合作文章 | 吉林大学程光惠团队揭示维生素D在癌症放射增敏中的关键机制

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合作文章 | 吉林大学程光惠团队揭示维生素D在癌症放射增敏中的关键机制

精准医学与蛋白组学

2021.11.05

景杰学术 | 报道

结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）作为最常见的消化道肿瘤之一，发病率和死亡率都很高[1]。放射治疗（RT）在晚期CRC患者的治疗中起着重要作用，然而放射抵抗导致治疗效率降低，是肿瘤后续复发和转移的主要原因。因此，探究导致放射抵抗的分子机制，挖掘有潜力的放射增敏剂，将有助于提高临床治疗疗效。在此背景下，维生素D作为一种经济且容易获得的天然化合物受到了极大的关注。据报道，维生素D在多种不同类型的癌症中发挥抗肿瘤作用[2]。在不同的肿瘤中，维生素D发挥作用的机制也各不相同，而放射治疗本身也会诱导多种细胞死亡方式，那么二者联合以后对CRC细胞的影响及潜在的分子作用机制，值得进一步深入研究。

近日，吉林大学中日联谊医院程光惠团队在 Frontiers in Cell and Developmental Biology上发表了题为“Vitamin D enhances radiosensitivity of colorectal cancer by reversing epithelial-mesenchymal transition”的研究论文^[3]。研究运用全新一代4D-Label free蛋白质组学技术，揭示了维生素D在结直肠癌中诱导放射增敏的关键机制，结合体内体外的后续验证，为探究维生素D在肿瘤放射治疗中的生物学功能提供了全新的视角。景杰生物为该研究提供了4D蛋白质组学技术支持。

一、蛋白质组学揭示关键作用表型及通路

为了深入探索维生素D增强CRC放射敏感性的主要机制，研究人员采用4D-Label Free全蛋白组学定量方法（质谱策略），检测了对照组、维生素D组、放射组及联合处理组共4种不同处理条件下的SW480人结直肠癌细胞（样本策略）的蛋白差异表达情况。GO分析中发现差异表达蛋白主要富集在“regulation of cell migration”和“regulation of cell motility”条目（图1 A），而蛋白结构域分类里可见主要富集方向与“Cadherin”相关（图1 B），进一步KEGG分析发现，JAK/STAT3信号通路蛋白明显下调（图1 C）。据此推测上皮-间质转化（ epithelial-mesenchymal transition，EMT）在联合处理条件下增加放射敏感性的效果中发挥主导作用，且可能与JAK/STAT3通路有关。

图1、蛋白质组学揭示联合处理对EMT的影响

二、蛋白组学结果揭示cystatin D和PAI-1为关键蛋白

在差异表达蛋白中，依据差异倍数选取前15个蛋白绘制成热图，结果显示大部分差异表达蛋白都与EMT相关（图2 A），将其中差异变化明显的cystatin D （CST5）和PAI-1（SERPINE1）进行蛋白互作网络分析，与GO富集分析结果一致的是，cystatin D和PAI-1的互作网络蛋白大部分与肿瘤转移相关（图2 B，C）。进一步在细胞系中验证定量结果中差异蛋白及互作蛋白的表达水平，发现与定量结果一致（图2 D，E）。以上结果表明，cystatin D和PAI-1可能在维生素D联合放疗介导的EMT抑制过程中发挥重要作用。

图2、蛋白组学结果揭示cystatin D和PAI-1为关键蛋白

三、分子实验验证维生素D联合放疗的EMT抑制效应

接下来研究人员在细胞中敲低靶基因后给予了维生素D联合放射的处理措施，发现细胞形态发生明显变化（图3 A），且在划痕实验中观察到了与细胞形态变化相一致的趋势（图3 B）。进一步的transwell实验则发现，敲低CST5和SERPINE1后细胞迁移和侵袭能力更强，这部分逆转了维生素D联合放疗所发挥的EMT抑制作用，且以敲低SERPINE1更为明显（图3 C，D）。同时，靶基因敲低下调了上皮相关E-cadherin和Claudin-1的表达水平，而上调了EMT转录因子Snail的表达水平（图3 E），并导致了JAK/STAT3通路中p-Stat3蛋白表达上调（图3 F），以上这些都与定量结果相符。

图3、基因敲低逆转了维生素D联合放疗所发挥的EMT抑制作用

综上所述，CRC通常对常规疗法产生抵抗性，先前的研究已经报道了维生素D在几种癌症中的抗癌作用，但其在放射治疗中的作用尚不清楚。该研究验证了各种类型的细胞死亡方式后，发现维生素D诱导的放射敏感性与一系列表型相关，包括凋亡、自噬和上皮-间质转化。进一步通过蛋白组学定量来挖掘发挥主要作用的分子机制，找出维生素D介导CRC放射敏感性的关键靶点，为提高CRC的临床放射治疗提供了可靠的实验证据。研究表明，维生素D3能够在体外和体内与IR协同作用，还可以通过调节EMT赋予放射敏感性，从而为提高治疗方案的疗效提供了新的见解。

研究同样表明了蛋白质组学，包括蛋白质修饰组学在机制挖掘上的独特价值。作为中心法则的核心内容，蛋白质是生命活动的主要承担者。蛋白质组学通过全面了解细胞或组织中蛋白质丰度、互作和翻译后修饰等信息，是研究生命活动分子机制的重要技术手段。

图4、维生素D提高CRC辐射敏感性机制示意图

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参考文献

1. Dekker E, et al., 2019, Colorectal cancer[J]. Lancet.

2. Carlberg C, et al., 2020, An update on vitamin D signaling and cancer. Seminars in cancer biology.

3. Yu X, et al., 2021, Vitamin D Enhances Radiosensitivity of Colorectal Cancer by Reversing Epithelial-Mesenchymal Transition. Frontiers in Cell and Developmental Biology.

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