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缺失错配修复基因MLH1的结直肠癌HCT-116细胞对氟尿嘧啶耐药机制的研究

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药学实践杂志2O1 7年3月25日第35卷第2期 121 Journal of Pharmaceutical Practice,Vo1.35,No.2,March 25,2017 ・论著・ 缺失错配修复基因MLH1的结直肠癌HCT一116细胞对氟尿嘧啶耐药机 制的研究 王 婧 ,方宏亮 ,黄金路 ,郭 澄 (1.上海交通大学附属第六人民医院,上海200233;2.第二军医大学基础部免疫学教 研室,上海200433) [摘要] 目的制。方法研究缺失错配修复基因MLH1(MutI homolog 1)的结直肠癌细胞HCT一116对氟尿嘧啶(5-Fu)耐药机 通过构建MLH1缺失的结直肠癌细胞HCT一116稳定表达MLH1细胞株,CCK一8试剂检测细胞恢复MLH1表达 后对化疗药物5-Fu耐药性的影响,并通过流式细胞仪检测细胞表面干细胞标志CD133和分化标志CK20以及CK8的表达变 化。结果HCT一116稳定表达MI H1分子后,其对5 Fu作用的化疗耐受性降低,5-Fu处理后细胞的活率显著降低(P< 结直肠癌细胞 0.01);流式细胞仪检测结果显示CD133表达显著降低,并伴随细胞分化标志CK8和CK20表达上调。结论缺失错配修复基因MLH1引起5-Fu耐药性可能与其促进肿瘤干细胞样特性密切相关。 [关键词]结直肠癌;错配修复基因;化疗耐受;CD133 [中图分类号]R735.3 [文献标志码]A [文章编号] 1006 0111(201 7)02—0121—05 [OOI] 10.3969/ .issn.1006—0111.2017.02.006 The mechanism of 5-Fu—based drug resistance in DNA mismatch repair deficient colorectal cancer HCT-1 16 cells WANG Jing 。FANG Hongliang ,HUANG Jinlu ,GUO Cheng (1.Sixth People s Hospital Affiliated to Shanghai JiaoTong U— niversity,Shanghai 200233,China;2.Department of Immunology,Faculty of Basic Medicine,Second Military Medical Universi— ty,Shanghai 200433,China) [Abstract]Objective To study the mechanisms of the drug resistance of DNA mismatch repair(MMR)deficient color— ectal cancer(CRC)HCT一116 to 5 fluorouracil(5 Fu).Methods MI H1 deficiency HCT一116 cells were transfeeted with pcD— NA3.1-MLH1 Vector.The expression of MLH1 was detected by Western blot.The change of resistance against 5-Fu was ex— amined by detecting the cel1 viability with CCK一8 kits.The expression of CD1 33(cancer stem cel1 marker)and CK8&CK20 (cell differentiation marker)were detected by flow cytometry.Results Comparing to HCT一116 control group,the viability of HCT一116 cells was markedly decreased(P%0.01)after stable expressing MLH1,accompanied by the down—regulated expres— sion of CD133 on the cell surface.Moreover.the up—regulation of cell differentiation marker CK8 and CK20 was observed in HCT一11 6 ce11s with stable expressing MLH1.Conclusion Our data indicated that the expression of MI H1 was associated with down—regu1ated CD133 stem—like cells in colorectal cancer HCT一116 with MLH1 deficiency.Therefore,CD133 stem—like cells may related to the drug resistance of MMR deficiency tumor.This study provides a possible theory to explain the 5-FU resist— ance in the colorectal cancer patients with MMR deficiency. [Key words]colorectal cancers;DNA mismatch repair;drug resistance;CD133 结直肠癌(colorectal cancer,CRC)是最常见的 消化道肿瘤之一,其发病率一直呈上升趋势。我国 结直肠癌发病率已上升至恶性肿瘤的第2位,病死 率居第5位,严重威胁人们的健康和生活质量 。 目前,除了少部分符合手术条件可以局部切除再辅 以放/化疗外,化疗是这类患者的主要治疗手段。随 着对化疗药物的深入研究,新的药物以及不同机制 [基金项目] 上海交通大学医学院医院药学科研基金青年项目 (JDYX2016QN008);上海交通大学医工交叉研究基金项目 (YG2014QN08) 药物的联合应用使肿瘤的化疗不断发展。但是,仍 有相当多种类的肿瘤对化疗药物不敏感,尤其是近 [作者简介]王婧,硕士,主管药师.研究方向:免疫药理学、临床 药学.Tel:(021)24058445;E—mail:dearfriendwang@163.corn 来不断出现肿瘤细胞原发、继发性耐药以及多药性 耐药。研究肿瘤细胞的耐药机制,以期更好地发挥 化疗药物对肿瘤细胞的杀伤力,成为肿瘤治疗领域 [通讯作者]郭澄,教授,博士生导师.研究方向:临床药学、抗肿 瘤药物.Tel:(021)24058098;E—mail:gboss@l26.corn 药学实践杂志122 2Ol7年3月25日第35卷第2期 Journal of Pharmaceutical Practice,Vo1.35,No.2,March 25,20l7 的一个新热点。 为:5 TTCCTCGAGTTATGTCGTTCGTGGCA 错配修复基因(mismatch repair,MMR)是细胞 内负责对碱基错配进行修复的基因,还能修复一些 GG 3 ,下游引物为:5 ACAGGATCCTTAACAC— CTCTCAAAGACTT 3 。PCR条件为:94。C, DNA复制过程中小于4 nt的核苷酸插入或缺失。 目前已发现的MMR基因包括MLH1、MSH2、 MSH3、MSH4、MSH5、MSH6等。MMR缺失不仅 导致了结直肠癌的发生和发展,而且与结直肠癌的 临床疗效密切相关 ]。MMR具有识别DNA损伤 并诱导细胞凋亡的功能,因此,该蛋白的表达情况影 响着肿瘤细胞对一些化疗药物,尤其是致DNA损 伤的化疗药物的敏感性。体外研究表明,与正常细 胞相比,以5一氟尿嘧啶(5-fluorouracil,5 Fu)处理 MI H1缺失结肠癌细胞系明显产生耐药性。其机 制可能在于5-Fu能够直接作用于DNA,造成细胞 非致死性损伤时,MMR正常者竭力修复损伤;当无 法修复时,细胞周期就会停滞,导致凋亡。而 MLH1缺失者识别DNA损伤的能力弱,无法产生 触发细胞凋亡的信号。多数临床回顾性统计也表 明,MMR缺失的结直肠癌患者,无法从以5一Fu为 基础的辅助治疗方案中获益。因此,自2011年起, 每一版《NCCN结直肠癌临床实践指南》对于MMR 缺失的患者不建议使用5一Fu类药物,但目前转移性 结直肠癌的一线化疗方案中,5-Fu仍是主要的化疗 药物之一[6]。因此,研究MMR缺失的结直肠癌的 化疗耐药性机制,并通过相关干预治疗,提高MMR 缺失患者的临床疗效成为重要的研究方向。 l材料与方法 1.1 材料 人结直肠癌细胞系HCT一116购自中 国科学院细胞库;5 Fu、遗传霉素(G418,德国Sig— ma公司);转染试剂JetPei(美国Polyplus公司); MI H1过表达质粒peDNA3.1-MLH1(北京Orig— ene公司);一抗兔抗人MI H1单克隆抗体、小鼠抗 人细胞角蛋白(CK8)单克隆抗体和小鼠抗人肌动蛋 白(B—Actin)单克隆抗体(美国Abcam公司);抗兔 或抗鼠二抗(美国CST公司);PE标记的抗人 CD133的流式抗体(德国Miltenyi公司);PE标记 抗人CK8流式抗体、CK20流式抗体(美国BD公 司);增强型化学发光(ECL)试剂盒(美国Thermo Fisher公司);细胞活性CCK一8(Cell Counting Kit一 8)检测试剂盒(日本Dojindo公司)。 1.2 方法 1.2.1 PCR检测MLH1重组质粒 以商业化重 组质粒pcDNA3.1一MI H1为模板,聚合酶链式反应 (PCR)检测MLH1序列是否正确表达。上游引物 30 S;52。C,30 S;72℃,1 min;循环数:30个。最后 一轮循环结束后,72℃反应10 min,使产物充分扩 增。扩增后的PCR产物通过DNA琼脂糖凝胶电 泳检测片段的长度。 1.2.2重组质粒转染HCT一116细胞建立稳定表 达细胞株 采用Polypius公司的JetPei转染试剂 将pcDNA3.1一MLH1转染至HCT 116细胞内,取 转染24 h后稀释至单细胞传代。同时向McCOY S 5A培养基中加入终浓度为600 ng/ml的G418筛 选液,每3 d更换一次新鲜的含G418培养基,1周 之后观察有无单克隆细胞团形成。挑出每个单克隆 细胞团,再分别逐渐扩大培养,4周后检测经过 600 ng/ml的G418筛选后的HCT—l16细胞MI H1 表达情况。 1.2.3 Western blot检测蛋白表达 取对数生长 期的细胞,进行蛋白提取,BCA法测定细胞裂解物 的蛋白含量,取等量蛋白质以12 SDS—PAGE法 分离,并转移至PVDF膜上,加单克隆抗体于4℃ 下过夜孵育,以检测目标蛋白。洗去一抗,以HRP 连接的二抗于室温孵育2 h,洗涤后以ECI 试剂盒 显示免疫印迹条带,以 ̄-actin作为内参。 1.2.4 流式细胞仪检测细胞CD133、CK8、CK20 的表达收取待测细胞,离心去上清液。混匀细胞, 加入荧光标记的抗体,4℃孵育30 min。PBS洗2 次,用300 l PBS重悬,再用流式细胞仪(FACS calibur,BD公司)检测,实验数据采用FlowJo软件 分析。 1.2.5 CCK8检测化疗药物处理后的细胞活性 96孔板每孔加入5×10 /100 l,于37℃浮箱培养 过夜使细胞贴壁后,加入0、10、20、50、100“g/ml 5一 Fu作用24 h,再向孔中加入lO肚l的CCK 8试剂, 在细胞培养箱中继续孵育4 h,再用酶标仪检测,设 置检测波长450 nm,参考波长630 nm(A)。每组设 3个复孔为实验组,同时设空白溶剂组以及阴性对 照组。 细胞存活率( )===(实验组A值)/(阴性对照 组A值)×100 。 1.2.6统计学方法 采用SPSS17.0软件处理分 析实验数据。数据以(. ±s)表示,多组间单因素比 较先用单因素分析其正态分布,再以LSD法进行统 计。以P%0.05为差异有统计学意义。 药学实践杂志2017年3月25日第35卷第2期 123 Journal of Pharmaceutical Practice,Vo1.35,No.2,March 25,2017 2 结果 2.1 重组表达质粒pcDNA3.1-MLH1的PCR鉴 定我们以商业化的重组质粒pcDNA3.1-MLH1 为模板,PCR检测MI H1序列是否正确表达。凝 胶电泳的结果显示,在分子量2 000 000上方能明显 看到MLH1的条带,测序结果也显示MLH1正确 插入至表达载体中(图1)。 分子量 2 000 000 1 000 000 750 000 500 000 200 000 100 000 图l重组表达质粒pc∞∞∞∞ DNA3.1-0  MLH1的PCR鉴定 2.2 HCT一116MLH1稳定表达细胞株的验证 G418药物筛选4周后,选取状态好的克隆株,采用 Western—blot检测细胞中的MLH1表达情况。结 果如图2所示,我们在对照组HCT一1l6CTR中,没 有检测到MLH1的表达,表明HCT一116是MLH1 缺失的结直肠癌细胞株;而在筛选的克隆株HCT一 116MLH1组中,明显可以看到MI H1的表达条 带,表明HCT一116稳定表达MLH1的细胞株构建 成功。 MLH1  ̄-aetin 图2 Western—blot检测HCT- II6MLH1细胞MLH1表达 2.3 HCT一116MLH1稳定表达株对化疗药物5-Fu 作用的影响 筛选出稳定表达MLH1的HCT一 116MLH1细胞株后,进一步检测MLH1的表达对 5一Fu作用的影响。HCT—l16MLH1细胞和HCT一 116CTR细胞(对照)分别给予不同浓度5-Fu作用 48 h后,CCK一8试剂盒检测细胞的活率。结果如图 3所示,经过10、2O、50和100/ ̄g/ml 5-Fu处理24 h 后,各组HCT一116MLH1细胞的活率都显著低于对 照组HCT一116CTR细胞(P<0.05,P<0.01),提 示HCT 116细胞稳定表达MLH1后,细胞对5-Fu 的耐药性显著降低。 琶 褂 蜒 墓 器 0 10 20 50 100 浓度(p /ug‘ml ) 图3 CCK一8检测5-Fu对细胞活性的影响 (T±s,n一3) P<0.05,一P<0.0l, 与HCT-116CTR细胞比较 2.4 HCT一116MLH1细胞中肿瘤干细胞标志 CD133表达的检测HCT 116细胞高表达肿瘤干 细胞标志CD133已有报道[7],但MLH1缺失的 HCT一116细胞稳定表达MLH1分子后,通过恢复 其基因错配修复的功能,发现其对5一Fu耐受受到明 显抑制,故进一步通过流式细胞仪(FACS)检测细 胞表面CD133的表达。结果如图4所示,对照组 HCT一116CTR细胞表面的CD133的表达率为 96.1 ,而HcT—l16MLH1组细胞表面的CD133 的表达率为37.2 ,CD133的表达下调。 2.5 HCT一116MLH1细胞中分化标志CK8和 CK20表达的检测 CD133的表达与细胞的肿瘤干 细胞特性密切相关,发现HCT一116稳定表达 MLH1细胞的CD133表达显著降低后,进一步检测 HCT一116MLH1细胞表面分化标志CK8和CK20 的表达情况。结果如图5所示,对照组HCT一 116CTR细胞的CK8的表达率为3.0 ,CK20的 表达率为0.8 ;HCT一116MLH1细胞表面的CK8 的表达率为5.9 ,CK20的表达率为2.6 ,细胞 表面cK8与CK20的表达出现上调,提示HCT一116 细胞稳定表达MLH1恢复其MMR的功能后,分化 程度增强。 3讨论 据现有的临床统计结果估计,有15 ~20 的 结直肠癌患者存在着MMR的表达缺失。在散发性 结直肠癌中,MMR缺失的发生主要与MLH1 (MutL homolog 1)的启动子的高甲基化而不表达 相关,MLH1缺失患者占MMR缺失患者的95 以 上 ]。Taverna等筛查了6O余种肿瘤细胞中 MMR基因的表达情况,发现HCT一116细胞完全缺 失MLH1的表达,且和化疗药物的耐受密切相关。 药学实践杂志2017年3月25日第35卷第2期 Journal of Pharmaceutical Practice,Vo1.35,No.2,March 25,20l 7 HCT 116 CTR 臣 糯 37. 0 I- , HCT 116 MLH1 ’ Q4 图4流式细胞仪检测HCT-116MLHI细胞CD133的表达 HCT I16 CTR 山 懈 HCT—I16 MLHI 图5 流式细胞仪检测HCT—ll6MLH1细胞CK8和CK20的表达 我们的研究结果发现,HCT一116细胞缺失错配修复 基因MI H1的表达,这与文献报道的结果一致l_8 。 点 ’ 。CD133是肿瘤干细胞重要的表面分子标志 物之一,2007年Nature同时报道了两篇在结直肠 癌中发现CD133 肿瘤干细胞的文章,引起广泛关 本研究选择该细胞作为研究对象,细胞转染了重组 质粒pcDNA3.1-MI H1后,通过筛选构建了稳定表 达MI H1细胞系,比较研究5-Fu抑制稳定表达 MHI 1的HCT一116细胞和对照组HCT-16细胞的 注 “ J。CD133肿瘤干细胞由于具有低分化和自 我更新于细胞的特性,其对化疗或放疗都具有抵抗 性。Dallas等_1 通过高剂量的5-Fu处理结直肠癌 细胞HCT一116筛选出化疗耐受的细胞。发现这些 差别。结果发现,经过不同浓度5 Fu作用后,稳定 表达MI H1的HCT一116细胞的活率显著低于对照 HCT—l16细胞,说明错配修复基因MI H1表达缺 失与细胞对化疗药物5-Fu的耐药性之间密切相关。 肿瘤干细胞是指肿瘤细胞中存在的-d,部分亚 群,这种细胞具有类似干细胞的特征。例如,肿瘤干 细胞具有分化程度低、无限增殖和高致瘤性等特 细胞表面的CD133表达量增加了约16倍。Ma 等[1 从人肝癌细胞中分离出CD133 细胞,发现在 相同浓度的5-Fu作用下,其细胞活性要显著高于 CD133一细胞。Yasuda等¨】朝研究了直肠癌患者放/ 化疗后残存肿瘤细胞中CD133的表达水平,发现残 存肿瘤细胞中CD133表达水平明显高于癌旁的间 药学实践杂志2017年3月25日第35卷第2期 125 Journal of Pharmaceutical Practice,Vo1.35,No.2,March 25.2017 质细胞,并且放/化疗后CD133表达水平增高的患 者无进展生存期(progression—free survival,PFS) 明显缩短。 株干细胞CD133 的影响[J].上海交通大学学报(医学版), 2Ol6,36(2):16卜165. u L,Hanson AJ,et n .Characterization 。f E8] Taverna P,LiMLH 1 and MSH2 DNA mismatch repair proteins in cell lines 目前多数临床回顾性统计结果表明,错配修复 基因缺失的这部分结直肠癌患者,对以5一Fu为基础 of the NCI anticancer drug screen[J].Cancer Chemother Pharmacol,2000,46(6):507 51 6. 的化疗产生耐药性,但具体机制尚不明确E16,1 73。本 研究发现,HCT一116细胞稳定表达MLH1后,肿瘤 干细胞特异性表达标志物CD133的表达显著降低, [9] Rosen JM,Jordan CT.The increasing complexity of the cane— er stem cell paradigm[J].Science,2009,324(5935):1670— 1673.  SS,Graham TA,Wright NA.Stem cells and their impli— [1O] Zeki并伴随细胞分化标志物CK8和CK20表达上调,说 明MLH1表达降低了HCT一116细胞的“肿瘤干细 胞样”特性,并抑制了HCT—l16细胞对5 Fu产生的 cations for colorectal cancer[J].Nat Rev Gastroenterol Hepa— tol,20l1,8(2):90—1OO. en CA,Pollett A,Gallinger S,et&Z.A human colon [11] O Bricancer cell capable of initiating tumour growth in immunodefi— 化疗耐受。该结果提示结直肠癌细胞缺失错配修复 基因MLH1引起5一Fu的耐药性可能与其促进肿瘤 干细胞样特性密切相关。本研究为阐释错配修复基 [12] cient mice[J].Nature,2007,445(7123):106一l1O. Ricci—Vitiani I ,I ombardi DG,Pilozzi E,et df.Identification and expansion of human colon—cancer—initiating cells[J].Na ture,2006,445(7123):111 115. 因缺失结直肠癌患者对化疗药物5一Fu的耐药机制 提供了理论基础。 【参考文献】 [1] Brenner H,Kloor M,Pox CP.Colorectal cancer[J].Lancet, 2O14,383(9927):l49O一15O2. [13] Dalias NA,Xia I ,Fan F,et dZ.Chemoresistant colorectal cancer ceils,the cancer stem cell phenotype,and increased sensitivity to insulin like growth factor—I receptor inhibition [J].Cancer Res,2009,69(5):l951-1957. 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