PLOS ONE: Förhöjda nivåer av G-quadruplex Bildning i människans mage och levercancer Tissues

Abstrakt

Fyra trängade G-quadruplex DNA sekundära strukturer har nyligen visualiseras i kärnan av humana odlade celler. Här visar vi att BG4, en G-quadruplex specifik antikropp, kan användas för att färga DNA-G-quadruplex strukturer i patienthärledda vävnader med hjälp av immunhistokemi. Vi observerar en signifikant förhöjd antal G-quadruplex-positiva kärnor i humana cancrar i levern och magsäcken i jämförelse med bakgrunden icke-neoplastisk vävnad. Våra resultat tyder på att G-quadruplex bildning kan detekteras och mätas i patienten härledda material och att förhöjda G-quadruplex bildning kan vara en egenskap hos vissa cancer

Citation:. Biffi G, Tannahill D, Miller J, Howat WJ, Balasubramanian S (2014) Förhöjda nivåer av G-quadruplex Bildning i människans mage och levercancer vävnader. PLoS ONE 9 (7): e102711. doi: 10.1371 /journal.pone.0102711

Redaktör: Mark Isalan, Imperial College London, Storbritannien

emottagen: 28 maj, 2014; Accepteras: 23 juni 2014; Publicerad: 17 juli 2014

Copyright: © 2014 Biffi et al. Detta är en öppen tillgång artikel distribueras enligt villkoren i Creative Commons Attribution License, som tillåter obegränsad användning, distribution och reproduktion i alla medier, förutsatt den ursprungliga författaren och källan kredit

datatillgänglighet. Det författarna bekräftar att all data som ligger till grund resultaten är helt utan begränsning. Alla relevanta uppgifter finns inom pappers- och dess stödjande information filer

Finansiering:. Författarna tackar Cancer Research UK för programbidrag (C9681 /A11961) och kärn institutionell finansiering till Balasubramanian labb, och en doktorand för GB (http://www.cancerresearchuk.org). Finansiärerna hade ingen roll i studiedesign, datainsamling och analys, beslut att publicera, eller beredning av manuskriptet

Konkurrerande intressen:.. Författarna har förklarat att inga konkurrerande intressen finns

Introduktion

Icke-kanoniska G-quadruplex DNA sekundära strukturer kan bildas från guanin-rika DNA-sekvenser av typen G _{3 + N L1 G 3 + N L2 G 3 + N L3 G 3+ (N = vilken bas och L = slinga) och sådana sekvensmotiv är vanliga i hela det mänskliga genomet [1], [2]. G-quadruplexes är fyra trängade strukturer som omfattar staplar av tetrads bildas genom Hoogsteen vätebindning av fyra guaniner samordnas av en central monovalent katjon [3]. Oligonukleotider viks till ett G-quadruplex struktur In vitro
har en hög termodynamisk stabilitet under nära fysiologiska förhållanden, i överensstämmelse med deras bildning i celler [4]. Den förutspådda placering av G-quadruplex sekvensmotiv i regulatoriska regioner av genomet, såsom promotorer och telomerer, tyder på att G-quadruplex strukturer kan ha viktiga roller i genomet funktion [5] - [7]. Ett antal helikaser att lösa G-quadruplexes har identifierats och är en hypotes att bidra till normala genomet funktioner såsom replikation, transkription och upprätthållandet av genomet stabilitet [8]. Visualisering av DNA-G-quadruplex strukturer i humana celler har stött förekomsten av G-quadruplexes i genomet [9]. I dessa experiment, var ett mycket selektivt G-quadruplex-specifik antikropp (BG4) som genereras av fag-display och användes för att visualisera diskreta foci av G-quadruplex strukturer i kärnan av humana vävnadsodlingscellinjer. Denna antikropp har gett en möjlighet att sondera den cellulära rollen för G-quadruplexes och även deras potentiella inblandning i sjukdom.}

G-quadruplex strukturer har föreslagits för att vara associerade med cellulära funktioner såsom replikation och transkription. Till exempel, kan G-quadruplex stabilisering genom en liten molekyl trycka transkriptionen av vissa onkogener och /eller inducera DNA-skada vid telomerer och onkogener som leder till replikationsdefekter och celldöd [10] - [17]. G-quadruplex strukturer kan också kopplas till genom instabilitet och G-quadruplex sekvensmotiv har visat proximalt DNA brytpunkter och platser av somatisk antal kopior förändringar ses i flera cancerformer [18], [19]. Helikaser att lösa G-quadruplexes finns också lokaliserade på platser av genomet instabilitet [20] - [22], och sjukdomar såsom Blooms och Werners syndrom, som visar ökade nivåer av genomet instabilitet och en predisposition för cancer, har bidragande mutationer i G -quadruplex-lösa helikaser [23].

med tanke på hur förhållandet mellan G-quadruplex strukturer och mänsklig sjukdom, är det ett viktigt mål att ta itu med om G-quadruplexes kan detekteras inom mänskliga vävnader. Vi undersökte därför detektering av DNA-G-quadruplexes i patienthärledda vävnader och om det finns skillnader i G-quadruplex nivåer mellan icke-neoplastiska och cancervävnader. Genom att använda G-quadruplex-specifik antikropp, BG4, i immunhistokemi med formalinfixerade paraffininbäddade (FFPE) vävnadsmicroarray sektioner, vi har upptäckt utbredd DNA G-quadruplex bildning i kärnan av humana vävnader. Kvantifiering av BG4-positiv cellkärnor avslöjade mer omfattande bildning av G-quadruplex strukturer i magen och levercancer jämfört med motsvarande bakgrund icke-neoplastiska vävnader. Dessa resultat tyder på att behandlingen av G-quadruplex strukturer är mis-reglerad i vissa humana cancerformer.

Resultat och Diskussion

Vi bestämde oss för att demonstrera närvaron av G-quadruplexes i kärnan av mänskliga vävnader och att undersöka om det finns några skillnader är uppenbara i patientgenererade cancervävnader. Vår strategi baserades på detektion av kärn G-quadruplexes genom immunhistokemi (IHC) med G-quadruplex-specifik antikropp, BG4, icke-neoplastiska och cancervävnad microarrays (TMA). Specificitet och selektivitet BG4 för G-quadruplex strukturer och tillämpningen av BG4 i immunofluorescens (IF) mikroskopi på humana celler har tidigare beskrivits [9]. För att bestämma lämpligheten BG4 för IHC, först testade vi denna antikropp i ett modellsystem med hjälp av sektioner från FFPE cellpellets av MDA-MB-231 bröstcancerceller som tidigare observerades för att visa kärn G-quadruplex fokus genom IF mikroskopi [9] . Som epitopretrieval, antingen värme-medierad (i citrat-baserade pH 6,0 eller Tris /EDTA-baserade pH 9,0 buffertar) eller enzymatisk (med proteinas K), krävs ofta för att exponera antigena ställen innan antikroppsbindning, jämförde vi dessa tre standard epitop hämtning förbehandlingar. Efter BG4 inkubation färgning utfördes genom inkubation med en sekundär anti-FLAG-antikropp, som känner igen en FLAG tag epitop närvarande i BG4 antikropp, följt av Leica pepparrotsperoxidas polymerbaserad upptäckt med hjälp av Bond IHC färgnings plattform. Efter detta protokoll, var intensiv kärnfärgning observeras med BG4 endast efter epitopretrieval (Figur 1B och S1). Ingen färgning observerades i frånvaro av förbehandling (Figur 1A) och kontroller som utförs i frånvaro av BG4 visade att epitopretrieval med citrat baserad buffert gav mindre bakgrund än den som med Tris /EDTA (Figur 1C och S1), medan pre -behandling med proteinas K ledde till icke-specifik nukleär färgning även i frånvaro av BG4 (figur S1). Dessutom, efter epitopretrieval med citrat eller Tris /EDTA-buffertar, ledde DNas I-behandling före BG4 färgning till en kraftig minskning av BG4 kärnsignalstyrka (figur 1D och S1), vilket ytterligare bekräftar upptäckten av DNA G-quadruplexes. Kärnkrafts BG4 signal ses i IHC är förenligt med tidigare upptäckt av BG4 härdar i kärnan av vävnadsodlingsceller [9].

Efter att ha fastställt en IHC protokoll för BG4, först bekräftade vi att biopsier icke-neoplastisk human vävnadsprover kan färgas med BG4. I allmänhet observerade vi varierande BG4 färgningsmönster över många vävnader tyder skillnaderna i bildandet av G-quadruplexes mellan vävnader och även mellan celler inom samma vävnad (Figur S2). Dessa resultat indikerar att den totala bildningen av DNA-G-quadruplexes i komplexa mänskliga vävnader kan bedömas med hjälp BG4 i IHC, och därigenom förlängning av visualisering av G-quadruplex strukturer bortom IF mikroskopi i vävnadsodlingsceller. I en preliminär undersökning av BG4 färgning på cancervävnader jämfört med bakgrunden icke-neoplastisk vävnad, skillnader i BG4 färgningsintensitet eller distribution verkade mest övertygande (data visas ej), och i många fall noggrann kvantifiering var inte möjligt på grund av stora skillnader i morfologi och närvaron av flera celltyper i malign kontra icke-neoplastisk vävnad. I kontrast, för lever och mage, vår preliminära undersökning antydde att dessa vävnader fanns lätt kvantifierbar på grund av att ett mer enhetligt utseende inom och mellan icke-neoplastiska och cancervävnader. Vi använde därför Aperio Imagescope Nuclear (v9) bildanalys programvara för att kvantifiera andelen BG4-positiva kärnor som finns i TMA. En separat bildanalys klassificerare har utvecklats för varje vävnadstyp att exakt identifiera och separata röra föremål, med maligna och icke-neoplastiska proven värderade med hjälp av samma parametrar för exakt jämförelse. Påfallande, i nio fall som vi hade dubbletter levercancer TMA kärnor med motsvarande matchade bakgrunden icke-neoplastisk vävnad tas från samma patient, observerade vi ett mycket större antal BG4-positiva kärnor i cancer (medelvärde 60,3 ± 5,4%) jämfört med icke-neoplastiska (medelvärde 18,3 ± 2,12%) vävnadskärnor (Figur 2). När enskilda cancer fenotyper undersöktes, fann vi att både hepatocellulär cancer (HCC) och intrahepatisk cholangiocarcinoma (ICC) visade signifikant större kärnkrafts BG4 färgning jämfört med icke-neoplastisk vävnad (Figur 2A-D och G). Även om HCC och ICC har olika cellulära ursprung, utvecklas från hepatocyter eller gallgångsceller cholangiocytes respektive, båda visade en större antal och intensitet BG4-positiva kärnor jämfört med den icke-neoplastisk levervävnad. Vidare i metastaser (isolerad från stora cell odifferentierade lungkarcinom platser) en ökning av BG4-positiv färgning noterades också (Figur 2E-G). Vi observerade klara skillnader mellan icke-neoplastiska och tumörvävnad för ett antal olika patientfall. Faktum är att en mer omfattande analys av cancer och bakgrunds icke-neoplastiska TMA kärnor inklusive oöverträffade fall visade återigen en ökning av BG4-positiva kärnor över HCC, ICC och metastaser (figur 3A). När samtliga fall ansågs tillsammans ades en ~2.4-faldig ökning i antalet BG4-positiva kärnor sett i levercancer jämfört med icke-neoplastisk vävnad. (P < 0,001, figur 3B) katalog

I likhet med den ökning av G-quadruplex incidens i levercancervävnad, en större än 3-faldig ökning i antalet BG4-positiva kärnor observerades i magen adenocarcinom och klackring cellkarcinom jämfört med bakgrunden icke-neoplastisk vävnad tagen från samma individ (Figur 4). En mer omfattande analys av magcancer och icke-neoplastiska vävnader inklusive oöverträffade fall bekräftade ökningen av antalet BG4-positiva kärnor ses i magcancer jämfört med icke-neoplastisk vävnad (Figur 5). Faktum är att i de enskilda magcancer subtyper, adenokarcinom (ursprung från körtel epitel), signetring cellscancer (adenocarcinom kännetecknas av mucin nedfall) och gastrointestinala stromala tumörer (GIST, KIT-uttryckande sarkom av mesenkymalt ursprung), visade alla större antal BG4-positiva kärnor jämfört med icke-neoplastisk magvävnad (figur 5A). När samtliga fall ansågs tillsammans, ~3.1 gånger fler BG4-positiva kärnor hittades i cancer jämfört med icke-neoplastiska vävnader (figur 5B, P < 0,001). Det är anmärkningsvärt att flera mage tumörundertyper, som har olika etiologier och progression, alla kännetecknas av ökad BG4 färgning. Dessa resultat är därför mycket tyder på en generell koppling mellan en ökad närvaro av G-quadruplex strukturer och magcancer utveckling.

I levern och magen TMA, vissa cancervävnadskärnor visade liten eller ingen mätbar BG4 färgning, kanske återspeglar en fråga i epitop stabilitet under kirurgisk biopsi samling eller alternativt pekar på en verklig variation i G-quadruplex bildning i dessa speciella vävnader. Det är dock anmärkningsvärt att inte i något fall var alla icke-neoplastisk lever- eller magen vävnad omfattande BG4-positiv. Denna senare iakttagelse bekräftar vidare att ökningen av antalet BG4-positiva celler som ses i de cancer TMA kärnorna återspeglar en verklig skillnad i G-quadruplex närvaro mellan de icke-neoplastiska och maligna tillstånd. Analys av G-quadruplex färgning i andra cancerformer kan därför vara möjligt och vår preliminär analys av bukspottkörteln vävnad tyder på att medan BG4 färgning i icke-neoplastiska bukspottkörteln är utbredd, det finns en ~1.6-faldig ökning av BG4 nukleär färgning i adenokarcinom vävnader ( P <. 0,01, Figur S3) katalog

Sammantaget våra resultat visar att G-quadruplexes kan visualiseras genom IHC i icke-neoplastiska och cancer mänskliga vävnader utöka våra tidigare fynd som avslöjade förekomsten av G-quadruplex strukturer kärnorna hos odlingscellinjer [9]. Det är anmärkningsvärt att vi observerade en ökning i antalet G-quadruplex-positiva celler för vissa cancervävnader jämfört med icke-neoplastiska fall. De data som vi presenterar i sig inte förklara varför fler G-quadruplexes framgår i fall av mag- och levercancer. Det finns dock flera rader av bevis i litteraturen som tyder på en potentiell förening eller orsakssamband mellan G-quadruplexes och mekanismer som bidrar till cancerutveckling eller progression. Till exempel, G-quadruplex strukturer, om inte löst under DNA-replikation, kan representera ömtåliga webbplatser som främjar genomet instabilitet, vilket är ett välkänt kännetecken för cancer [24]. I själva verket är G-quadruplex sekvensmotiv finns på DNA brytpunkter som leder till flyttningar inom BCL2-genen i lymfom och inom HOX11 genen i T-cells leukemi [25], [26]. Beräknings analyser har också föreslagit möjliga sammanslutningar av G-quadruplexes och brytpunkts regioner i olika cancerformer [19].

Vår hypotes är att en ökning av genomiska G-quadruplexes i cancer kan uppstå från mutationer i enzymer som bearbetar G-quadruplexes och /eller genomisk instabilitet vid G-quadruplex sajter. Till exempel, Fanconis anemi, Bloom och Werners syndrom, alla visnings genomet instabilitet med en predisposition för cancer [27] - [29] samt resultat från mutationer i DNA Heli enzymer som har G-quadruplex-lösa aktivitet [30] - [32] . Nyligen genomvida studier har också visat att det erkännande av G-quadruplex sekvenser med ytterligare lösa helikaser såsom ATRX, PIF1 och XPB /D [20] - [22]. Vidare har PIF1 föreslagits för att undertrycka genomisk instabilitet på G-quadruplexes [22], medan ATRX förlust är associerad med kromosom instabilitet i pankreas neuroendokrina tumörer [33], och XPD mutationer störa nukleotid excision DNA-reparation som leder till cancerbenägna sjukdomar sådana som Xeroderma pigmentosum [34].

verkar det som lever och mage cancer är mycket heterogen och inte kännetecknas av en gemensam genetisk signatur eller en mycket representerade drivande mutation som helt enkelt kan förklara den observerade ökningen av G-quadruplex strukturer . Medan många levercancer är förknippade med hepatit B eller C-infektion, den patologiska information som erhållits med TMA indikerar att det inte finns något samband med BG4 färgning. Som ett led i det fortsatta arbetet, kommer det att vara av värde för att analysera icke-neoplastiska och maligna tumörprover för de fall där hela-genomet sekvensering har använts för att belysa den genetiska bakgrunden av tumör /icke-neoplastiska par, för att fastställa sambandet mellan genotyp och G-quadruplex bildning i cancer.

Sammanfattningsvis rapporterar vi användningen av G-quadruplex-specifik antikropp, BG4, i IHC färgningsexperiment av humana icke-neoplastiska och cancervävnader. Denna studie har gjort det möjligt för oss att identifiera en signifikant högre närvaron av DNA-G-quadruplex strukturer i kärnan av mag- och levercancerceller jämfört med motsvarande icke-neoplastiska vävnader. Vår hypotes är att dessa skillnader kan vara beroende av förändringar av cellulära processer som reglerar genomet stabilitet eller förändringar i kromatin tillstånd vid G-quadruplex platser i cancervävnader. Våra resultat stödjer möjligheten att cancerceller kan ge ett fönster av selektivitet som skulle göra dem mer känsliga än icke-neoplastiska celler mot en liten molekyl G-quadruplex inriktning strategi.

Material och metoder

Fixering, inbäddning, sektionering och färgning av cellpellets genomfördes av histopatologi kärntjänsten vid Cancer Research UK Cambridge Institute. Immunohistokemi (IHC) utfördes med användning av standardmetoder på en automatiserad Leica Bond plattform med smärre variationer. I korthet innebar detta vävnader fixerade i 24 h vid rumstemperatur (RT) i 10% neutral buffrad formalin och bearbetades med användning av en Leica ASP300 vävnadsprocessor med de-hydratisering genom en graderad etanolserie, clearing i xylen och infiltration med smält paraffinvax. Inbäddning utfördes på en Leica EG1160 inbäddning station och sektioner skars vid 3 | j, m med en mikrotom, flöt på ett vattenbad inställt på ~45-50 ° C tills den är slät och platt, före insamling på ett objektglas och torkning vid 60 ° C under 1 timme. De-vaxning och åter hydrering genomfördes med hjälp av en automatiserad Leica ST5020 multistainer. MDA-MB-231 humana bröst adenokarcinoma celler erhölls från ATCC LGC Standards. För MDA-MB-231 cellpellets, var epitopretrieval utfördes vid 100 ° C under 20 min med Bond epitopretrieval Lösning 1 (citrat baserad buffert pH 6,0) eller Bond epitopretrieval lösning 2 (Tris /EDTA-baserad buffert pH 9,0) eller vid 37 ° C under 10 min med Bond enzymförbehandling kit (100 | ig /ml proteinas K i Tris-buffrad saltlösning, ytaktivt medel och 0,35% ProClin 950) för att hitta det bästa skick. Kommersiellt tillgängliga humana vävnads mikroarrayer med lämplig etiskt godkännande i hemlandet köptes från Insight Bio UK (för USA Biomax Inc. arrayer) och BIOCAT, Tyskland eller Stretton Scientific, UK (för Accumax, Isu Abxis arrayer). Epitopretrieval utfördes vid 100 ° C under 20 min med citratbuffert. BG4 färgning utfördes vid RT på en automatiserad Leica Bond instrumentet med en kanin polymer kit (Leica) efter en 15 min inkubation med BG4 och en 8 minuters inkubation med en anti-FLAG polyklonal kaninantikropp (Cell Signa Technology). Objektglasen därefter motfärgades under 5 minuter med 0,02% haematoxylin att visualisera cellkärnorna. De-hydrering och clearing gjordes på en automatiserad Leica ST5020 multistainer och montering utfördes på en automatiserad glas coverslipper Leica CV5030. Diabilder scannades med en Aperio XT120 diabilder system (Leica) och bilder analyseras med hjälp av Aperio Imagescope Nuclear v9 programvara. Statistiska analyser och P-värden beräknades med användning av t-test. Frekvensfördelningsdiagram plottades med hjälp av GraphPad Prism (GraphPad Software).

Bakgrundsinformation
figur S1.
BG4 färgning på paraffininbäddade MDA-MB-231 cellpellets. A. Human MDA-MB-231 bröstcancer cellpelletar fixerade, inbäddade och bearbetas för IHC med hjälp av G-quadruplex-specifik antikropp BG4. Stark BG4 färgning (brun) är uppenbar i cellkärnor efter epitopretrieval med Tris /EDTA-baserad buffert pH 9,0. Skalstrecket motsvarar 20 um. Kärnor motfärgades med hematoxylin (blå). B. Stark BG4 färgning (brun) är uppenbar i cellkärnor efter epitopretrieval med proteinas K. C. Ingen nukleär färgning observeras i frånvaro av BG4 antikropp efter Tris /EDTA epitopåtervinning. D. Ingen kärnfärgning ses efter DNas behandling före BG4 färgning efter epitopretrieval med EDTA. E. Höga halter av icke-specifik färgning i frånvaro av BG4 efter epitopretrieval med proteinas K.
doi: 10.1371 /journal.pone.0102711.s001
(TIF) Review figur S2.
Icke-neoplastiska humana vävnader visar variabel BG4 färgning. Icke-neoplastiska vävnader färgades av IHC med hjälp av G-quadruplex-specifik antikropp BG4. A. BG4 färgning (brun) i njurbarken visar en rad av kärnfärgningsintensitet i glomeruli och tillhörande strukturer. Cellkärnor motfärgades med hematoxylin (blå). Skala stapel motsvarar 50 um B. Svagt positiv BG4 färgning ses i uppsamlings tubuli kärnor i njuren märgen. C. Skin visar en rad BG4 intensiteter i epidermis med positiva och negativa kärnor utspridda, medan dermis är mestadels positiva. D. De flesta kärnor i tjocktarmen är BG4-positiva. E. i livmoderkroppen, är stratifierat skivepitel till stor del BG4-negativa, medan positiv färgning ses mer ytligt. F. Under bröst duktala lobules, både myoepitelial och luminala celler visar allmän stark BG4 färgning med endast enstaka negativa celler
doi:. 10,1371 /journal.pone.0102711.s002
(TIF) Review Figur S3.
Förhöjda närvaro av G-quadruplex strukturerna i humana pankreas cancervävnader. Icke-neoplastiska och cancerpankreasvävnader färgades med IHC med användning av G-quadruplex specifik antikropp BG4, och antalet BG4-positiva kärnor poängsattes med användning av Aperio Imagescope programvara. A. Kärnorna icke-neoplastisk pankreas vävnad visar måttlig BG4 färgning (brun) med många ofärgade kärnor också närvarande. Cellkärnor motfärgades med hematoxylin (blå). Skalstrecket motsvarar 50 um. B. BG4 färgning i bukspottskörteln adenokarcinom vävnad är mer omfattande med större intensitet. C. Totalt kvantifiering av antalet BG4-positiva kärnor i alla icke-neoplastiska och pankreascancervävnader. Felstaplar representerar s.e.m. * P < 0,01, n = 6 och 12 för icke-neoplastiska och cancer kärnor, respektive
doi:. 10,1371 /journal.pone.0102711.s003
(TIF) Review

• PLOS ONE: Alltid Gamble på fastande mage: Hunger förknippas med fördelaktiga beslutsfattande
• PLOS ONE: Oväntad Headless och svanslösa fisk i magen innehåll makrillhaj Isurus oxyrinchus