临床投资杂志。2012年12月3日;122(12): 4388–4400.
喀斯特G12D系列和Nkx2-1型单倍体不足诱导肺粘液腺癌
,1 ,2 ,三 ,1 ,1 ,1 ,1 ,1 ,4 ,4 ,2和1
Yutaka Maeda前田
1美国俄亥俄州辛辛那提市辛辛那提市儿童医院医疗中心和辛辛那蒂大学医学院新生儿、围产期和肺生物学科围产期研究所。2日本长崎生物医学研究生院转化医学系肿瘤外科。三深度测序和微阵列核心,美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学。4日本冈山川崎医学院普通外科。
Tomoshi Tsuchiya先生
1美国俄亥俄州辛辛那提市辛辛那提市儿童医院医疗中心和辛辛那蒂大学医学院新生儿、围产期和肺生物学科围产期研究所。2长崎生物医学研究生院转化医学系肿瘤外科,日本长崎。三深度测序和微阵列核心,美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学。4日本冈山川崎医学院普通外科。
郝海平
1美国俄亥俄州辛辛那提市辛辛那提市儿童医院医疗中心和辛辛那蒂大学医学院新生儿、围产期和肺生物学科围产期研究所。2日本长崎生物医学研究生院转化医学系肿瘤外科。三深度测序和微阵列核心,美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学。4日本冈山川崎医学院普通外科。
大卫·H·汤普金斯
1美国俄亥俄州辛辛那提市辛辛那提市儿童医院医疗中心和辛辛那蒂大学医学院新生儿、围产期和肺生物学科围产期研究所。2日本长崎生物医学研究生院转化医学系肿瘤外科。三深度测序和微阵列核心,美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学。4日本冈山川崎医学院普通外科。
严旭
1美国俄亥俄州辛辛那提市辛辛那提市儿童医院医疗中心和辛辛那蒂大学医学院新生儿、围产期和肺生物学科围产期研究所。2日本长崎生物医学研究生院转化医学系肿瘤外科。三深度测序和微阵列核心,美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学。4日本冈山川崎医学院普通外科。
迈克尔·穆森斯基
1美国俄亥俄州辛辛那提市辛辛那提市儿童医院医疗中心和辛辛那蒂大学医学院新生儿、围产期和肺生物学科围产期研究所。2日本长崎生物医学研究生院转化医学系肿瘤外科。三深度测序和微阵列核心,美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学。4日本冈山川崎医学院普通外科。
杜玲玲
1美国俄亥俄州辛辛那提市辛辛那提市儿童医院医疗中心和辛辛那蒂大学医学院新生儿、围产期和肺生物学科围产期研究所。2日本长崎生物医学研究生院转化医学系肿瘤外科。三深度测序和微阵列核心,美国马里兰州巴尔的摩约翰斯·霍普金斯大学。4日本冈山川崎医学院普通外科。
安吉拉·凯泽
1美国俄亥俄州辛辛那提市辛辛那提市儿童医院医疗中心和辛辛那蒂大学医学院新生儿、围产期和肺生物学科围产期研究所。2日本长崎生物医学研究生院转化医学系肿瘤外科。三深度测序和微阵列核心,美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学。4日本冈山川崎医学院普通外科。
Fukazawa Takuya Fukazawa
1美国俄亥俄州辛辛那提市辛辛那提市儿童医院医疗中心和辛辛那蒂大学医学院新生儿、围产期和肺生物学科围产期研究所。2日本长崎生物医学研究生院转化医学系肿瘤外科。三深度测序和微阵列核心,美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学。4日本冈山川崎医学院普通外科。
中本义雄
1美国俄亥俄州辛辛那提市辛辛那提市儿童医院医疗中心和辛辛那蒂大学医学院新生儿、围产期和肺生物学科围产期研究所。2日本长崎生物医学研究生院转化医学系肿瘤外科。三深度测序和微阵列核心,美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学。4日本冈山川崎医学院普通外科。
Takeshi Nagayasu先生
1美国俄亥俄州辛辛那提市辛辛那提市儿童医院医疗中心和辛辛那蒂大学医学院新生儿、围产期和肺生物学科围产期研究所。2日本长崎生物医学研究生院转化医学系肿瘤外科。三深度测序和微阵列核心,美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学。4日本冈山川崎医学院普通外科。
杰弗里·怀特塞特
1美国俄亥俄州辛辛那提市辛辛那提市儿童医院医疗中心和辛辛那蒂大学医学院新生儿、围产期和肺生物学科围产期研究所。2日本长崎生物医学研究生院转化医学系肿瘤外科。三深度测序和微阵列核心,美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学。4日本冈山川崎医学院普通外科。
1美国俄亥俄州辛辛那提市辛辛那提儿童医院医学中心和辛辛那提大学医学院新生儿、围产期和肺生物学科围产期研究所。2日本长崎生物医学研究生院转化医学系肿瘤外科。三深度测序和微阵列核心,美国马里兰州巴尔的摩约翰霍普金斯大学。4日本冈山川崎医学院普通外科。
通信地址:Jeffrey A.Whitsett,辛辛那提儿童医院医疗中心新生儿、围产期和肺生物学科,3333 Burnet Avenue,MLC7029,Cincinnati,Ohio 45229-3039,USA电话:513.803.2790;传真:513.636.7868;电子邮件:gro.cmhcc@ttestihw.ffej。 2012年3月27日收到;2012年9月6日验收。
介绍
肺粘液腺癌(以前称为粘液性支气管肺泡癌)在病理学上被归类为杯状细胞形态的肿瘤细胞,其中含有丰富的胞质内粘液(1). 侵袭性肺黏液腺癌比更常见的肺腺癌,如腺泡或乳头状腺癌,具有更高的恶性潜能。肺粘液腺癌与转录因子NK2同源盒1(NKX2-1;也称为TTF-1)的表达减少或缺失以及粘蛋白的表达有关,包括粘蛋白5AC、寡聚粘液/凝胶形成(MUC5AC)。遗传上,大约76%的肺粘液腺癌有KRAS公司突变是与烟草使用相关的肺腺癌的一种常见突变(2),但肺粘液腺癌很少与表皮生长因子受体突变。相反,非幻觉性肺腺癌常与表皮生长因子受体突变(~45%),但与KRAS公司突变(~13%;参考。1)。
NKX2-1在肺形态发生和呼吸上皮特异性基因表达中起关键作用,包括表面活性蛋白的激活和粘蛋白的抑制(三,4). NKX2-1在肺腺癌发病机制中的潜在致癌作用是由14q13.3区域包含NKX2-1型,NKX2-8型、和PAX9在大约10%的人肺腺癌中扩增(5——7). 人类肺癌和转化细胞的功能丧失和功能获得研究支持NKX2-1型作为致癌基因(5——9); 然而喀斯特LSL–G12D/+;第53页–/–小鼠模型和异种小鼠模型支持NKX2-1是一种抗转移因子的概念(10,11)。
在这里,我们提出了一种我们认为是新的小鼠模型,该模型发展为肺粘液腺癌,其中致癌喀斯特G12D系列在呼吸道上皮中诱导Nkx2-1型杂合的(Nkx2-1型+/–)老鼠。的简化表达式Nkx2-1型促进侵袭性疾病的发生和发展喀斯特G12D系列-诱导粘液性肺腺癌。相反,呼吸上皮中NKX2-1表达增加抑制致癌物或喀斯特G12D系列-体内诱导肺肿瘤形成。一项全基因组基因表达研究表明,NKX2-1抑制参与肿瘤发生的mRNA,并诱导参与凋亡的基因。NKX2-1的表达使肺癌细胞对顺铂诱导的凋亡敏感。ChIP测序(ChIP-seq)分析表明,NKX2-1与黏液肿瘤诱导的一组基因直接相关。生物信息学分析确定了NKX2-1 ChIP-seq峰的一部分中的AP-1结合元件(TGAnTCA)。NKX2-1在体外抑制AP-1介导的活性和肿瘤集落形成,这表明NKX2-2通过抑制AP-1活性,至少部分抑制了肺肿瘤的发生。我们的发现提供了NKX2-1抑制突变的分子机制喀斯特–驱动粘液腺癌。
结果
Kras期间Nkx2-1诱导粘液腺癌的单倍体不足G12D系列肿瘤发生。
为了确定Nkx2-1型影响侵袭性肺黏液腺癌的发病机制,我们建立了一个突变活跃的小鼠模型喀斯特在野生型或杂合型呼吸上皮中有条件表达Nkx2-1型老鼠。通过杂交转基因培育小鼠Scgb1a1-rtTA;[tetO]-克拉斯4bG12D系列老鼠(12)带有Nkx2-1型+/–老鼠(13)。Nkx2-1型mRNA在Nkx2-1型+/–与Nkx2-1型+/+老鼠(4,14). 服用强力霉素(Dox)2个月后喀斯特杂合转基因小鼠Nkx2-1型(Scgb1a1-rtTA;[tetO]-克拉4bG12D系列;Nkx2-1型+/–; 此处称为喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–)与喀斯特野生型转基因小鼠Nkx2-1型(Scgb1a1-rtTA;[tetO]-克拉斯4bG12D系列;Nkx2-1型+/+; 此处称为喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/+)和控制室友(图A) ●●●●。平均肺活量喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–小鼠比喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/+和对照小鼠(图B) ●●●●。肿瘤数量和体积喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–microCT检测到的小鼠(图C) ,比喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/+和对照小鼠(图、D和E)。如果没有喀斯特G12D系列,重量为Nkx2-1型+/–和Nkx2-1型+/+小鼠也很相似(补充图1;本文在线提供补充材料;doi:10.1172/JCI64048DS1号文件)。Nkx2-1型+/–小鼠在9个月大时未发生自发性肺肿瘤(数据未显示)。鉴于喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/+小鼠出现良性肺腺瘤,喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–小鼠在2-8个月内发生侵袭性肺腺癌(图). 与肿瘤细胞不同喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/+小鼠,肿瘤细胞喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–小鼠含有丰富的胞质内粘蛋白,缺乏NKX2-1染色(图A) ,与人类肺粘液腺癌的组织化学特征一致(补充图2)。人类黏液腺癌通常由多种肿瘤细胞类型的异质混合物组成,包括乳头状腺癌或腺泡腺癌的特征(1). 在喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–在小鼠模型中,肿瘤杯状细胞的百分比(用细胞质内杯状细胞标记物前梯度同源物2[AGR2]染色)为35%(补充图3)。细胞角蛋白7(CK7)和细胞角蛋白20(CK20),肺粘液腺癌的临床生物标志物(1),以表示喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–小鼠,而只有CK7存在于喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/+小鼠(图B) ●●●●。当给予Dox 2个月后停药2周,肿瘤复发(图C) 表明突变体的持续表达喀斯特是维持肿瘤杯状细胞所必需的。
单倍体不足Nkx2-1型肿瘤发生增加喀斯特G12D系列老鼠。(A类)喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–老鼠(n个=10)与喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/+(n个=8)和控制(n个=15)给药2个月后的小鼠。(B类)喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–老鼠(n个=5)肺部比实际大喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/+(n个=5)和控制(n个=10)给药2个月后的小鼠。(C类)喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–给药8个月后,小鼠出现肺部肿瘤(箭头所示),通过显微CT检测到。(D类和E类)编号(D类)和体积(E类)显微CT测量的肺部肿瘤中喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–(n个=7)与喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/+(n个=9)和控制(n个=11)给药8个月后的小鼠。所有结果均为平均值±SEM*P(P)< 0.05.
单倍体不足Nkx2-1型导致肺粘液腺癌喀斯特G12D系列老鼠。(A类)肺切片用H&E或NKX2-1和Alcian蓝染色。肿瘤喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–小鼠(16只中的14只)含有含有丰富胞质内粘蛋白的杯状细胞(Alcian蓝阳性,NKX2-1阴性)。(B类)CK7和CK20是人类肺粘液腺癌的临床生物标志物,在喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–老鼠。(C类)阿尔西安蓝染色的肺肿瘤细胞喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–给药2个月后的小鼠(左;n个= 6). 肿瘤细胞喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–给药2个月后,小鼠在停药2周后出现退化(右;n个= 8). 比例尺:1 mm(A类,顶部和中部);100微米(A类、底部和B类和C类)。
肿瘤杯状细胞不依赖SPDEF/FOXA3转录程序。
粘液化生是各种慢性肺部疾病的一个突出特征,包括哮喘、慢性阻塞性肺病(COPD)和囊性纤维化(CF)。这些非肿瘤性疾病中的粘液化生与转录因子Sam点域Ets-like因子(SPDEF)和FOXA3以及各种粘蛋白(包括MUC5AC)和粘蛋白相关基因(包括AGR2)的表达增加有关(15). 评估杯状细胞是否与喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/––诱导的肿瘤与非肿瘤杯状细胞具有相同的特征,我们比较了突变体的免疫组化结果喀斯特–由屋尘螨(HDM)过敏原接触诱发的粘液肿瘤和粘液化生(图). 黏液相关蛋白,包括MUC5AC、MUC5B和AGR2,很容易在肺肿瘤的杯状细胞中检测到喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–小鼠和HDM激发小鼠的气道中,但在喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/+老鼠。在过敏原诱导的小鼠模型中,NKX2-1和FOXA2抑制杯状细胞分化,而SPDEF是气道粘膜化生所必需的(4,15,16). 与它们在杯状细胞分化中的抑制作用一致,NKX2-1和FOXA2在喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–鼠标(图A和图). 如前所述,HDM暴露后,SPDEF和FOXA3均在气道杯状细胞中高表达(15,17),但在喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/––诱发肿瘤(图和补充图4)。
肿瘤杯状细胞不依赖SPDEF/FOXA3转录程序。控制部分,喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/+,喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–对HDM激发的肺和正常肠进行粘蛋白MUC2、MUC5AC、MUC5B和AGR2以及转录因子NKX2-1、FOXA2、FOXA3和SPDEF染色。在HDM激发的肺部杯状细胞中发现的FOXA3和SPDEF在HDM的肿瘤杯状细胞上没有表达喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–老鼠。比例尺:100μm。
NKX2-1抑制突变Kras诱导的体内肿瘤发生。
为了直接评估NKX2-1在肺肿瘤发生中的作用,NKX2-2在呼吸道上皮细胞中有条件地表达(4). 该条件系统已广泛用于模拟小鼠肺部肿瘤的发生(12,18,19). 为了评估增加的NKX2-1是否足以启动肿瘤形成,给药组Scgb1a1-rtTA;[tetO]–旗帜–Nkx2-1小鼠约6-12个月后,表达NKX2-1的小鼠均未发生肺肿瘤(n个= 19; 数据未显示)。Kendall等人报告称NKX2-1型,NKX2-8型、和PAX9位于14q13.3位点,约10%的肺腺癌中扩增;体外数据表明,NKX2-1与NKX2-8或PAX9的结合是体外病毒转化人支气管上皮细胞集落形成所必需的(5). 我们生成了同时表达NKX2-1和NKX2-8或NKX2-1-和PAX9的转基因小鼠。给药4个月后,NKX2-1与PAX9或NKX2-8的共表达没有导致肿瘤发生(补充图5)。
评估NKX2-1是否影响Scgb1a1-rtTA;[tetO]–旗帜–Nkx2-1转基因小鼠(均为转基因小鼠;FVB/N背景),我们用乌拉坦(一种肺癌致癌物)治疗小鼠。给药16周后,FVB/N对照小鼠的肺表面容易检测到氨基甲酸乙酯诱导的肿瘤(20). NKX2-1的表达减少了氨基甲酸乙酯诱导的肿瘤数量(表和图,A和B),这表明NKX2-1增加抑制肿瘤的发生。NKX2-1诱导的转基因小鼠组中发现的少数肿瘤(Scgb1a1-rtTA;[tetO]–旗帜–Nkx2-1Dox)不表达FLAG–NKX2-1(数据未显示),它们可能来源于不表达Scgb1a1-rtTA转基因。由于氨基甲酸乙酯诱发与喀斯特突变(21),我们评估NKX2-1是否抑制突变喀斯特–通过制造Nkx2-1;喀斯特G12D系列三重转基因小鼠(Scgb1a1-rtTA;[tetO]–标志–Nkx2-1;[tetO]-克拉斯4bG12D系列). NKX2-1的共表达减少了喀斯特G12D系列-诱发的肺部肿瘤(图,C和D),这表明NKX2-1表达的增加抑制了突变体喀斯特-诱导体内肿瘤的发生和发展。
NKX2-1抑制氨基甲酸乙酯和喀斯特G12D系列-体内诱导肺肿瘤形成。给药1周后,每周腹腔注射一次氨基甲酸乙酯,连续4周。首次注射氨基甲酸乙酯16周后,采集肺部标本,并对肿瘤进行计数。(A类)肺切片Scgb1a1-rtTA;[tetO]–标志–Nkx2-1小鼠用抗FLAG抗体染色。(B类)NKX2-1抑制了氨基甲酸乙酯诱导的肺表面肿瘤的数量。(C类)肺部肿瘤(箭头所示)Scgb1a1-rtTA;[tetO]-克拉斯4bG12D系列和Scgb1a1-rtTA;[tetO]-克拉斯4bG12D系列;[tetO]–旗帜–Nkx2-1小鼠,H&E和microCT检测。(D类)数量和体积喀斯特G12D系列-通过microCT测量,NKX2-1减少了诱发的肺部肿瘤。所有结果均为平均值±SEM*P(P)< 0.05, **P(P)<0.01,Mann-Whitney试验。比例尺:100μm(A类); 1毫米(C类)。
我们还利用hTERT和CDK4表达产生的HBEC3人支气管上皮细胞来评估NKX2-1是否影响肺上皮细胞的增殖(22). 我们用含有标志——Nkx2-1型(4). NKX2-1的表达显著抑制了HBEC3细胞的增殖(补充图6),这表明NKX2-2可能通过抑制细胞增殖而影响肿瘤发生,至少部分是这样。
在EGFR期间,Nkx2-1的单倍体不足不会诱发粘液腺癌l858年肿瘤发生。
表皮生长因子受体突变与人类黏液腺癌无关(1). 当变种人喀斯特NKX2-1在体内抑制了–诱导的肺肿瘤发生(本研究和参考文献。10),是否突变表皮生长因子受体–诱导的肺肿瘤发生在体内受到NKX2-1的影响尚不清楚。突变活性表皮生长因子受体L858R型在野生型或Nkx2-1型+/–杂交小鼠Scgb1a1-rtTA;[tetO]-表皮生长因子受体L858R型老鼠(18)使用Nkx2-1型+/——老鼠(13); 这些小鼠在本文中称为表皮生长因子受体L858R型;Nkx2-1型+/+和表皮生长因子受体L858R型;Nkx2-1型+/–分别是。出乎意料的是,肿瘤数量和体积在表皮生长因子受体L858R型;Nkx2-1型+/–小鼠与表皮生长因子受体L858R型;Nkx2-1型+/+室友(图A) 这表明肿瘤发生是由突变体介导的表皮生长因子受体NKX2-1增强。与罕见的表皮生长因子受体人肺粘液腺癌的突变(1),两者都不是表皮生长因子受体L858R型;Nkx2-1型+/+也不是表皮生长因子受体L858R型;Nkx2-1型+/–小鼠发生粘液腺癌(图B) ●●●●。肺部肿瘤表皮生长因子受体L858R型;Nkx2-1型+/–对小鼠进行MUC5B染色,但不进行阿尔西安蓝或MUC5AC染色。这些结果表明(a)NKX2-1在激活突变的情况下增强肿瘤发生表皮生长因子受体和(b)突变体表皮生长因子受体未诱导肿瘤杯状细胞Nkx2-1型+/–老鼠。与这些鼠标数据一致KRAS公司突变相关的人腺癌细胞系表达高水平的MUC5AC公司mRNA,而所有细胞系表皮生长因子受体突变很少或没有表达MUC5AC公司mRNA(图C) ●●●●。的KRAS公司突变细胞系NKX2-1型表达了更高水平的MUC5AC公司和MUC5B公司mRNA比那些阳性的NKX2-1型(图C) 这表明NKX2-1抑制突变株中黏蛋白基因的表达KRAS公司–相关肿瘤。
表皮生长因子受体L858R型无论何种情况,小鼠都没有发展成肺粘液腺癌Nkx2-1型表达式。(A类)显微CT测量的肺部肿瘤数量和体积在表皮生长因子受体L858R型;Nkx2-1型+/–(n个=19)与表皮生长因子受体L858R型;Nkx2-1型+/+(n个=13)小鼠给药4个月后。n个=16(控制)。(B类)肺切片用Alcian蓝、MUC5AC和MUC5B染色。在表皮生长因子受体L858R型;Nkx2-1型+/–或表皮生长因子受体L858R型;Nkx2-1型+/+老鼠。肺肿瘤细胞表皮生长因子受体L858R型;Nkx2-1型+/+和表皮生长因子受体L858R型;Nkx2-1型+/–小鼠没有用阿尔西安蓝或MUC5AC染色,而表皮生长因子受体L858R型;Nkx2-1型+/–用MUC5B染色的小鼠。(C类)MUC5AC公司mRNA在NKX2-1型–消极KRAS公司突变型肺癌细胞系(H2122和A549),但在表皮生长因子受体突变型肺癌细胞系。MUC5B公司mRNA在两种组织中均表达KRAS公司突变体(H2122和A549)和表皮生长因子受体突变(H3255)细胞系。所示为与H3255细胞mRNA表达相比的折叠诱导。结果为平均值±SEM(A类)每组三份的平均值±标准差(C类). N.D.,未检测到*P(P)< 0.05. 比例尺:100μm。
NKX2-1抑制粘液肿瘤中诱导的一组基因的表达。
为了确定肺粘液腺癌发病机制,使用喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–小鼠肺部。一些mRNA在喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–肺与HDM哮喘模型诱导的肺重叠(HDM激发小鼠;参考文献。23),包括ADAM8公司,AGR2公司,ALOX15型,CHI3L4号机组,IGF1级,MUC5AC公司,MUC5B公司,RETNLA公司、和SAA3型(图以蓝色和绿色突出显示,以及补充表2),这支持了这样一个概念,即杯状细胞分化的某些方面在这些肺部疾病中是相同的。为了确定NKX2-1在黏液性肿瘤模型中调节的基因,对A549人肺癌细胞进行了mRNA分析,A549人肺肿瘤细胞携带一个NKX2-1mRNAKRAS公司突变和缺失NKX2-1型表达式(图C) ●●●●。使用慢病毒载体在A549细胞中表达NKX2-1(补充表3和参考文献。4). 确定了一组NKX2-1抑制基因在粘液肿瘤模型的肺部诱导,但在哮喘模型中未诱导(图,以红色突出显示)。这些基因可能是肿瘤标志物或作为肿瘤促进剂发挥作用。AGR2公司,LCN2型,MUC5AC公司,MUC5B公司、和RBP4模式也是NKX2-1抑制基因;然而,它们在粘液性肿瘤和HDM诱导的小鼠模型的肺中都有表达(图,以绿色突出显示)。
NKX2-1抑制粘液肿瘤模型和哮喘模型中诱导的基因子集。所示为3组mRNA微阵列分析的结果(为简单起见,仅显示人类基因的符号)。为了分析粘液肿瘤诱导的基因,从对照组和喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–小鼠和mRNA微阵列分析(n个=每组3人)。为了分析A549人肺癌细胞中NKX2-1调控的基因,从慢病毒中分离了mRNANkx2-1型–表达和控制A549细胞并进行mRNA微阵列分析(n个=每组3人)。为了分析哮喘诱导的基因,从对照组和HDM激发小鼠的肺部分离出mRNA,并进行mRNA微阵列分析(n个=每组3人)(23). 几种与粘液基因相关的mRNA-AGR2公司,MUC5AC公司、和MUC5B公司-在黏液性肿瘤和哮喘小鼠模型中均诱导,并在A549人肺癌细胞中被NKX2-1抑制。HNF4A型NKX2-1是一种非肺谱系转录因子,被肺谱系的转录因子NKX2抑制。SOX2标准在传导气道中表达,但在肺泡区不表达,也被NKX2-1抑制,并且在传导气道和肺泡中表达。
NKX2-1抑制与肺肿瘤发生相关的基因表达,并诱导那些参与细胞死亡的基因表达。
NKX2-1调控的基因在A549人肺癌细胞中的表达谱如图所示,图A、 和补充表3。NKX2-1诱导表达SFTPA公司,SFTPB公司,灯3,CEACAM6号机组、和马来西亚比索(三,11,24). 的表达式MUC5AC公司,MUC5B公司、和SERPINE1系列(4,25)被NKX2-1抑制。基因本体分析表明,基因表达与蛋白激酶级联和酶联受体蛋白信号通路减少,并且与程序性细胞死亡增加了NKX2-1(补充图7)。NKX2-1被抑制FGFR1号机组,FGFR4公司,IGF1R型,CCND3号机组,CCNE2公司、和川东北6与癌症相关(26——31),但诱导诱导程序性细胞死亡的基因表达,如船边交货和TIMP3公司(32,33). 尽管NKX2-1抑制了与肿瘤发生相关的基因,并诱导了与细胞凋亡相关的基因,但它并没有改变A549癌细胞的生存能力(数据未显示)。由于NKX2-1在人肺肿瘤中的表达与较好的预后相关(34),我们评估了NKX2-1是否影响化疗诱导的A549细胞死亡。顺铂是一种化疗药物,临床上用于治疗突变型KRAS公司–相关肺癌(35). NKX2-1使A549细胞对顺铂诱导的凋亡敏感,这一发现通过检测凋亡标记物裂解PARP得到证实(图,B–D)。
NKX2-1抑制与肿瘤发生相关的信使核糖核酸,并诱导与细胞凋亡相关的信使核糖核酸。(A类)从慢病毒中分离出mRNANkx2-1型表达和控制A549细胞,并进行mRNA微阵列分析。图中显示了mRNA的热图。绿色和红色分别表示NKX2-1的mRNA减少和增加。与粘液相关的mRNA(MUC5AC公司,MUC5B公司,MUC13公司、和AGR2公司)和致癌基因(FGFR1号机组和川东北6)被NKX2-1抑制。NKX2-1诱导的表面活性蛋白基因(SFTPA1公司和SFTPB公司)和凋亡基因(船边交货和TIMP3公司). (B类)慢病毒Nkx2-1型用顺铂(最终浓度,0–20μM)处理表达和对照A549细胞。治疗72小时后,使用MTS分析测定细胞活力(n个=每组3人)。顺铂治疗减少Nkx2-1型表达A549癌细胞活性显著高于对照A549细胞。(C类)控制和Nkx2-1型–20μM顺铂24小时后表达A549细胞(原始放大倍数,×20)。(D类)NKX2-1使A549细胞对顺铂诱导的凋亡敏感。顺铂治疗24小时后(20μM),从对照组或Nkx2-1型–表达A549细胞。IB.结果为平均值±标准差*P(P)<0.001与对照组。
ChIP-seq分析确定了A549肺癌细胞中的NKX2-1结合位点。
使用ChIP-seq分析从表达NKX2-1的A549细胞的染色质中确定NKX2-1~的潜在直接转录靶点。从大规模平行测序中获得的序列读取被映射到人类基因组上。ChIP-seq分析通过检测SFTPA1公司NKX2-1的已知下游目标(36,37). NKX2-1与SFTPA1公司基因(图A) ●●●●。NKX2-1抑制MUC5AC公司(图和图A) 与MUC5AC公司(图B) ,暗示其作为转录抑制因子的活性。NKX2-1也与FGFR1号机组(图C) ,已知致癌基因(26)、和已禁用FGFR1号机组A549细胞中的mRNA(图A) ●●●●。
通过ChIP-seq鉴定NKX2-1结合位点。(A类)与基因启动子和第一内含子相关的NKX2-1SFTPA1公司在含有典型NKX2-1结合基序的位点(CAAG和CTTG)。(B类)NKX2-1与MUC5AC公司包含AP-1结合基序(TGACTCA)。(C类)NKX2-1与FGFR1号机组. (D类)NKX2-1上调或下调基因中NKX2-1-结合位点峰值的分布。(E类)NKX2-1 ChIP-seq峰中存在基序。(F类)按照方法所述转染H441肺腺癌细胞。结果显示,相对于对照组,轻单位的折叠激活归一化为β-半乳糖苷酶活性。NKX2-1抑制H441细胞AP-1活性(n个=每组3人)。(G公司)慢病毒Nkx2-1型–表达和对照A549细胞用AP-1诱导剂PMA处理,最终浓度为10 ng/ml。FGFR1号机组如方法中所述测量mRNA。PMA拯救了NKX2-1对FGFR1号机组mRNA表达。(H(H))A549细胞稳定表达Nkx2-1型,FOSL1公司或两者都是使用慢病毒载体开发的。IB证实了NKX2-1和FOSL1的蛋白表达。根据使用稳定感染细胞和A549对照细胞进行的软琼脂试验(见方法),NKX2-1FOSL1诱导的集落形成受到抑制。n个=每组3个。结果为每组生物三倍体的平均值±SD*P(P)< 0.05; **P(P)< 0.01; ***P(P)< 0.001.
NKX2-1结合元件存在于基因间、内含子、5′非翻译(5′UTR)和上游区域(补充图8)。本研究中观察到的NKX2-1结合位点的广泛分布与其他ChIP-seq分析一致,这些分析确定了基因组中的STAT1、GATA1和MYOD结合元件。已提出转录因子广泛结合在染色质环、染色质组织和核结构中的潜在调节作用;然而,它们的确切生物学作用尚不清楚(38). 为了评估NKX2-1与染色质直接关联的功能重要性,我们分析了那些由NKX2-2上调或下调的基因中10 kb内发生的ChIP-seq位置(图,图A、 和补充表3)。获得了每个基因亚区内的位置分布(图D) ●●●●。第一个内含子被视为一个单独的区域,因为它被认为参与人类基因组中的转录控制(39). 在NKX2-1上调基因中,46%的NKX2-2峰位于第二外显子上游,包括上游10kb、5′UTR和第一内含子。大约38%的峰位于其他内含子。相比之下,在NKX2-1下调基因中,39%的NKX21峰位于第二外显子上游,而43%的峰位于其他内含子(图D) ,表明存在与第二外显子下游区域更密切相关的潜在抑制性NKX2-1调控位点。上调和下调基因与3′近端区域(包括3′UTR和下游10kb)的结合相似(14%对15%)。在第一外显子中未检测到NKX2-1结合位点。
NKX2-1与典型AP-1结合位点相关。
分析与NKX2-1相关的结合序列,以确定过度表达的基序。正如预期的那样,NKX2-1与基序CTTG(反向补体CAAG)相关,如SFTPA1公司(图、A和E),与之前的研究一致(40). NKX2-1与TGAGTCA(反向补体TGACTCA)(转录因子AP-1的一个已建立的结合基序)的高频关联(图E和补充图9)。在当前黏液肿瘤模型中诱导的NKX2-1靶向基因中(图),其中43%(30人中的13人)的AP-1基序在NKX2-1–ChIP-seq峰中被识别(补充图10)。AP-1是一种与肺癌密切相关的癌蛋白(41). AP-1也可以激活MUC5AC公司通过JNK–AP-1途径(42,43). NKX2-1与AP-1结合位点相关MUC5AC公司启动程序(图B) ●●●●。为了评估NKX2-1与AP-1结合元件关联的功能相关性,将含有AP-1结合元素的AP-1报告荧光素酶构建物与NKX2-2表达载体共转染。如图所示F、 NKX2-1显著抑制H441人肺腺癌细胞AP-1活性。其他肺上皮转录因子,包括NKX2-8、CEBPA、FOXA2或FOXJ1,在本试验中不影响AP-1活性。NKX2-1对FGFR1号机组PMA是一种AP-1诱导剂(图G) ●●●●。FOSL1(AP-1家族成员,也称为FRA-1)诱导A549细胞集落形成(44). NKX2-1抑制了A549细胞中FOSL1介导的集落形成(图H) 。因此,我们得出结论,NKX2-1与AP-1结合元件相关,并抑制AP-1介导的活性和肿瘤集落形成,提供了一种潜在的机制,通过该机制,NKX2-1至少部分抑制肿瘤发生。
讨论
虽然肺粘液腺癌的组织学和预后已明确,但缺乏研究该癌发病机制和治疗的实验模型。在本研究中,我们通过诱导突变株建立了小鼠肺黏液腺癌模型喀斯特在呼吸道上皮Nkx2-1型+/–老鼠。与人类黏液腺癌的发现相一致,这些肿瘤包含大量黏液染色的杯状细胞,并表达CK7和CK20。肿瘤相关杯状细胞的特征不同于非肿瘤性肠和气道中的杯状细胞。与喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–小鼠,突变体的表达表皮生长因子受体在呼吸道上皮Nkx2-1型+/–小鼠没有引起黏液性肿瘤。虽然KRAS和EGFR信号通路是共享的,但我们的发现表明喀斯特突变定义了独特的黏液性肺肿瘤病理学(图). 因此,我们的小鼠模型为理解肺黏液腺癌的分子机制提供了一种实验工具,因此可能有助于确定这种疾病的治疗靶点。
肺肿瘤杯状细胞化生/增生的潜在机制。
调节气道杯状细胞分化的分子机制正在积极研究中。NKX2-1和FOXA2在非致瘤气道杯状细胞中下调(15,45)NKX2-1或FOXA2的转基因表达抑制了变应原诱导的气道杯状细胞化生(4,16). 在本研究中,NKX2-1和FOXA2在肿瘤杯状细胞中均被抑制喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–小鼠,持续(或慢性)减少Nkx2-1型实现了。这一发现与它们在杯状细胞中的损失一致,杯状细胞与慢性肺病有关(4,45). 相反,SPDEF和FOXA3通常在肺部非肿瘤相关粘液化生过程中诱导(15,17),在肿瘤杯状细胞中不表达喀斯特G12D系列;Nkx2-1型+/–这表明肿瘤杯状细胞中粘蛋白的产生并不依赖于SPDEF/FOXA3转录程序。同样,该转录程序与特发性肺纤维化杯状细胞化生无关(46)。
NKX2-1以上下文依赖的方式抑制突变KRAS肿瘤发生。
在10%的人肺腺癌中扩增的14q13.3染色体区域(5——7)包含MBIP公司,恒星。1,SFTA3公司,NKX2-1型,NKX2-1-AS1型,NKX2-8型、和PAX9(Ensembl基因组浏览器;http://useast.ensembl.org/index.html). 这种放大在肺肿瘤发生中的作用一直备受关注。体外功能丧失和功能获得研究NKX2-1型作为潜在致癌基因(5——9). 最近使用肺癌小鼠模型的研究不支持NKX2-1型作为组织特异性癌基因,但与NKX2-1作为抗转移因子有关(10,11). 此外Nkx2-1型体内诱导细胞增殖和促进致癌物诱导的甲状腺腺瘤(47). 在本研究中,NKX2-1抑制喀斯特肿瘤发生,但促进表皮生长因子受体肿瘤发生,在转基因小鼠模型中。在喀斯特LSL–G12D/+;第53页–/–NKX2-1小鼠具有抗转移因子的功能(10); 然而,在目前的研究中Nkx2-1型都没有引起喀斯特G12D系列或表皮生长因子受体L858R型小鼠体内模型(数据未显示)。喀斯特突变与第53页,第16页INK4a公司,或磅1缺失导致小鼠肺肿瘤转移(48). 由于NKX2-1型14q13.3位点与预后不良相关,而NKX2-1蛋白水平与预后良好相关(49),我们评估了位于14q13.3位点的其他基因是否有助于小鼠模型中的肺肿瘤发生。用NKX2.8或PAX9表达NKX2-1不会在转基因小鼠体内诱导肺肿瘤(补充图5)。这些结果与之前的报告一致Nkx2-8型1岁时,null小鼠出现气道发育不良(50)NKX2-8的表达抑制了一些肺癌细胞的体外生长(51)。
NKX2-1下游基因与黏液性肿瘤发生相关的鉴定。
多基因组范围的基因表达分析与NKX2-1 ChIP-seq分析相结合,确定了一组与黏液性肿瘤发生有关的NKX2-1-靶向基因。RASSF9系统,SCARA3公司、和第10页在黏液肿瘤模型中选择性诱导,但在HDM诱导的哮喘模型中没有(图). 这3个基因先前被鉴定为NKX2-1靶基因喀斯特LSL–G12D/+;第53页–/–老鼠(10)这可能表明它们参与了肿瘤的进展,但不参与杯状细胞的化生/增生。在同一组基因中,谱系特异性转录因子HNF4A型和SOX2标准也被鉴定为NKX2-1抑制的基因。NKX2-1与HNF4A型和SOX2标准基因(图,图A、 和补充图10)。HNF4A和SOX2的组织分布与NKX2-1的组织分布不同。肝功能所需的HNF4A在胃肠系统、肝脏、肾脏、白色脂肪组织和胰腺中表达,但在正常肺、甲状腺或大脑中不表达,其中NKX2-1表达(www.nursa.org/10.1621/datasets.02001). SOX2和NKX2-1均在呼吸道表达。然而,SOX2仅限于传导气道上皮细胞,而NKX2-1在传导气道和肺泡中均表达(52). NKX2-1直接抑制HNF4A型和SOX2标准,这反过来可能会影响组织特异性细胞规格。关于肺肿瘤的发生,SOX2标准被认为是鳞状细胞肺癌的癌基因(53)。
总之Nkx2-1型与结合喀斯特G12D系列,但不是表皮生长因子受体L858R型引起肺粘液腺癌。肿瘤杯状细胞表达的转录程序不同于过敏原暴露或肠道中诱导的杯状细胞。NKX2-1抑制由喀斯特突变,但促进了由表皮生长因子受体突变。ChIP-seq和mRNA微阵列分析表明,NKX2-1在调节粘液生成和肺肿瘤发生相关基因的表达方面具有明显的抑制和刺激作用。我们的结果证明了NKX2-1在肺腺癌调节中的上下文依赖性作用,这表明治疗肺粘液腺癌可能需要不同的方法。
方法
人体标本。
粘液的病理组织(n个=6)且无幻觉(n个=1)肺腺癌是根据研究用人体组织的机构指南获得的。患者信息见补充表1。
转基因小鼠与畜牧业。
Nkx2-1型+/——————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————小鼠由S.Kimura(NIH,Bethesda,Maryland,USA;参考。13). 转基因小鼠[tetO]-表皮生长因子受体L858R型(18)从国家癌症研究所小鼠库获得。转基因小鼠Scgb1a1-rtTA,[tetO]-克拉斯4bG12D系列、和[tetO]–旗帜–Nkx2-1以前生成过(4,12). 转基因小鼠[tetO]–NKX2-8(人类)和[tetO]-PAX9(人类)是在辛辛那提儿童医院医疗中心的转基因和基因靶向核心产生的。从4-5周龄开始,向转基因小鼠提供含有Dox(625 mg/kg chow)的食物。用于氨基甲酸乙酯诱导的肿瘤发生、控制和Nkx2-1型在给予Dox后,每周向转基因小鼠腹腔注射1 mg/g体重的氨基甲酸乙酯,连续4周。首次注射氨基甲酸乙酯16周后,采集肺部,并用解剖显微镜对肿瘤进行计数(20). 参见动物维护的补充方法。
组织制备、免疫组织化学和免疫荧光显微镜。
如前所述,使用5μm石蜡包埋的肺切片进行染色(H&E、阿尔西安蓝和免疫组织化学)(15). 有关抗体信息,请参见补充方法。
ChIP-seq分析。
根据制造商的方案(目录号9003;细胞信号技术),使用兔抗NKX2-1抗体(目录号WRAB-1231;Seven Hills生物试剂)和来自NKX2-1-表达A549肺癌细胞的染色质进行ChIP。ChIP富集DNA(10 ng)或输入DNA用于高通量DNA测序。根据Illumina的文库制备协议,这些样本是钝头的、A尾的,并用适配器连接。对长度约为250 bp的DNA片段进行大小选择和扩增。加州大学河滨分校使用Solexa/Illumina基因组分析仪II对富含ChIP的DNA样本和输入的DNA样本同时进行条形码和50个周期的测序。序列读取(6 bp连接器加上45 bp DNA)基于6 bp条形码进行解复用,并在对齐之前删除条形码。使用Bowtie将序列读数与人类参考(组件hg19)对齐(55). 生成ChIP-seq读取密度文件,并在综合基因组查看器(IGV;参考。56). 为了确定NKX2-1与基因组的结合位置,检测到富集峰,然后使用CisGenome软件将其映射到最近的注释基因(57). 关于基序频率分析,请参见补充方法。共识主题(图E和补充图9C)使用CisGenome提供的Gibbs Motif采样器使用默认参数进行计算。
统计。
使用Student’st吨测试(双尾和非配对)或Mann-Whitney测试。当P(P)所有小鼠试验和体外试验的值均小于0.05。
研究批准。
辛辛那提儿童医院医疗中心动物护理和使用机构委员会审查并批准了动物方案。人体样本分析得到长崎生物医学研究生院伦理委员会(许可号05062433-2)和川崎医学院(许可号255)的批准,并在进入研究之前获得所有参与者的书面知情同意。