修回日期: 2011-06-22
接受日期: 2011-06-28
在线出版日期: 2011-07-08
目的: 研究P21对POLD1基因的调控通路, 以探索阻断癌细胞恶性增殖的机制.
方法: 实验主要分3组: 阴性对照组(转染空载体pXJ41-neo的803-pXJ细胞)、空白对照组(胃癌细胞MGC-803)、实验组(转染P21重组真核表达质粒pXJ41-p21的803-p21细胞). MTT实验分析细胞增殖变化, 流式细胞仪检测细胞凋亡水平, 实时荧光定量PCR技术检测基因表达水平的变化, Western blot分析蛋白表达差异.
结果: MTT实验显示, 与空白对照和阴性对照组相比, 实验组细胞增殖受到明显抑制, 凋亡率(%)增高(11.36±0.51 vs 7.39±0.17, 7.69±0.47, F = 85.338, 均P<0.05). 实验组P21 mRNA表达水平显著提高(2.15±0.23 vs 1.05±0.11, 1.00±0.00, F = 59.054, 均P<0.05), POLD1则显著下调(0.45±0.07 vs 1.09±0.13, 1.00±0.00, F = 49.907, 均P<0.05); P21、P125蛋白表达变化与基因变化相一致. cyclin E、Rb1基因表达均上调, CDK2基因表达下调, c-myc基因表达则变化不大.
结论: P21抑制了胃癌细胞的增殖、促进其凋亡, 同时抑制了POLD1基因的表达, 这种抑制作用可能通过CDK2、cyclin E、Rb1等细胞周期因子实现.
引文著录: 阮细玲, 李永继, 吴琼, 廖柳凤, 徐恒. P21对胃癌细胞MGC-803的增殖抑制及对POLD1基因表达的调控. 世界华人消化杂志 2011; 19(19): 1990-1995
Revised: June 22, 2011
Accepted: June 28, 2011
Published online: July 8, 2011
AIM: To investigate whether and how P21 regulates POLD1 expression in human gastric cancer cell line MGC-803 and to find new clues to blocking the malignant proliferation of cancer cells.
METHODS: MGC-803 cells were divided into three groups: blank control group (untransfected cells), negative control group (cells transfected with an empty vector pXJ41-neo), and experimental group (cells transfected with a eukaryotic expression plasmid pXJ41-p21). After transfection, cell proliferation was detected by MTT assay; cell apoptosis was detected by flow cytometry; and the mRNA and protein expression was detected by quantitative real-time PCR and Western blot, respectively.
RESULTS: Compared to the two control groups, cell proliferation was significantly inhibited, cell apoptosis was increased (11.36 ± 0.51 vs 7.39 ± 0.17, 7.69 ± 0.47, F = 85.338, P < 0.05), and the mRNA and protein expression of POLD1 was inhibited in the experimental group. In addition, the relative expression levels of cyclin E and Rb1 increased, that of CDK2 decreased, and that of c-myc showed little change in the experimental group when compared to the two control groups.
CONCLUSION: P21 can suppress cell proliferation and promote apoptosis in human gastric cancer cell line MGC-803. P21 can also suppress POLD1 expression possibly by regulating the expression of CDK2, cyclin E, Rb1 or other cell cycle factors in MGC-803 cells.
- Citation: Ruan XL, Li YJ, Wu Q, Liao LF, Xu H. P21 suppresses cell proliferation and down-regulates POLD1 expression in human gastric cancer cell line MGC-803. Shijie Huaren Xiaohua Zazhi 2011; 19(19): 1990-1995
- URL: https://www.wjgnet.com/1009-3079/full/v19/i19/1990.htm
- DOI: https://dx.doi.org/10.11569/wcjd.v19.i19.1990
据DePamphilis[1]报道, 使细胞周期任一时期DNA复制减少或增加都可能导致严重的后果, 产生癌症、先天性缺陷及发育异常等人类遗传性疾病. DNA聚合酶δ(DNA polymerase δ, polδ)是唯一与细胞周期相关、在DNA复制中起主导作用的DNA复制酶[2], 其催化亚基P125具有5'-3'聚合酶和3'-5'外切酶两种活性, 编码该亚其的基因称为POLD1[3]. 而P21是目前已知具有最广泛激酶抑制活性的细胞周期抑制蛋白[4,5], 他可以阻滞细胞周期进程, 抑制DNA的复制. 据此我们推测他可能参与了对POLD1基因的表达调控, 并研究其可能的调控模式, 从这种新的调控网络与胃癌细胞内DNA复制的关系来寻找阻断癌细胞恶性增殖的又一途径.
MGC-803细胞购自中国科学院上海生物细胞研究所; pXJ41-neo载体由新加坡国立大学王跃教授惠赠, pXJ41-p21是将P21的cDNA构建入pXJ41-neo载体获得的真核表达载体, 由北京师范大学桑建利教授惠赠; DMEM培养基, Hyclone公司; 胎牛血清, 杭州四季青公司; 高效真核转染试剂Vigofect, 威格拉斯生物技术有限公司; Annexin V/PI凋亡检测试剂盒, 南京凯基生物科技公司; TRIzol, Invitrogen公司; 逆转录试剂盒, Fermentas公司; 荧光定量PCR试剂盒, 天根生化科技有限公司; 兔抗人P21抗体C19、山羊抗人DNA聚合酶δ(P125)抗体C20为Santa Cruz产品; 远红外荧光标记的山羊抗兔、兔抗山羊二抗, 美国KPL公司
1.2.1 细胞培养: 人胃癌细胞系MGC-803培养于含100 mL/L胎牛血清的高糖DMEM培养基, 37 ℃、50 mL/L CO2条件下培养.
1.2.2 细胞转染: 转染前1 d将MGC-803细胞转种于6孔板, 汇合度为70%-80%. 转染前1 h给细胞换用无血清DMEM培养基. 转染试剂Vigofect与质粒比例为3 μL:5 μg制备转染复合物, 15 min后均匀滴入6孔板细胞, 培养箱培养6 h, 换用完全培养基. 转染后48 h收获细胞.
1.2.3 MTT法分析细胞增殖: 对数生长期细胞接种于96孔板, 2×103/孔, 每组细胞均做5个复孔, 第2天转染pXJ41-p21、pXJ41-neo质粒到细胞, 分别于转染0、24、48、72 h加入20 μL MTT溶液, 继续培养4 h后, 小心吸尽培养液, 每孔加入150 μL DMSO, 酶标仪检测490 nm处吸光度值(A值), 最后绘制生长曲线.
1.2.4 细胞凋亡检测: 细胞经胰酶消化后, 计数板计数细胞, 每管取1×106细胞, 预冷的PBS洗细胞3次, 用200 μL Buffer重悬细胞, 每管分别加入5 μL Annexin V-FITC、5 μL PI, 避光孵育20 min, 流式细胞仪上机检测.
1.2.5 荧光定量PCR检测基因表达: 应用Primer Premier 5.0软件设计引物, 各基因的引物序列见表1. 提取细胞总RNA, 各取1 μg进行逆转录得到cDNA, ABI 7500荧光定量PCR仪上进行反应, 反应体系为: 9 μL PCR mix、9 μL去离子水、1 μL引物、 1 μL cDNA. 以GAPDH为内参, PCR条件为: 95 ℃预变性2 min, 95 ℃变性20 s、 60 ℃退火30 s、72 ℃延伸31 s, 40个循环, 采用比较Ct法, 7500 Software v2.0.5分析数据.
基因 | 引物序列 | 产物长度(bp) |
GAPDH | 上游引物 5'-AACGGATTTGGTCGTATTG-3' | 210 |
下游引物 5'-CTGGAAGATGGTGATGGG-3' | ||
p21 | 上游引物 5'-ATTCAGCATTGTGGGAGGAG-3' | 131 |
下游引物 5'-TGGACTGTTTTCTCTCGGCT-3' | ||
POLD1 | 上游引物 5'-GCTCCGCTCCTACACGCTCAA-3' | 109 |
下游引物 5'-GGTCTGGTCGTTCCCATTCTGC-3' | ||
cyclin E | 上游引物 5'-CAGGGTATCAGTGGTGCGACAT-3' | 181 |
下游引物 5'-TTCTTTGCTCGGGCTTTGTCC-3' | ||
Rb1 | 上游引物 5'-GACCCAGAGCAGGACAGCG-3' | 177 |
下游引物 5'-ACCTCCCAATACTCCATCCACA-3' | ||
CDK2 | 上游引物 5'-GGCCTAGCTTTCTGCCATTC-3' | 188 |
下游引物 5'-CCCAGGAGGATTTCAGGAGC-3' | ||
c-myc | 上游引物 5'-CGAGGAGAATGTCAAGAGGCG-3' | 176 |
下游引物 5'-CTGCTTGGACGGACAGGATGT-3' |
1.2.6 Western blot分析蛋白表达: RIPA裂解液提取细胞总蛋白, 测定浓度后, 取50 μg蛋白样品, 加入上样缓冲液煮沸5 min变性后上样电泳. 100 mA电流条件下转膜2 h, 5%脱脂奶粉封闭2 h. 4 ℃摇床孵育一抗(P21、P125一抗稀释度分别为1:500、1:2 000)过夜, PBST洗膜3次, 10 min每次, 室温孵育二抗(二抗稀释度均为1:5 000)1 h, PBST洗膜3次, 10 min每次, PBS洗1次(10 min), 最后用LI-COR Odyssey红外荧光扫描成像系统扫描PVDF膜, Odyssey V3.0软件分析图像及数据.
统计学处理 SPSS13.0统计软件进行统计学分析, 采用ANOVA单因素方差分析, 并用LSD法进行两两比较, 结果用mean±SD表示, 检验水准α = 0.05, 以P<0.05为差异有统计学意义.
与阴性对照组803-pXJ细胞、空白对照组MGC-803细胞相比, 实验组803-p21细胞490 nm处的A值在转染后24 h差异无统计学意义(0.51±0.10 vs 0.41±0.09, 0.58±0.14, F = 1.744, 均P>0.05), 但在48、72 h时差异具有统计学意义(0.69±0.08 vs 1.01±0.18, 1.14±0.07, F = 11.333; 1.04±0.16 vs 1.43±0.13, 1.44±0.17, F = 6.706, 均P<0.05), 即实验组细胞生长受到明显抑制(图1).
与阴性对照组803-pXJ细胞、空白对照组MGC-803细胞相比, 实验组803-p21细胞凋亡率增高(11.36±0.51 vs 7.39±0.17, 7.69±0.47, F = 85.338, 均P<0.05, 图2).
2.3.1 p21基因和POLD1基因: 与对照组相比较,实验组细胞p21基因的相对表达量增加, 说明重组质粒在细胞内成功表达p21基因, 而POLD1基因表达受抑制.
2.3.2 CDK2等细胞周期因子基因表达的变化: 与对照组相比, 实验组cyclin E、Rb1表达上调; CDK2基因表达受到抑制; c-myc基因表达在各组间差异无统计学意义(表2).
分组 | CDK2 | cyclin E | c-myc | Rb1 |
实验组 | 0.64±0.13 | 1.34±0.09 | 1.07±0.03 | 1.90±0.16 |
阴性对照组 | 1.00±0.00 | 1.00±0.00 | 1.00±0.00 | 1.00±0.00 |
空白对照组 | 1.10±0.09 | 1.11±0.16 | 1.04±0.16 | 1.05±0.15 |
F值 | 21.670 | 18.047 | 0.436 | 50.540 |
P值 | <0.05 | <0.05 | >0.05 | <0.05 |
2.3.3 Western blot分析蛋白表达: P21蛋白表达水平增高(0.64±0.04 vs 0.40±0.07, 0.45±0.06, F = 13.788, 均P<0.05), P125表达受抑制(0.12±0.01 vs 0.19±0.15, 0.20±0.00, F = 14.378, 均P<0.05, 图3).
DNA复制是由多种蛋白及酶(包括DNA聚合酶)严格调控的过程[6], 真核生物DNA聚合酶至少包括6种: DNA聚合酶α、β、γ、δ、ε及ζ[7]. polδ是DNA聚合酶B家族的成员, 他在DNA复制、修复、重组及跨损伤修复等均发挥重要作用[8,9]. 人类Polδ全酶至少由4种亚基组成: P125、P66、P50及P12[10]. 其中催化亚基P125由POLD1基因编码[11].
Sanefuji等[12]通过免疫组织化学的方法显示肝癌细胞核内P125的表达阳性率显著高于正常肝组织, 并且P125的表达与细胞的分化及血管侵袭的程度有关. 欧贤红等[13]通过RT-PCR及Western blot的方法也发现肝癌组织POLD1基因及P125蛋白的表达明显高于癌旁组织. 提示P125的高表达可能与肿瘤的发生、发展有重要的关系.
p53是一个重要的肿瘤抑制基因[14], Li和 Lee[15]通过Northern blot及EMSA等实验证实野生型p53通过与Sp1竞争性结合POLD1启动子上的P4序列而抑制POLD1基因mRNA表达水平. 作为p53基因的最重要的下游基因之一, p21基因的表达产物P21蛋白可以通过依赖或不依赖P53的途径发挥其细胞周期阻滞、DNA修复、细胞分化及凋亡等功能[16]. 一方面, 他可以通过直接结合cyclin-CDK复合物而抑制其活性, 使Rb蛋白不能发生磷酸化, E2F不能释放, 从而使细胞周期停滞在G1期, DNA复制受抑制[5]. 另外他可以通过紧密结合增殖细胞核抗原(proliferating cell nuclear antigen, PCNA), 影响PCNA与polδ的相互结合, 进而直接抑制DNA复制[17]. 石磊等[18]研究发现乳腺癌细胞系MCF7内P21抑制POLD1基因的表达, 胃癌细胞内是否也存在这种抑制作用, 具体机制如何, 目前尚不清楚.
本研究通过将P21重组真核表达质粒pXJ41-p21转染到胃癌细胞MGC-803内, 使细胞高表达p21基因, 从而探讨了P21对胃癌细胞增殖和凋亡的影响, 及P21对POLD1基因的表达调控作用.
细胞凋亡结果显示, 高表达p21基因的胃癌细胞凋亡水平升高, 说明p21基因具有有促凋亡作用. 目前对于P21与细胞凋亡的关系还没有达成一致. P21的抑制凋亡作用与其胞质定位有关, 细胞质内的P21可抑制凋亡相关蛋白及减少对CDK2、PCNA的抑制作用从而起到抗细胞凋亡作用[19]. 而P21的促凋亡作用可能通过依赖或者不依赖P53的途径, 但其具体机制目前仍不清楚, 可能与DNA修复体系的成员相互作用或对P21的调节作用有关[20]. 最近研究表明, 对于无DNA损伤的P53激活的p21基因, 并不影响细胞凋亡[21].
MTT实验表明, 高表达p21基因的胃癌MGC-803细胞增殖速度受到明显抑制, 且邱荣元等[22]、谭晓虹等[23]证实野生型P21抑制了肝癌细胞的增殖. Plasilova等[24]干扰间充质干细胞P21表达后, 细胞生长明显比对照组快. 这些共同说明了野生型p21基因对细胞增殖的较广泛抑制作用.
更重要的是, p21基因高表达的胃癌MGC-803细胞POLD1基因表达在mRNA和蛋白水平都下调了, 即P21抑制了POLD1基因的表达. 以上结果表明, P21抑制癌细胞生长的同时也抑制了POLD1基因的表达. POLD1基因表达产物P125表达下调后, polδ的5'-3'聚合酶活性将不能充分发挥, DNA复制过程将受到影响, 从而细胞生长也受影响. 表明P21对POLD1的调控作用与DNA复制、细胞增殖等关系密切.
为了更深入地探讨P21对POLD1基因调控的可能机制, 我们通过荧光定量PCR的方法, 分析了P21高表达后其他细胞周期因子表达的变化, 以找到与P21对POLD1的调控机制相关的因子.
已知P21的N末端具有保守的CDK2/cyclin E结合位点, 使CDK2活性被抑制[25,26]. 但CDK2蛋白的缺失并不会阻滞细胞周期进程[27], CDK2缺失的情况下, P21可以与CDK1结合[28]. 据此我们推测P21对POLD1的调控与CDK2/cyclin E有关,但不应该是唯一的通路. 已有实验表明, 非磷酸化的pRb在G1期可以与P125结合[29], 而我们研究发现, P21可以上调Rb1基因的表达, 这为P21通过Rb1而间接调控POLD1的表达提供了一定的依据.
有文献[30-32]报道c-Myc可以下调p21基因的表达, 但反过来, P21对c-Myc的表达是否有影响未为可知. 我们的研究显示, P21对c-myc基因表达的影响并不明显. 他可能不作为P21对POLD1基因表达调控的一个间接因子.
总之, 我们的实验结果表明, P21影响了胃癌细胞的增殖及凋亡, 同时他可能通过影响CDK2/cyclin E、Rb1的基因表达而间接抑制POLD1基因的表达, 并且我们推测P21对癌细胞的增殖抑制作用可能与他对POLD1的抑制有关, 这需要我们作进一步的实验来证实, 且更深入研究P21对POLD1基因表达调控的具体通路显得非常重要, 可为抑制肿瘤细胞增殖提供一种新的思路.
P21是目前已知具有最广泛激酶抑制活性的细胞周期抑制蛋白, 他可以阻滞细胞周期进程, 抑制DNA的复制. 而DNA聚合酶δ是唯一与细胞周期相关、在DNA复制中起主导作用的DNA复制酶. 认识两者的关系有助于更深入理解DNA复制.
陈国忠, 副主任医师, 广西中医学院第一附属医院消化内科; 杜雅菊, 主任医师, 哈尔滨医科大学附属第二医院消化内科
有文献报道, 肝癌组织POLD1基因及P125蛋白的表达明显高于癌旁组织, 提示P125的高表达可能与肿瘤的发生、发展有重要的关系.
胃癌细胞内P21对POLD1基因的表达调控关系尚无报道. 而且调控的具体机制仍不清楚, 本文已筛选出一些相关因子, 为后续的研究奠定了基础.
P21对POLD1基因的表达调控与细胞周期、DNA复制关系密切, 可能为抑制癌细胞的恶性增殖提供一种新的思路.
本文创新性较好, 研究方法先进, 数据可靠, 具有较好的科学意义.
编辑:李薇 电编:何基才
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