小細胞肺癌(SCLC)是一種具有高度侵襲性和致命性的肺癌亞型,盡管化療取得了顯著進展,但SCLC患者幾乎在一年內復發,預后相當差,5年生存率低于7%。多項證據表明,circRNAs (circRNAs)在各種人類癌癥中發揮致癌或抑制腫瘤的作用。然而,circRNA在小細胞肺癌(SCLC)中的生物學功能仍不明確。為了闡明circRNA在SCLC腫瘤發生中的功能,對SCLC組織和SCLC患者血清中差異表達的circRNAs進行生物信息學分析。
1、 circVAPA在SCLC中的鑒定
基于之前已報道的SCLC中CircRNA表達模式和以及118名正常人和SCLC患者RNA-seq數據分析,發現circVAPA是一種顯著上調的circRNA(Fig. 1A)。分析circVAPA在肺癌細胞系和人原發性SCLC組織中的表達。發現與對照組相比,3對SCLC組織中內源性circVAPA顯著升高(Fig. 1C)。同樣,circVAPA在SCLC細胞系中的表達明顯高于NSCLC細胞系(Fig.1D),提示circVAPA是SCLC中顯著上調的circRNA,值得進一步研究。DMS273和H82細胞系中circVAPA表達水平最高,于是選擇了SCLC細胞系DMS273和H82進行后續實驗。circBase數據庫顯示CircVAPA從vamp相關蛋白A (VAPA)基因的2-4外顯子反剪接而來,全長338個核苷酸(nt)。 VAPA基因外顯子2-4的環狀化通過頭尾連接形成了circVAPA。用RT-PCR驗證circVAPA的存在(Fig. 1E)。RT-qPCR檢測RNase R外切酶,證實circVAPA耐消化(Fig. 1F, G), 符合circRNA的特征。為了進一步評價circVAPA的穩定性,放線菌素D(一種轉錄抑制劑)處理實驗顯示,在SCLC細胞中,circVAPA比VAPA mRNA更穩定(Fig. 1H, I)。以circVAPA后接位點為靶點的FISH檢測和對細胞核和細胞質RNA的qPCR分析顯示,在DMS273和H82細胞中,circVAPA均在細胞質中富集(Fig. 1J, K)。
Fig1 circVAPA在SCLC中的鑒定
2、CircVAPA在體外促進SCLC進展
兩個針對circVAPA后剪接位點的獨立siRNA導致了SCLC細胞中circVAPA的有效沉默,而VAPA mRNA沒有顯著變化(Fig. 2A)。CTG熒光實驗顯示,circVAPA被任一siRNA敲低都會降低SCLC細胞的活力(Fig. 2B)。隨后,siRNA介導的circVAPA抑制導致SCLC細胞集落形成減少(Fig. 2C)。流式細胞術分析顯示,circVAPA耗盡導致SCLC細胞G0/G1周期阻滯,SCLC細胞凋亡比例增加(Fig 2D,E)。同時,WB檢測的SCLC細胞中,circVAPA敲低后p21和cleaved PARP蛋白水平顯著升高(Fig 2F).
Fig 2 circVAPA干擾抑制SCLC細胞集落形成
3、CircVAPA在體外促進SCLC進展
此外,作者構建了過表達的circVAPA (OE-circVAPA)。如圖3A所示,OE-circVAPA顯著增加了circVAPA的表達,且沒有改變SCLC細胞中VAPA mRNA水平的變化。與circVAPA沉默的效果相反,過表達circVAPA有助于SCLC細胞的細胞活力、集散形成和細胞周期進程的增加,凋亡細胞比例和p21和cleaved PARP蛋白水平的降低(Fig 3B-F)。總的來說,作者的結果得出的結論是,circVAPA促進了體外SCLC進展。
Fig 3 CircVAPA在體外促進SCLC進展
4、CircVAPA是miR - 3773p和miR - 4943p的海綿
采用Ago2 RNA免疫沉淀(RIP)驗證circVAPA在DMS273細胞中的結合(Fig 4A)。RIP實驗證實Ago2與circVAPA和circHIPK3(陽性對照)直接結合,而與EIciPAIP2(陰性對照)不結合(Fig 4B)。
然后作者使用了CircInteractome來預測circVAPA假定的miRNA結合位點。如圖4C所示,circVAPA序列中預測了14個假定的miRNA結合位點,其中,miR-494-3p有兩個潛在的結合位點。然后,合成了circVAPA連接位點反義的生物素標記的寡核苷酸探針,并進行RNA下拉實驗,進一步證明miRNA-circVAPA可能存在相互作用(Fig. 4D)。與對照探針相比,反義探針能夠有效且精確地捕獲內源性circVAPA,并下拉的miR-377-3p和miR-494-3p,但沒有其他12種預測miRNAs(Fig. 4E)。此外,Ago2 RIP的RT-qPCR分析表明,在DMS273細胞中,miR-377-3p或miR-494-3p與相應的mimic過表達后,circVAPA富集顯著(Fig. 4F)。此外,作者構建了熒光素酶報告基因質粒,將circVAPA的線性序列或假設的miR-377-3p或miR-494-3p結合位點突變的序列融合到熒光素酶的3 ' UTR上。雙熒光素酶報告基因實驗驗證了293T細胞中circVAPA與miR-377-3p/miR-494-3p的直接結合(Fig. 4G)。值得注意的是,circVAPA中兩個假定的miR-494-3p結合位點對它們的相互作用都是必需的(Fig. 4G)。在siRNA介導的circVAPA敲低后,DMS273和H82細胞中miR-377-3p和miR-494-3p的表達水平顯著升高,而circVAPA過表達導致miR-377-3p和miR-494-3p的水平下降(Fig.4)。
重要的是,作者證明了抑制miR-circVAPA衰竭細胞中的377-3p或miR-494-3p可以挽救circVAPA敲低對DMS273和H82細胞活力和集落形成的抑制作用(Fig. 4H, I)。相反,miR-377-3p或miR-494-3p過表達消除了circVAPA過表達對DMS273和H82細胞活力和集落形成的促進作用(Fig.4J, K)。這些結果表明,circVAPA在SCLC細胞中充當了miR-377-3p和miR-494-3p的分子海綿。377-3p或miR-494-3p過表達消除了circVAPA的促進作用。
Fig4 CircVAPA是miR - 3773p和miR - 4943p的海綿
5、IGF1R是miR - 3773p和miR - 4943p的功能靶標
由于circVAPA可以作為ceRNA作用于miR-377-3p和miR-494-3p,作者開始確定miRNA的下游靶點。通過兩個數據庫對miR-377-3p和miR-494-3p的潛在靶點進行預測,發現miR-377-3p和miR-494-3p共享41個共同候選基因(Fig. 5A)。對數據集(GSE149507)和41個常見候選SCLC中顯著上調的靶基因進行整合分析,最終聚焦于10個潛在靶基因。IGF1R是SCLC中不可或缺的角色,進一步證實發現它是miR-377-3p和miR-494-3p的唯一共同靶點,轉染miR-377-3p/miR-494-3p模擬物和抑制劑。通過雙熒光素酶報告基因實驗,作者進一步揭示了miR-377-3p/miR-494-3p在分子水平與野生型IGF1R mRNA結合,但在293T細胞中miR-377-3p/miR-494-3p的假設結合位點未與攜帶突變的IGF1R mRNA結合(Fig. 5B, C)。值得注意的是,只有位點2挽救了miR-494-3p誘導的熒光素酶活性抑制作用(Fig.5C)。接下來,作者檢測了miR-377-3p/miR-494-3p和IGF1R的表達,SCLC臨床標本中發現miR-377-3p/miR-與paraSCLC相比,SCLC中494-3p均下調,而IGF1R mRNA則呈現相反趨勢(Fig.5D, E)。
此外,沉默miR -377-3p/miR-494-3p及其相應的抑制劑在mRNA和蛋白水平上顯著提高了DMS273和H82細胞中IGF1R的表達(Fig.5F, H和Fig.6A)。相反,miR-377-3p和miR-494-3p及其模擬物過表達顯著降低了SCLC細胞中IGF1R的mRNA和蛋白水平(Fig.5G、I,Fig.6B)。這些結果表明,IGF1R是miR-377-3p和miR-494-3p的直接和功能靶點。
Fig 5 IGF1R是miR-377-3p和miR-494-3p的直接和功能靶點。
6、CircVAPA通過miR - 3773p & miR - 4943p /IGF1R/AKT軸促進SCLC細胞活力
為了檢測circVAPA是否作為靶向miR-377-3p和miR-494-3p的ceRNA來調控IGF1R的表達水平,作者采用雙熒光素酶報告基因實驗來評估circVAPA與miR-377-3p和miR-494-3p以及IGF1R之間的相互作用。結果發現,異位circVAPA過表達逆轉了miR-377-3p和miR-494-3p過表達對熒光素酶活性的抑制,表明在circVAPA作為ceRNA對抗miR-377-3p和miR-494-3p,解除對IGF1R表達的抑制(Fig. 6E)。
接下來探索circVAPA是否通過miR-377-3p和miR-494-3p/IGF1R軸調控PI3K/AKT信號通路,促進SCLC進展。首先,作者證明了S6核糖體蛋白(p-S6RP) ,miR-377-3p或miR-494-3p抑制劑可以挽救IGF1R及其下游靶點磷酸化AKT (p-AKT)和磷酸化的S6核糖體蛋白(p-S6RP) 的mRNA和蛋白水平的下降(Fig. 5F, H,Fig. 6A)。值得注意的是,根據作者之前報道的研究,在H82細胞中,p-AKT水平太低,無法通過western blot檢測到。相反,circVAPA對IGF1R mRNA、IGF1R蛋白、p-AKT和p-S6RP蛋白表達的促進作用可以被miR-377-3p或miR-494-3p模擬物消除(Fig. 5G, I ,Fig. 6B)。重要的是,IGF1R已被證明是一個潛在的靶點,并抑制IGF1R在SCLC細胞中表達,表現出良好的抗腫瘤作用。通過siRNA或BMS-536924抑制IGF1R抑制劑,能恢復circvapa誘導的細胞活力、集散形成、IGF1R mRNA以及IGF1R、p-AKT和p-S6RP的蛋白水平(Fig. 5J-L, Fig. 6C, D)。 IHC染色顯示,與paraSCLC相比,SCLC中IGF1R和p-AKT蛋白水平均上調(Fig. 6F, G)。綜合這些結果表明,circVAPA通過隔離miR-377-3p和miR-494-3p激活IGF1R/AKT軸促進SCLC細胞活力和集合體形成。
Fig6 CircVAPA通過miR - 3773p & miR - 4943p /IGF1R/AKT軸促進SCLC細胞活力
7、CircVAPA通過調控IGF1R在體內和體外促進SCLC增殖
BMS-536924,一種靶向IGF1R的小分子抑制劑,已被證實可以抑制IGF1R磷酸化并阻斷IGF1R介導的AKT信號級聯。添加BMS-536924可以減弱p-AKT和p-S6RP蛋白的表達,但這種對AKT信號級聯的負調控在circVAPA過表達時減弱(Fig 6d)。此外,作者用慢病毒shRNA建立了DMS273穩定細胞系來沉默circVAPA。添加BMS-536924或抑制circVAPA的處理對AKT信號級聯的降低顯示出中等的影響,而兩者的聯合處理顯示出最大的抑制效果(Fig. 7A)。為了支持WB結果,單獨添加BMS-536924或沉默circVAPA對DMS273和H82的細胞活力和克隆形成有明顯的阻斷作用(Fig. 7B, C)。然而,聯合使用BMS-536924處理和減少circVAPA對DMS273和H82的細胞活力和克隆形成有最大的抑制作用(Fig.7B, C)。
為了探討circVAP在SCLC體內的生物學功能,然后作者進行皮下注射circVAPA敲除和對照DMS273細胞裸鼠,以研究circVAPA在體內的作用。與對照組相比,circVAPA穩定敲除的細胞形成的腫瘤體積、體積和重量都明顯更小(Fig.7D-F)。免疫組化染色顯示,與對照組相比,來自circVAPA穩定敲低的細胞的腫瘤中Ki67、IGF1R、p-AKT水平顯著降低 (Fig.7G)。IGF1R抑制劑BMS-536924在體外表現出增強了circVAPA沉默引起的對細胞活力、集散形成、p-AKT和p-S6RP的抑制作用,以及體內腫瘤大小、體積和重量的抑制作用,表明BMS-536924和circVAPA損耗可能在SCLC治療中實現潛在的協同作用(Fig.7A-G)。這些結果表明,在體內,circVAPA通過靶向IGF1R,促進SCLC增殖體內。
Fig7 CircVAPA通過調控IGF1R在體內和體外促進SCLC增殖
總之,本研究提出circVAPA/miR-377-3p和miR-494-3p/IGF1R/AKT軸可能是SCLC的一個有效治療靶點,為SCLC進展的機制提供新的見解。