿瘤的发生发展[17]、浸润转移[18]。已有研究[19]表明,ILK 激活 Integrin 信号通路依赖 PI3K 的活性。PI3K 可被细胞外信号激活,其活性与多种肿瘤的发生相关[20]。PI3K 被激活,PI3K/Akt 信号通路也因此而激活。Akt 作为 PI3K 下游的关键效应分子,可以磷酸化上百种不同底物,是细胞增殖、凋亡和自噬等信号通路的汇合点,在肿瘤发生中起重要作用[21]。NF-κB 是 PI3K/Akt 信号通路下游的重要效应分子,通常与抑制性蛋白 IκBα 等结合,以无活性的复合物存在于胞浆内,通过磷酸化引起 IκBα 自身降解,NF-κB 从无活性的复合物脱落释放并进入细胞核,激活其下游靶基因[22-23]。mTOR 作为一种 PI3K 相关激酶,是 PI3K/Akt 信号通路下游的另一个重要效应蛋白,参与调控多种细胞生物学功能,包括转录、翻译、细胞增殖、凋亡和自噬等[24]。已经证实 mTOR 信号通路在许多肿瘤中被持续激活,导致细胞异常增殖和凋亡失调[25-26]。我们的研究提示 RNAi 敲减 DDX46 基因可能是通过抑制 PI3K 的活化,进而抑制 ILK 的表达,与 PI3K/Akt 信号通路发生“cross talk”,参与下调 Integrin 信号通路,进而发挥抑制肿瘤细胞增殖的作用。
另外 IPA 经典通路分析还显示,敲减 DDX46 基因可明显激活 RhoGDI 信号通路。研究[27]发现 RhoGDI2 基因高表达能够抑制膀胱癌浸润和转移,提示 RhoGDI2 是膀胱癌的转移抑制基因。有学者[28]报道,PI3K 抑制剂 LY294002 和 mTOR 抑制剂 Rapamycin 联用可显著增加 RhoGDI2 蛋白的表达,从而抑制肺癌细胞的侵袭转移;进一步研究发现,RhoGDI2 蛋白表达与 Akt 的活化密切相关,抑制 Akt 可显著增加 RhoGDI2 表达,提示 RhoGDI 信号通路可能通过与 Akt 的相互作用参与调节肺癌的侵袭转移。我们的研究提示,敲减 DDX46 基因通过抑制 PI3K 活性,下调 PI3K/Akt 信号通路,使 RhoGDI 信号通路活化,从而参与抑制食管鳞癌的迁移和侵袭。
综上所述,DDX46 是 PI3K/Akt 信号通路中的一个关键调节分子,利用生物信息学方法有效挖掘了 DDX46 敲减后食管鳞癌基因芯片数据,为下一步实验研究提供了有价值的线索。
利益冲突:无。