ZIC1 modulerar cellcykelfördelningar och cellmigration genom reglering av Sonic hedgehog, PI
3K och MAPK signalvägar i magcancer Bild Sammanfattning
Bakgrund
ZIC1, en vital transkriptionsfaktor med zinkfingerdomäner, har implicerats i processen för neural utveckling. Vi visade tidigare att ZIC1 kan fungera som en tumörsuppressor i gastrointestinal cancer. Men fortfarande okänd den molekylära mekanismen underliggande ZIC1 deltagande i tumörprogression.
Metoder
roll ZIC1 på celltillväxt och migration undersöktes. Regleringen av Sonic hedgehog (Shh), fosfoinositid 3-kinas (PI 3K) och mitogen-aktiverat proteinkinas (MAPK) signalvägar efter ektopisk uttryck av ZIC1 i gastric cancerceller utvärderades.
Resultat
överuttryck av ZIC1 bidrar till hämningen av cellproliferation migration och cellcykelfördelning i magcancer. Moduleringen av G1 /S kontrollpunkt genom ZIC1 huvudsakligen medieras genom reglering av cyklinberoende kinaser (p21 Waf1 /Cip1, P27 Kip1 och cyklin D1). Dessutom kan ZIC1 inaktivera nivån av phospholated Akt och ERK1 /2, och transkriptionellt reglera sonic hedgehog (Shh) signalering, vilket sålunda leder till att reglera expressionen av p21 Waf1 /Cip1 och cyklin D1. Slutligen har vi system identifierat ZIC1 mål nedströms från cDNA microarray analys och visade att 132 gener nedregleras och 66 gener uppreglerade efter transfektion med ZIC1 i gastric cancerceller. Dessa gener spelar avgörande roller i celltillväxt, cellcykeln och cellrörlighet.
Slutsatser
Uttryck av ZIC1 resulterar i inaktivering av Shh, PI 3K och MAPK signalvägar, samt reglering av flera nedströms mål som är väsentliga för utvecklingen och utvecklingen av magcancer. ZIC1 fungerar som ett potentiellt terapeutiskt mål för magcancer.
Nyckelord
ZIC1 Sonic hedgehog Cellcykeltumör suppressor Bakgrund
ZIC1, en av fem Zic familjen gener, är inblandad i en mängd olika utvecklingsprocesser, inklusive neurogenesis och myogenes [1, 2]. Nyligen har ZIC1 dokumenterats att delta i utvecklingen av mänskliga tumörer inkluderande medulloblastom, endometrial cancer, mesenkymala neoplasmer och liposarkom cancer [3-6]. Vi har tidigare visat att ZIC1 genen betydligt nedregleras i magcancer vävnader och cellinjer jämfört med den normala mag vävnader. Dessutom ZIC1 tjänar potentiellt som en tumörsuppressor genom att hämma cellproliferation i gastriska och kolorektala cancerceller [7, 8]. Som en viktig transkriptionsfaktor, är ZIC1 viktigt att regleringen av Hedgehog-signalering (Hh), benmorfogenetiskt protein (BMP) och Notch-signalvägar i neural utveckling [2, 9]. Men lite är känt om hur ZIC1 reglerar signalvägar och deras nedströms mål i cancer progression relaterade.
Gastric cancer är den näst vanligaste orsaken till cancerrelaterad död i hela världen [10, 11]. Hh-signalering är en av de viktigaste onkogena signalvägar som är involverade i gastric cancer [12, 13]. Sonic hedgehog (Shh), en medlem av däggdjurs Hh familjen [14], har visat sig vara både uppreglerad i magcancer vävnader genom in situ hybridiseringsanalys och en förutsättning för utvecklingen av magcancer [13, 15]. Hh signalväg aktiveras genom Shh bindning med Patched (Ptch) - Smoothened (Smo) membranreceptorkomplexet [16]. Aktiveringen av Shh befrämjar magcancer celldifferentiering och proliferation. Det har rapporterats att ZIC1 skulle kunna minska uttrycket av Ptch1
och Shh
gener i neural vävnad under framhjärnan utveckling [17]. Däremot har bevis visat att Shh undertrycker uttrycket av ZIC1 under neuralröret utveckling [18]. Icke desto mindre, påverkan av ZIC1 på Hh-signaleringsvägen i gastric cancer förblir okända.
ZIC1 reglerar också många mål inklusive cyklin D1, p27, Wnt1 och Wnt7a under neural utveckling i Xenopus ektodermal explantat och muterade möss modeller [9, 19, 20]. Vi är särskilt intresserade av cellcykelregulatorer är viktiga för cancercelltillväxt och differentiering. Vi har tidigare visat att överuttryck av ZIC1 kan förändra G1 /S övergång i gastric cancerceller [8]. Flera mekanismer för cyklinberoende kinaser (CDK) är inblandade i regleringen av G1 /S checkpoint i humana cancerformer [21]. Under övergång från G1 till S-fasen, cyklin D, som bildar aktiva komplex med CDK4 uppregleras i magcancer [22, 23]. Förlust av cyklinberoende kinashämmare såsom p21 Waf1 /Cip1 och p27 Kip en främja CDK2-aktivitet och reglera G1 /S övergången [12, 24]. Nyligen genomförda studier har visat att mutant ZIC1 eller kraftöveruttryck av ZIC1 reglerar expressionen av p27 Kip 1 i möss cerebellära vävnader och med liposarkom celler [3, 20]. Intressant nog reglerar Shh signalväg negativt p21 Waf1 /Cip1 och cyklin D1 i en GLI1 beroende sätt [16, 25]. Men om ZIC1 kan samspela med Shh väg i regleringen av cellcykel distributioner inte har definierats. Klarläggande av denna signalering nätverk kan ge ytterligare insikt i rollen som ZIC1 i magcancer.
I vår aktuella studien visar vi att överuttryck av ZIC1 trycker magcancer cellmigration och invasion, liksom ändrar cellcykel distributioner. ZIC1 kan transkription nedreglera Shh signalering och undertrycka nivån på phospholated Akt och Erk, leder således till reglering av cellcykelregulator kinaser p21 Waf1 /Cip1, P27 Kip1 och cyklin D1 i gastric cancerceller. Vi identifierade också viktigt ZIC1 nedströms mål flera i gastric cancerceller genom cDNA microarray analys.
Resultat
ZIC1 hämmar proliferation, migration och invasion av gastric cancerceller
att bestämma effekten av ZIC1 på celltillväxt, vi utförde cellviabiliteten analys av MTS analyser i gastric cancerceller. Gastric cancercellinjer (AGS, MKN28, BGC823 och SGC7901) transfekterades med pCDNA3.1-ZIC1 eller pCDNA3.1 tom vektor. Transfektionseffektiviteten bekräftades genom RT-PCR och Western blot respektive (Figur 1A). Resultaten visade att antalet livsdugliga celler var signifikant undertryckas genom ektopisk expression av ZIC1 i en 5-dagars observations i BGC823 celler (Figur 1B). Undertryckandet av cellproliferation genom ZIC1 överensstämde med våra tidigare observationer i AGS och MKN28 gastric cancerceller, samt koloncancerceller [7, 8]. Figur 1 ZIC1 undertrycker celltillväxt och migration i magcancer. (A) Gastric cancercellinjer (AGS, MKN28, BGC823 och SGC7901) transfekterades stabilt med pCDNA3.1-ZIC1 eller pCDNA3.1 tom vektor. De uttrycksnivåer av ZIC1 mRNA och protein utfördes med RT-PCR (övre diagrammet) och Western blot (låg diagram). GAPDH och β-aktin användes som intern kontroll. (B) Cellviabiliteten för magcancer-cellinjen (BGC823) bestämdes genom MTS cellproliferationsanalys. Asterisken indikerar statistisk signifikans (** p < 0. 01). (C) Cellmigration bestämdes genom modifierad Boyden Transwell-kamrarna analyser efter inkubation i 16 timmar. Celler som migrerade till bottnen av membranet färgades med DAPI. (D) Antalet synliga migrations celler (medelvärde ± S.D.) uppskattades genom att räkna fem slump hög effekt fält (× 400 förstoring). Dessa experiment utfördes i triplikat. De representativa data visas. Asterisken indikerar statistisk signifikans (*** p < 0,001).
Dessutom bestämde vi den roll ZIC1 i cell migration och invasion i magcancer. Cell migration och invasionsanalyser utfördes i transwell migration och Matrigel-belagda invasion analyssystem, respektive. Vi observerade att återuttryck av ZIC1 tryckt cellmigration avsevärt i AGS, BGC823 och SGC7901 gastric cancercellinjer (p < 0,001) (Figur 1C, D). Dessutom åter uttryck av ZIC1 visade en betydligt lägre aktivitet av cellulär invasion i jämförelse med de tomma vektor transfektanter i AGS celler (p < 0,05) (Ytterligare fil 1: Figur S1). Dessa data tyder på att ektopisk expression av ZIC1 trycker magcancer cellmigration och invasion.
ZIC1 förändrar cellcykel distributioner och reglerar uttrycket av cyklinberoende kinaser i gastric cancerceller
För att ytterligare förstå mekanismerna bakom hämningen av celltillväxt genom överuttryck av ZIC1, vi utvärderade cellcykelfördelningar i gastric cancerceller. Vi observerade en högre andel av celler i G1-fasen i AGS (42,74%) och SGC7901 (54,03%) cellinjer efter överuttryck av ZIC1. Men i cellerna transfekterade med en kontrollvektor, var andelen minskade både i AGS (32,66%) och SGC7901 (47,00%) och andelen av celler i S-fas var relativt ökade (Figur 2A). Det är väl accepterat att p21 (även känd som p21 Waf1 /Cip1) och p27 (även känd som p27 KIP1), två huvud cyklinberoende kinashämmare, krävs för upphörande under posten till S-fas [26]. Aktiveringen av cyklin D1, dock främst ansvarar för att reglera G1-S-fasen övergången [23]. Vi visade att expressionsnivån av cyklin D1 protein minskades medan p21 och p27 var markant induceras i gastric cancerceller transfekterade med pCDNA3.1-ZIC1 jämfört med de pCDNA3.1 tomma vektor transfektanter (Figur 2B). Vi utvärderade också cellen apoptos fördelningarna i pCDNA3.1-ZIC1 eller pCDNA3.1 vektor transfektanter i AGS och MKN28 celler, men inga uppenbara skillnader i cell apoptos iakttogs (Ytterligare fil 2: Figur S2). Därför är dessa resultat stöder att överuttryck av ZIC1 förändrar de cellcykelfördelning genom reglering av cyklin-beroende kinaser p21, p27 samt cyklin D1 i gastriska cancerceller. Figur 2 ZIC1 förändrar cellcykelfördel genom reglering av p21, p27 och cyklin D1 i gastric cancerceller. (A) Cellcykelfördel detekterades genom flödescytometrianalys i AGS och SGC7901 celler efter övergående transfektion med pCDNA3.1-ZIC1 eller pCDNA3.1 tom vektor under 24 timmar. (B) De uttrycksnivåer av p21, p27 och cyklin D1 bestämdes genom Western blot. β-aktin detekterades som en belastningskontroll. Densitometri värden uttrycks som faldig förändring jämfört med pCDNA3.1 vektorkontrollvärden normaliserade till 1. (C) De uttrycksnivåer av phospholated Akt och ERK1 /2, samt total Akt och ERK1 /2 undersöktes med Western blöt.
MAPK och PI 3K vägar spelar viktiga roller i regleringen av cellcykelkinaserna. Vi utvärderade ett uttryck för huvud effektorer av dessa två vägar nedströms, ERK1 /2 och Akt, efter stabilt införa pCDNA3.1-ZIC1 till AGS, MKN28, BGC823 och SGC7901 gastric cancerceller (Figur 1A). Vi fann att fosforyleringsnivåer av ERK1 /2 och Akt dramatiskt undertryckas genom överuttryck av ZIC1 i alla ovan testade cellinjer (Figur 2C). Dessa resultat tyder på att regleringen av cell cylce fördelning av ZIC1 kan förmedlas genom PI 3K och MAPK vägar och deras nedströms cyklinberoende kinaser p21, p27 och cyklin D1 i magcancer.
ZIC1 undertrycker uttrycket av Sonic hedgehog (Shh) i gastric cancerceller
molekylär karakterisering har visat att ZIC1
har zinkfingerdomäner och kunde motverka med GLI1 genom att binda till GC-rika sekvenser [2]. GLI1 är en nedströms mål av hedgehog (hh) signalväg som är nödvändig för magcancer utveckling och progression [9, 27]. Vi antar att Hh signalväg kan vara inblandade i ZIC1 regleringen av magcancer cellcykeln och cellmigration. Att behandla denna fråga, undersökte vi uttrycket av Sonic hedgehog (Shh), en viktig medlem av Hh familj, i gastric cancerceller efter överuttryck av ZIC1. Vi fann att återuttryck av ZIC1 minskar effektivt Shh uttryck i BGC823 och SGC7901 cellinjer genom western blot-analys (figur 3A). Dessutom visade RT-PCR-analys att avskriften nivå Shh är också betydligt nedregleras i gastric cancerceller transfekterade med ZIC1 relativt tomma vektor transfektanter (p < 0,01) (Figur 3B) (Ytterligare fil 3: Figur S3). . Sammantaget våra resultat tyder på att ZIC1 transkription kan reglera uttrycket av Shh i gastric cancerceller. Figur 3 ZIC1 hämmar uttrycket av Sonic hedgehog (Shh). (A) Uttrycket av Shh-protein analyserades genom Western blöt i BGC823 och SGC7901 celler stabilt transfekterade med pCDNA3.1-ZIC1 eller pCDNA3.1 tom vektor. (B) Uttrycket nivån Shh-mRNA bestämdes genom realtids kvantitativ RT-PCR-analys. Den relativa expressionsnivån uttrycktes som faldig förändring (medelvärde ± SEM) jämfört med pCDNA3.1 tom vektor normaliserad till 1.
Hedgehog (Hh) signaleringsvägen är involverad i den ZIC1 regleringen av cellcykeln och cellmigration i magcancer celler
att bestämma effekten av Shh på cellcykel distributioner, försökte vi undersöka effekterna av farmakologiska hämmare av Hh-signalering på uttrycket av p21 och cyklin D1. AGS, BGC823 och SGC7901 gastriska cancercellinjer behandlades med cyklopamin (10 ^ M), en steroidal alkaloid som interagerar direkt med Smo att inhibera Hh-signalering [28], eller DMSO-kontroll under 24 timmar. Vi observerade att uttrycksnivån för p21 var markant uppregleras medan cyklin D1 nedregleras efter tumörceller behandlades med cyklopamin (Figur 4A). Att notera, blockerar Shh signalväg genom administration av cyklopamin inte påverkar expressionsnivåer av ZIC1 mRNA i BGC823 och SGC7901 celler genom RT-PCR-analyser (Figur 4B). Den frånvarande eller lågt uttryck av ZIC1 mRNA i gastric cancerceller huvudsakligen mediterade av promotor DNA-metylering som vi beskrivit tidigare [8]. Figur 4 Hh-signaleringsvägen är involverad i uttrycket av p21, cyklin D1 och reglering av cellmigration. AGS, BGC823 och SGC7901 gastriska cancerceller behandlades med cyklopamin (10 ^ M), en steroidal alkaloid som interagerar direkt med Smo att inhibera Hh-signalering, eller DMSO-kontroll under 24 timmar. (A) De uttrycksnivåer av p21 och cyklin D1 bestämdes genom western blöt i AGS, BGC823 och SGC7901 celler. (B) Uttrycket nivån ZIC1 mRNA undersöktes genom konventionell RT-PCR. (C) Cellmigration bedömdes genom modifierad Boyden Transwell-kamrarna analyser. Celler som migrerade till bottnen av membranet färgades med DAPI. (D) Den genomsnittliga antalet synliga migrationsceller (medelvärde ± S.D) beräknades på fem slumpmässiga hög effekt fält (× 400). Asterisken indikerar statistisk signifikans (*** p < 0,001).
Vi utvärderade också effekterna av Shh signalering på magcancer cell migration. Såsom visas i fig 4 C och D, AGS, BGC823 och SGC7901 gastric cancercellinjer visade signifikant minskning i cellulär migration efter administrering med cyklopamin (10 ^ M) under 24 h (p < 0,01). Sammantaget visar dessa resultat att ZICI kan modulera cellcykelregulatorer och cellmigration genom Shh signalering i gastric cancerceller.
Genuttryck profiländringar med ektopisk uttryck för ZIC1
Att systematiskt bestämma mål för ZIC1 nedströms, genomförde vi en affymatrix oligonukleotid microarray i MKN28 gastric cancerceller med eller utan pCDNA3.1-ZIC1. Med hjälp av en cut-off på > 1,5 gånger för statistisk signifikans, avslöjade en mikromatris som 132 gener nedregleras medan 66 gener är uppreglerade av exogen expression av ZIC1 (representativa gener visas i figur 5A). Många gener har rapporterats spela kritiska roller i celltillväxt, cellcykeln och cellmigration enligt gen funktionsanalys (http:.. //Www genecards org) (Figur 5B). Till exempel, till två viktiga cellcykelregulatorer TP53INPI Köpa och CDKN2B
återfinns ska avregleras i MKN28 celler transfekterade med pCDNA3.1-ZIC1. Våra resultat visar att ZIC1 potentiellt reglerar multipla nedströms gener involverade i gastrisk tumörgenes. Figur 5 genexpression profiländringar efter ektopisk expression av ZIC1. (A) genuttrycksprofilerna i pCDNA3.1-ZIC1 eller tomma pCDNA3.1 vektor stabila transfektanter analyserades med cDNA microarray i MKN28 celler. Representativa gener visas på den högra sidan av heatmap bilden med en cut-off > 1,5 eller < -1,5 Gånger så stor skillnad ,. (B) gener som är involverade i cellcykeln, celltillväxt och cellmigration enligt gen funktionsanalys (http:.. //Www genecards org) presenteras. Relativ faldig förändring uttrycks med förhållandet mellan pCDNA3.1-ZIC1 kontra pCDNA3.1 kontroll. (C) Systemisk förståelse av vägar för ZIC1 reglering av signalering och målgener i utvecklingen och utvecklingen av magcancer.
Diskussion
växande bevis har visat att ZIC1 är involverad i utvecklingen av flera tumörer [3-8] . Det förefaller som om ZIC1 är abnormt uttryckta i vissa typer av cancer och differentiellt fungerar som en tumörsuppressor eller onkogena genen. Till exempel var ZIC1 uttryck rapporterats vara låg eller obefintlig i mag-tarmkanalen och lungcancercellinjer, och befanns hämma mag-tarmcancer celltillväxt [7, 8, 29]. Däremot var överuttryck av ZIC1 i liposarkom funnit att främja celltillväxt och invasion [3]. Vi och andra har visat att de epigenetiska module inklusive DNA-metylering och histon ombyggnad, och genetiska mutationer kan bidra till dess differentiella uttrycksmönster i cancer [3, 4, 7, 8]. Det blir tydligt att som ett zinkfingertranskriptionsfaktor kan ZIC1 modulera flera nedströms gener i nervvävnad, kolorektal cancer och liposarkom celler [2, 3, 7, 9]. Men lite är känt om mekanismen bakom ZIC1 funktion i utvecklingen och utvecklingen av magcancer. Understryker de viktigaste vägar och nedströms mål regleras av ZIC1 kan underlätta förståelsen av sina roller i tumörbildning. Här har vi visat att överuttryck av ZIC1 resulterar i signifikant inhibering av cellöverlevnad och försämring av cellmigration. ZIC1 dämpar Shh, PI3K och MAPK signalvägar som är kritiska för reglering av cellcykel distributioner och cellmigration i magcancer. Dessutom ZIC1 hämmar cellcykelreglerings kinaser, p21, p27 och cyklin D1, vilket leder till G1 /S cellcykel transit i gastric cancerceller. ZIC1 trycker Shh signalväg som är avgörande för regleringen av cellcykel distributioner och cellmigration i magcancer.
MAPK och PI 3K vägar spelar avgörande roller i celltillväxt, differentiering och progression i en mängd olika humana cancerformer [30]. Nyligen blev det också rapporterats att aktivering av båda vägarna är avgörande för att inducera cellcykeln inträde [30, 31]. Under denna process, cyklinberoende kinashämmare p21, p27 och cyklin D /E delta i regleringen av p53 inducerad cellcykelstopp [24, 32]. Aktiveringen av MAPK och dess nedströms kinas-Erk kunde inte bara leda till induktion av cyklin D1 och passera genom G1 /S checkpoint, utan även ackumulering av p21 som inhiberar cyklin E /CDK2-komplex för att blockera S-fasinträde [30] . PI 3K /Akt signalvägen kan inaktivera GSK3-P och FOXO transkriptionsfaktorer, vilket hämmar cyklin D1 medan inducera p27 och p21 i regleringen av cellcykel inträde [31]. Vi har visat att återuttryck av ZIC1 effektivt inaktivera fosforylerade Akt och ERK1 /2 i AGS, MKN28, BGC823 och SGC7901 gastric cancercellinjer. I detta avseende var CDK1 inhibitor p21 den aktiverade, medan cyklin D1 inaktiveras, efter överuttryck av ZIC1 i gastric cancerceller. Även om resultaten måste valideras i framtida studier, har våra miroarray data visade att andra viktiga komponenter i cellcykelkinasregulatorer inklusive TP53INPI Mössor och CDKN2B
, avregleras med forcerad uttryck av ZIC1 i ett enskilt MKN28 gastric cancercell linje (figur 5 A och B). Därför föreslår vi att ZIC1 reglerar G1 /S transit främst genom PI 3K och MAPK vägar och nedströms cellcykelregulator kinaser i gastric cancerceller.
Annan stor upptäckt i vår nuvarande studie att ZIC1 reglerar transkription Sonic hedgehog (Shh) signalering i gastric cancerceller. Bortsett från sin centrala roll på reglering funduskörtlar morfogenes i människans mage, är Shh signalering också involverad i patogenesen av magcancer [16, 33]. Shh ofta aktiveras i avancerad magsäcks adenokarcinom och i samband med aggressiv tumör beteende [13, 15, 33]. Tidigare studier har visat att Shh-signalering främjar motilitet och invasivitet av gastriska cancerceller genom TGF-β-ALK5-Smad3 pathway [34]. Shh signalering kan också reglera uttrycket av p21 och cyklin D1 i en Gli-beroende väg [16, 25]. Vi har observerat att hämning av Shh signalering genom administrering med cyklopamin undertrycker AGS, BGC823 och SGC7901 magcancer cellmigration, och reglerar uttrycket av p21 och cyklin D1 (Figur 4). Dessa resultat överensstämmer med tidigare rapporterade studier [25, 34]. Sålunda har vi visat att ZIC1 spelar viktiga roller i magcancer progression genom reglering av Shh signalväg.
ZIC1 kan reglera målgener i både sekvensspecifika och oberoende sätt [9]. ZIC1 kunde reglera transkriptions uttryck av mål inklusive cyklin D1, P27, Wnt1 och Wnt7a, och modulera Notch och BMP vägar i neural utveckling [2, 9]. ZIC1 kunde motverka GLI genom att binda till GC-rika sekvenser, och undertrycka uttrycket av GLI-bindande sekvens riktad reportergener [9, 35]. Vi identifierade flera zic potentiella målgener i gastric cancerceller genom microarray analys. Dessa mål är nära relaterade till cellcykeln, cellproliferation och migration (figur 5B). Sambandet mellan zic och mål nedströms kan vara en ledtråd för att förstå den potentiella perspektiv Zic proteiner i utvecklingen av magcancer.
Slutsatser
summariskt, föreslår vi en modell som representerar de vägar genom vilka ZIC1 bidrar till magcancer progression (figur 5C). Överuttryck av ZIC1 resulterar i att undertrycka Hedgehog (Hh) signalering och dess efterföljande mål inklusive p21, p27 och cyklin D1. Som ett zinkfingertranskriptionsfaktor, ZIC1 också potentiellt modulerar den transkriptionella uttrycket av målgener genom att direkt binda till GC-rika sekvenser [2], vilket således fungerar som en tumörsuppressor genom hämning av cellproliferation, cellmigration och invasion i magcancer.
Metoder
Cellodling och behandling
De humana gastriska cancercellinjer (AGS, MKN28, BGC823 och SGC7901) erhölls från Riken Gene Bank (Japan) och American Type Culture Collection (ATCC, Manassas, VA, USA ). Alla cellinjer odlades i RPMI 1640-medium (Invitrogen, CA, USA) kompletterat med 10% fetalt bovint serum (FBS) och inkuberades vid 5% CO 2, 37 ° C och 95% luftfuktighet. Gastriska cancercellinjer (AGS, BGC823 och SGC7901) behandlades med 10