胃癌(GC)是癌癥相關(guān)死亡的第三大常見原因。盡管GC的治療已得到極大改善,但由于無法在早期診斷該癌癥,生存率仍然很低。約1/3的GC患者被診斷為晚期轉(zhuǎn)移,4-14%的患者有肝臟轉(zhuǎn)移性疾病。由于GC轉(zhuǎn)移通常以多發(fā)性和彌漫性分布為特征,絕大多數(shù)患者此時(shí)已失去手術(shù)治療的機(jī)會(huì)。因此,迫切需要解開腫瘤轉(zhuǎn)移的分子機(jī)制。越來越多的證據(jù)表明,SNAI2通過轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)下游靶基因在驅(qū)動(dòng)腫瘤轉(zhuǎn)移中起關(guān)鍵作用,揭示SNAI家族的靶基因?qū)τ诟玫亓私饽[瘤轉(zhuǎn)移至關(guān)重要。ELF3-AS1是一種細(xì)胞周期相關(guān)的lncRNA,據(jù)報(bào)道lncRNA ELF3-AS1在肺癌中作為癌基因起作用。然而,ELF3-AS1在GC中的生物學(xué)功能尚不清楚。該研究發(fā)表于《Journal of Experimental & Clinical Cancer Research》,IF: 12.658。
技術(shù)路線:
主要研究結(jié)果:
1. GC中轉(zhuǎn)錄阻遏因子SNAI2調(diào)控lncRNA的探索
為了探索SNAI2的靶基因,RNA測(cè)序研究(GSE161551)在過表達(dá)SNAI2的GC細(xì)胞系(SGC7901)中進(jìn)行。共有318個(gè)編碼基因,其中70個(gè)lncRNA被SNAI2強(qiáng)烈抑制,55個(gè)編碼基因和53個(gè)lncRNA被SNAI2大幅上調(diào)。如圖1A所示,IGFBP1/3、ITGB4、CLDN1/4、TJP3、EFNA1、KRT80、ELF3等的表達(dá)受到SNAI2的強(qiáng)烈抑制,而CYR61、CTGF、IL11、ID2/3、RBM3、THBS1等的表達(dá)受到SNAI2的強(qiáng)烈上調(diào)。類似地,大約123個(gè)lncRNA,包括linc01315,MIR210HG,FZD10-DT,linc00963,HOXB-AS3,LUCAT1,ITPR1-DT,PDCD4-AS1,ZNF197-AS1等,在過表達(dá)SNAI2后極大地改變了它們的表達(dá)。有趣的是,反義lncRNA ELF3-AS1及其鄰近基因ELF3都被SNAI2強(qiáng)烈抑制(圖1B)。
為了進(jìn)一步確認(rèn)ELF3-AS1和ELF3是否可能受到SNAI2的負(fù)調(diào)節(jié),在兩個(gè)GC細(xì)胞系中進(jìn)行了關(guān)于SNAI2的功能喪失和功能獲得研究。正如預(yù)期的那樣,ELF3-AS1和ELF3在SNAI2過表達(dá)細(xì)胞系中顯著下調(diào),但在SNAI2去除細(xì)胞系中顯著上調(diào)(圖1C-E)。這些結(jié)果表明,在GC中,SNAI2對(duì)ELF3-AS1和ELF3均呈負(fù)調(diào)控。
ELF3-AS1是上皮腫瘤抑制基因ELF3的反義lncRNA。啟動(dòng)子分析顯示,ELF3-AS1啟動(dòng)子含有一個(gè)序列“GGTACAGGTGGGT”,預(yù)測(cè)被SNAI2和SNAI1識(shí)別。該序列位于ELF3-AS1轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)上游829 bp,這也是ELF3基因外顯子2和內(nèi)含子2之間的連接點(diǎn)(圖1F)。因此,作者推測(cè)ELF3-AS1和ELF3可能受到SNAI2和SNAI1的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。
圖1 通過RNA-seq鑒定GC中SNAI2調(diào)控的lncRNA
2. ELF3-AS1和ELF3被SNAI2和SNAI1轉(zhuǎn)錄抑制
LncRNA ELF3-AS1在人體細(xì)胞中含量豐富,在RNA測(cè)序時(shí)可被磁珠有效捕獲。為了使作者的結(jié)果更具說服力,作者使用RNA-seq研究來可視化ELF3-AS1和ELF3的表達(dá)。正如預(yù)期的那樣,RNA-seq分析和qRT-PCR測(cè)定共同表明ELF3-AS1和ELF3被SNAI2 / SNAI1過表達(dá)下調(diào)(圖2A-F)。此外,SNAI2對(duì)ELF3和ELF3-AS1表達(dá)的抑制強(qiáng)度遠(yuǎn)大于SNAI1(圖2B,E)。
此外,為了確定SNAI2/SNAI1是否在轉(zhuǎn)錄水平上抑制ELF3 / ELF3-AS1,在SNAI1和SNAI2過表達(dá)細(xì)胞系中進(jìn)行雙熒光素酶和CHIP測(cè)定。如圖2G所示,當(dāng)SNAI1/2結(jié)合序列發(fā)生突變時(shí),SNAI1/2過表達(dá)對(duì)熒光素酶表達(dá)的強(qiáng)烈抑制部分恢復(fù),提示該序列是SNAI1/SNAI2抑制ELF3/ELF3-AS1表達(dá)所必需的。另一方面,CHIP測(cè)定表明SNAI1和SNAI2可以直接與ELF3-AS1啟動(dòng)子結(jié)合(圖2H-J)。綜上所述,SNAI2和SNAI1都參與了GC中ELF3和ELF3-AS1的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。
圖2 ELF3-AS1和ELF3在GC中被SNAI2和SNAI1轉(zhuǎn)錄抑制
3. ELF3-AS1和ELF3表達(dá)降低預(yù)示GC預(yù)后不良
由于ELF3和ELF3-AS1被EMT相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子SNAI1/2抑制,作者進(jìn)一步進(jìn)行了ELF3/ELF3-AS1與EMT生物標(biāo)志物的基因表達(dá)相關(guān)性分析。正如預(yù)期的那樣,ELF3和ELF3-AS1都與上皮生物標(biāo)志物高度共表達(dá)(圖3A)。
此外,對(duì)30對(duì)GC組織中ELF3-AS1表達(dá)的分析表明,與相應(yīng)的正常樣品相比,ELF3-AS1在超過80%的GC樣品中下調(diào)(圖3B)。另一方面,作者分析了癌癥基因組圖譜(TCGA,n = 375)數(shù)據(jù)庫中GC樣本中ELF3-AS1下調(diào)的臨床意義。LncRNA ELF3-AS1在彌漫性和低分化的GC組織中表達(dá)低(圖3C和D)??偵嫫诜治霰砻?,ELF3-AS1表達(dá)水平較低的GC患者總生存時(shí)間較短(圖3E,p=0.029)。
作者之前的研究暗示ELF3在GC中起腫瘤抑制作用。在此,作者進(jìn)一步確認(rèn)了ELF3在GC中的表達(dá)顯著下調(diào)(圖3F,G)。此外,與腸道GC相比,在彌漫性GC中觀察到ELF3的表達(dá)較低(圖3H)。3ELF3的低表達(dá)與GC的惡性進(jìn)展呈正相關(guān)(圖3I,J)。ELF3表達(dá)較低的GC患者總生存時(shí)間和無病生存時(shí)間較差GSE62254GC隊(duì)列(圖3K)。臨床分析與作者的發(fā)現(xiàn)非常吻合,即ELF3-AS1和ELF3在GC中被SNAI2和SNAI1轉(zhuǎn)錄抑制。
圖3 ELF3-AS1和ELF3表達(dá)降低與GC預(yù)后不良相關(guān)
4. 上皮轉(zhuǎn)錄因子ELF3在GC中發(fā)揮腫瘤抑制作用
反義lncRNA通常與其相鄰的蛋白質(zhì)編碼基因高度共表達(dá)。同樣,作者還觀察到ELF3-AS1和ELF3在正常胃組織,GC細(xì)胞系和泛組織中存在高共表達(dá)(圖4A-E)。有趣的是,當(dāng)ELF3-AS1在GC細(xì)胞系中被有效敲低時(shí),ELF3 mRNA及其蛋白質(zhì)顯著降低至約60-70%(圖4F-I)。然而,目前尚不清楚ELF3-AS1如何影響GC中的ELF3表達(dá)。
此外,對(duì)30對(duì)GC組織中ELF3-AS1表達(dá)的分析表明,與相應(yīng)的正常樣品相比,ELF3-AS1在超過80%的GC樣品中下調(diào)(圖3B)。另一方面,作者分析了癌癥基因組圖譜(TCGA,n = 375)數(shù)據(jù)庫中GC樣本中ELF3-AS1下調(diào)的臨床意義。LncRNA ELF3-AS1在彌漫性和低分化的GC組織中表達(dá)低(圖3C和D)??偵嫫诜治霰砻?,ELF3-AS1表達(dá)水平較低的GC患者總生存時(shí)間較短(圖3E,p=0.029)。
作者之前的研究暗示ELF3在GC中起腫瘤抑制作用。在此,作者進(jìn)一步確認(rèn)了ELF3在GC中的表達(dá)顯著下調(diào)(圖3F,G)。此外,與腸道GC相比,在彌漫性GC中觀察到ELF3的表達(dá)較低(圖3H)。ELF3的低表達(dá)與GC的惡性進(jìn)展呈正相關(guān)(圖3I,J)。ELF3表達(dá)較低的GC患者總生存時(shí)間和無病生存時(shí)間較差GSE62254GC隊(duì)列(圖3K)。臨床分析與作者的發(fā)現(xiàn)非常吻合,即ELF3-AS1和ELF3在GC中被SNAI2和SNAI1轉(zhuǎn)錄抑制。
5. 上皮轉(zhuǎn)錄因子ELF3在GC中發(fā)揮腫瘤抑制作用
反義lncRNA通常與其相鄰的蛋白質(zhì)編碼基因高度共表達(dá)。同樣,作者還觀察到ELF3-AS1和ELF3在正常胃組織,GC細(xì)胞系和泛組織中存在高共表達(dá)(圖4A-E)。有趣的是,當(dāng)ELF3-AS1在GC細(xì)胞系中被有效敲低時(shí),ELF3 mRNA及其蛋白質(zhì)顯著降低至約60-70%(圖4F-I)。然而,目前尚不清楚ELF3-AS1如何影響GC中的ELF3表達(dá)。
鑒于ELF3屬于ETS轉(zhuǎn)錄因子家族,作者最初假設(shè)ELF3-AS1和ELF3的共表達(dá)可能是由于ELF3調(diào)節(jié)ELF3-AS1的表達(dá)。為了驗(yàn)證這種可能性,在兩個(gè)GC細(xì)胞系中進(jìn)行了關(guān)于ELF3的功能喪失和功能獲得研究。然而,在GC中敲低或過表達(dá)ELF3后,ELF3-AS1的表達(dá)沒有顯著改變(圖4J和K)。盡管轉(zhuǎn)錄因子ELF3不能調(diào)節(jié)ELF3-AS1的表達(dá),但劃痕傷口愈合測(cè)定和Transwell測(cè)定證實(shí)ELF3在GC細(xì)胞遷移和侵襲中具有腫瘤抑制作用(圖4L和M)。
圖4 ELF3負(fù)調(diào)節(jié)細(xì)胞轉(zhuǎn)移,但不能調(diào)節(jié)GC中ELF3-AS1的表達(dá)
6. ELF3-AS1主要通過抑制SNAI2信號(hào)傳導(dǎo)抑制GC轉(zhuǎn)移
作者通過miRNA測(cè)序分析了ELF3-AS1敲低后差異表達(dá)的miRNA(圖5A)。令人驚訝的是,在ELF3-AS1耗竭大幅下調(diào)的前10種miRNA中,miR-33a,miR-33b和miR-203a是眾所周知的靶向SNAI2的miRNA(圖5B)。為了確認(rèn)miRNA測(cè)序的可靠性,作者檢查了ELF3-AS1去除細(xì)胞系中miR-33a,miR-33b和miR-203a的表達(dá)水平。結(jié)果表明,ELF3-AS1敲低確實(shí)能顯著降低miR-33a、miR-33b和miR-203a的表達(dá)(圖5C-E)。相應(yīng)地,ELF3-AS1的耗竭導(dǎo)致SNAI2 mRNA和蛋白質(zhì)的顯著上調(diào)(圖5F-H)。一致地,分析來自另一項(xiàng)獨(dú)立研究的RNA-seq數(shù)據(jù)(GSE92250)還表明ELF3-AS1敲低導(dǎo)致A549和Hela細(xì)胞系中的SNAI2 mRNA上調(diào)(圖5I),表明ELF3-AS1對(duì)SNAI2表達(dá)的負(fù)調(diào)控可能在癌癥中廣泛存在。
基于上述發(fā)現(xiàn),作者推測(cè)ELF3-AS1可能通過抑制SNAI2信號(hào)傳導(dǎo)來抑制GC進(jìn)展。為了驗(yàn)證這種可能性,在體內(nèi)和體外進(jìn)行了救援測(cè)定。敲低SNAI2表達(dá)挽救了ELF3-AS1去除的GC細(xì)胞系的致瘤特性(圖5J和K)。這些數(shù)據(jù)強(qiáng)烈表明,ELF3-AS1主要通過抑制SNAI2信號(hào)傳導(dǎo)來抑制GC細(xì)胞的遷移和侵襲。
圖5ELF3-AS1主要通過抑制SNAI2信號(hào)傳導(dǎo)來抑制GC轉(zhuǎn)移
7. 核定位的lncRNA ELF3-AS1在細(xì)胞周期進(jìn)程中起關(guān)鍵作用。
lncRNA的生物學(xué)功能與其亞細(xì)胞位置密切相關(guān)。ELF3-AS1是GC中的核定位lncRNA(圖6A和B)。之前的一項(xiàng)研究報(bào)道,ELF3-AS1是一種細(xì)胞周期相關(guān)的lncRNA。作者的研究還表明,lncRNA ELF3-AS1在細(xì)胞周期進(jìn)程中起著至關(guān)重要的作用。ELF3-AS1敲低顯著加速了GC中細(xì)胞周期的G1/S轉(zhuǎn)變(圖6C和D)。有趣的是,RNA-seq分析表明,敲低ELF3-AS1導(dǎo)致幾乎所有組蛋白編碼基因的顯著上調(diào)超過2倍(圖6E和F)。眾所周知,組蛋白的合成發(fā)生在細(xì)胞周期的S期,與DNA復(fù)制同步。這些結(jié)果表明,ELF3-AS1通過影響G1/S轉(zhuǎn)換和組蛋白合成來負(fù)調(diào)節(jié)GC細(xì)胞的細(xì)胞周期進(jìn)程。
為了更好地理解ELF3-AS1調(diào)控細(xì)胞周期過程的分子機(jī)制,作者分析了ELF3-AS1敲低后細(xì)胞周期相關(guān)基因的表達(dá)變化。結(jié)果表明,敲低ELF3-AS1增加了GC中CDK6和CASP7的表達(dá),但降低了CDKN1A(也稱為p21)的表達(dá)(圖6G和H)。p21蛋白作為G1/S轉(zhuǎn)變的細(xì)胞周期檢查點(diǎn)。CDK6/CCND1蛋白復(fù)合物對(duì)細(xì)胞周期G1相進(jìn)展和G1/S轉(zhuǎn)變非常重要。因此,ELF3-AS1敲低引起的G1/S轉(zhuǎn)變的促進(jìn)可能是由于P21的下調(diào)和CDK6的上調(diào).
圖6 核定位的lncRNA ELF3-AS1通過影響G1 / S過渡和組蛋白合成來調(diào)節(jié)細(xì)胞周期進(jìn)程
8. ILF2/ILF3復(fù)合物可直接調(diào)節(jié)ELF3-AS1/ELF3 RNA雙鏈體的穩(wěn)定性
通過RNA下拉分析鑒定了與lncRNA ELF3-AS1相互作用的潛在蛋白質(zhì)。根據(jù)位于45道爾頓處的差分帶的質(zhì)譜(MS)分析(圖7A),有7種蛋白質(zhì)匹配覆蓋率大于20%。在這些蛋白質(zhì)中,RINI,ILF2(也稱為NF45)和TARBP2是雙鏈RNA(dsRNA)結(jié)合蛋白(圖7B)。有趣的是,另一種名為ILF3的蛋白質(zhì)(也稱為NF90 / NF110)也出現(xiàn)在該條帶的MS結(jié)果中(圖7C)。作者隨后的蛋白質(zhì)印跡測(cè)定進(jìn)一步驗(yàn)證了ILF2,ILF3和TARBP2可以與外源性lncRNA ELF3-AS1結(jié)合(圖7D)。此外,CHIRP下拉試驗(yàn)證實(shí)內(nèi)源性ELF3-AS1也與ILF2和ILF3蛋白結(jié)合(圖7E和F)。維恩圖顯示,在三個(gè)MS結(jié)果的交點(diǎn)處顯示了大約22種蛋白質(zhì),包括ILF2,ILF3,RINI等(圖7F)。為了弄清楚ELF3-AS1轉(zhuǎn)錄本的哪個(gè)區(qū)域可以與ILF2和ILF3相互作用,作者截?cái)嗔瞬煌L度的ELF3-AS1轉(zhuǎn)錄本。在通過蛋白質(zhì)印跡分析了不同長度的ELF3-AS1轉(zhuǎn)錄本拉下的蛋白質(zhì)后,作者發(fā)現(xiàn)第一個(gè)外顯子區(qū)域?qū)τ?/span>ELF3-AS1轉(zhuǎn)錄本與ILF2 / ILF3復(fù)合物之間的相互作用是必需的(圖7G)。此外,作者在轉(zhuǎn)染不同長度的ELF3-AS1轉(zhuǎn)錄本的GC細(xì)胞中檢測(cè)到ELF3表達(dá)。結(jié)果表明,僅過表達(dá)含有外顯子1的ELF3-AS1轉(zhuǎn)錄本上調(diào)ELF3表達(dá)(圖7H)。RNA免疫沉淀測(cè)定顯示,與ILF2和ILF3蛋白結(jié)合的ELF3-AS1轉(zhuǎn)錄本比對(duì)照IgG組高數(shù)千倍(圖7I,J)。
圖7 ELF3-AS1直接與ILF2 / ILF3蛋白復(fù)合物相互作用
由于選擇性剪接,ELF3基因具有不同的轉(zhuǎn)錄本。在這些不同類型的ELF3轉(zhuǎn)錄本中,ELF3-201,ELF3-202和ELF3-203可以編碼全長ELF3蛋白。ELF3-201轉(zhuǎn)錄本和ELF3-AS1轉(zhuǎn)錄本重疊約664個(gè)核苷酸(圖8A)。換句話說,ELF3-AS1可以與ELF3-201的第一外顯子區(qū)結(jié)合形成雙鏈RNA分子。另一方面,RNA-seq分析表明,與ELF3-203或任何其他ELF3轉(zhuǎn)錄本水平相比,ELF3-AS1的敲低對(duì)ELF3-201表達(dá)的影響更深遠(yuǎn)(圖8B)。這些數(shù)據(jù)暗示ILF2 / ILF3復(fù)合物可能與ELF3-AS1和ELF3-201形成的dsRNA結(jié)合。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種可能性,作者還檢查了ILF2 / ILF3的RIP測(cè)定中的ELF3-201轉(zhuǎn)錄本水平。與ILF2和ILF3結(jié)合的ELF3-201轉(zhuǎn)錄本遠(yuǎn)高于對(duì)照IgG組(圖8C,D),表明ILF2 / ILF3復(fù)合物可以與ELF3-AS1和ELF3-201形成的dsRNA結(jié)合。
據(jù)報(bào)道,ILF2/ILF3復(fù)合物在調(diào)節(jié)mRNA穩(wěn)定性中起重要作用。RNA-seq數(shù)據(jù)和qPCR檢測(cè)表明,ILF3的敲低顯著降低了ELF3-AS1和ELF3-201的mRNA水平,而ILF2的敲低顯著提高了ELF3-AS1和ELF3-201的mRNA水平(圖8E-G)。這些結(jié)果表明,ILF2和ILF3蛋白對(duì)ELF3-AS1轉(zhuǎn)錄本的穩(wěn)定性具有相反的影響。先前的一項(xiàng)研究報(bào)道,NF45在ILF2/ILF3復(fù)合物中作為調(diào)節(jié)亞基起作用。有趣的是,作者還注意到ILF2的敲低可能會(huì)影響ILF3基因的選擇性剪接(圖8H)。因此,推測(cè)ILF2可能通過影響ILF3基因的選擇性剪接來調(diào)控ELF3-AS1和ELF3-201的表達(dá)。
圖8 ILF2/ILF3與ELF3-AS1/ELF3 RNA雙鏈體相互作用,影響RNA雙鏈體的穩(wěn)定性
結(jié)論:
綜上所述,在GC中發(fā)現(xiàn)了SNAI2和lncRNA ELF3-AS1之間新的雙負(fù)反饋環(huán)。SNAI2-ELF3-AS1反饋環(huán)通過連續(xù)激活SNAI2信號(hào)傳導(dǎo)并在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)節(jié)ELF3表達(dá)來驅(qū)動(dòng)GC轉(zhuǎn)移。在GC中,SNAI2過表達(dá),導(dǎo)致ELF3和ELF3-AS1的表達(dá)水平降低。反過來,ELF3-AS1下調(diào)通過持續(xù)激活SNAI2信號(hào)傳導(dǎo)和促進(jìn)細(xì)胞增殖進(jìn)一步推動(dòng)腫瘤進(jìn)展,從而導(dǎo)致GC預(yù)后不良。
參考文獻(xiàn):
Li D, Shen L, Zhang X, Chen Z, Huang P, Huang C, Qin S. LncRNA ELF3-AS1 inhibits gastric cancer by forming a negative feedback loop with SNAI2 and regulates ELF3 mRNA stability via interacting with ILF2/ILF3 complex. J Exp Clin Cancer Res. 2022 Dec 2;41(1):332. doi: 10.1186/s13046-022-02541-9.