晚期前列腺癌患者常出现治疗耐药,部分病例中癌症会进展为一种称为神经内分泌型前列腺癌的致死性亚型。研究介导这一转变过程的小分子非编码RNA相关的分子改变,有助于更精确地进行疾病分型,并识别导致神经内分泌型前列腺癌发生的因果机制。
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晚期前列腺癌患者常出现治疗耐药,部分病例中癌症会进展为一种称为神经内分泌型前列腺癌的致死性亚型。研究介导这一转变过程的小分子非编码RNA相关的分子改变,有助于更精确地进行疾病分型,并识别导致神经内分泌型前列腺癌发生的因果机制。
通过剥夺雄激素来抑制雄激素受体(AR)信号通路是前列腺癌一线治疗的目标,该疗法最初可导致肿瘤消退。然而,在相当一部分病例中,疾病会进展为晚期去势抵抗性前列腺癌(CRPC),后者治疗选择有限且常具有侵袭性。在此侵袭性疾病阶段,通常可观察到远处转移。CRPC采用第二代AR通路抑制剂治疗,虽可初期改善生存,但随后会出现治疗耐药。神经内分泌型前列腺癌(NEPC)是一种罕见的前列腺癌(PCa)亚型,常因治疗耐药后发生称为神经内分泌分化(NED)的转分化过程而产生,此时PCa细胞发生谱系转变,由腺癌转为表达增强的神经内分泌(NE)谱系标志物。除驱动NEPC进展和转分化的基因组改变外,表观遗传因素和微环境信号也被认为在促进疾病进展中发挥关键作用。本文提供了一项详细方案,用于鉴定与晚期PCa相关的表观遗传驱动因子(即小非编码RNA)。该方案利用来自福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)转移组织及其相应血清来源的细胞外囊泡(EVs)中纯化的microRNA,描述了如何制备适用于测序的、具有适当质量控制的microRNA文库。由于RNA大多已降解或含量极低,从FFPE样本和EVs中分离RNA通常具有挑战性。本方案将详细阐述多种优化RNA起始量和cDNA文库的方法,以在测序后获得尽可能多的特异性读段和高质量数据。
前列腺癌由雄激素通过AR信号通路驱动,因此靶向AR通路是该疾病的主要治疗手段1。然而,由于靶向治疗常导致耐药性的产生,疾病会进展为晚期转移性去势抵抗性前列腺癌(CRPC)2。CRPC通常采用第二代AR治疗药物(如恩杂鲁胺和阿比特龙)进行治疗2,3,初期可改善生存率。然而,在约25−30%的经治CRPC病例中,常出现致死性变异类型,如神经内分泌前列腺癌(NEPC),其治疗选择有限,导致死亡率上升3。NEPC通过一种称为神经内分泌分化的可逆性转分化过程(NED)产生,此过程中前列腺癌细胞发生谱系转变,从腺癌表型转变为神经内分泌表型,表现为AR表达降低,同时神经内分泌谱系标志物(如烯醇化酶2(ENO2)、嗜铬粒蛋白A(CHGA)和突触素(SYP))表达升高4。鉴于这些耐药变异是由治疗干预所诱导产生的,解析导致这种致命且难治型前列腺癌形成的分子通路至关重要。
Beltran 等人最近通过一项详尽的研究解析了神经内分泌前列腺癌(NEPC)的基因组特征,该研究分析了来自患者转移组织的拷贝数变异、突变、单核苷酸多态性(SNPs)以及DNA甲基化状态5。尽管在理解这种侵袭性前列腺癌(PCa)的基因组学方面已取得显著进展,但关于表观遗传因素(包括参与CRPC-腺癌向NEPC转化过程的小非编码RNA(microRNA, miRNA))的研究仍十分有限。microRNA(miRNA)是长约22 bp的双链RNA分子,主要通过与靶标mRNA的3'-非翻译区(UTRs)进行序列特异性结合,从而在转录后水平抑制基因表达6。目前已有多个致癌性miRNA(oncomiR)和肿瘤抑制性miRNA被鉴定出来,其在调控多种癌症疾病起始和转移过程中的作用已被广泛研究6,7。这些小非编码RNA常作为控制疾病死亡率的重要靶点6,8,9。近年来的研究重点逐渐转向理解miRNA通过细胞外囊泡(EVs,如外泌体)在血液中运输所介导的旁分泌效应,从而在无核酸酶环境中将这些二级信使传递至转移部位,促进癌症转移10,11,12。EVs可将miRNA从肿瘤细胞携带至受体细胞,传递其转化效应12。因此,将EVs识别为肿瘤细胞的二级信使,可能有助于无创性地检测疾病的严重程度。
miR-1246 在侵袭性前列腺癌(PCa)的细胞外囊泡(EVs)中显著上调,并提示疾病严重程度13。这些与EV相关的miRNA不仅可作为疾病的无创生物标志物,还在促进肿瘤发生中发挥重要的功能作用。因此,了解与耐药型前列腺癌相关的miRNA谱系的意义,对于更好地识别无创生物标志物及其功能重要性至关重要。
下一代测序技术的出现为全面研究肿瘤图谱提供了最有力的平台,能够深入分析基因组水平的多种改变,如基因突变、染色体重排、染色体碎裂(chromothripsis)以及甲基化修饰,这些改变均显著影响癌症的形态与性质14,15,16。同样,该技术也是理解肿瘤细胞中广泛发生的表观基因组变化的关键工具,而这些变化常常在疾病严重程度中发挥重要作用17。为了揭示与神经内分泌前列腺癌(NEPC)发生相关的miRNA谱,本研究对福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)的转移性去势抵抗性前列腺癌(CRPC)组织及其相应的血清来源的细胞外囊泡(EVs)进行了小RNA测序。然而,来源于这两种样本的RNA通常(1)得率较低,且(2)质量较差,主要由于甲醛固定和EV分离过程导致的RNA降解。此外,构建cDNA文库是测序过程中的关键步骤,但操作繁琐。因此,针对此类RNA的提取及其用于小RNA测序文库构建的方法亟需优化,以获得准确且可靠的测序数据。
在不同样本中分析miRNA表达水平的方法有多种,包括RT-PCR、微阵列(microarrays)和原位杂交(ISH)。最近已发表一项利用福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织提取的RNA,通过RT-PCR和ISH检测miRNA表达的实验方案18。更新的技术提供了更全面、更系统的miRNA表达谱分析平台。NanoString nCounter技术提供了一种高灵敏度的miRNA检测平台19,但其检测范围通常受限于芯片中可检测的miRNA数量(约2,000种)。在此情况下,新一代测序等更为灵敏且全面的技术可实现更深度的miRNA鉴定,并同时对不同样本进行表达谱分析20。该方法已被用于确定前列腺癌(PCa)患者尿液或血浆中的miRNA表达特征21,22,23。本文提供了一项实验方案,旨在利用新一代测序平台,结合FFPE组织和血清来源的细胞外囊泡(EV)RNA,研究与侵袭性去势抵抗性前列腺癌(CRPC)相关的miRNA表达谱。
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本研究遵循美国通用规则的伦理准则,并经机构人类研究委员会批准。
1. 显微解剖
注意:具有腺癌特征的福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)转移性去势抵抗性前列腺癌组织(CRPC-Adeno)或具有神经内分泌分化特征的组织(CRPC-NE)来自前列腺癌生物样本库网络(Prostate Cancer Biorepository Network, PCBN)。如先前所述18,将载玻片上的10微米前列腺癌组织切片用于手工显微切割。简要总结如下:
2. 分离血清来源的细胞外囊泡
注意:采用经批准的机构审查委员会(IRB)方案,从具有腺癌特征的转移性去势抵抗性前列腺癌(CRPC-adeno)或具有神经内分泌分化特征的患者(CRPC-NE)中获取冷冻患者血清样本,样本由前列腺癌生物样本网络(PCBN)提供,并在使用前于 -80 °C 保存。血清样本来源于与显微切割组织所用患者相同的队列,以便对相应组织与血清来源的细胞外囊泡(EVs)进行比较。采用市售的血清EV分离试剂提取EVs。
3. 从显微切割的前列腺组织和细胞外囊泡中分离RNA
注意:采用市售试剂盒(材料表)按照生产商说明书,稍加修改后,从显微切割组织和纯化的细胞外囊泡(EVs)中提取总RNA。以下部分简要描述这些操作步骤,并重点强调关键环节:
4. 小RNA测序文库构建
注意: 使用小RNA文库制备试剂盒(材料表)从分离的RNA样本中构建cDNA文库。在上机测序前,文库的构建、纯化及质量检测步骤对于任何测序流程都至关重要,因为这些步骤最终决定了测序结果数据的质量。因此,每一步操作都需谨慎进行。制造商的指南建议至少使用50 ng的RNA。鉴于通常从这两种样本来源获得的总RNA质量和数量较低,本方案已优化至适用于低至100 ng的RNA浓度。以下方案适用于一个文库样本。
5. 数据分析
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在RNA提取后并进行质量检测,制备文库。从显微切割组织和血清来源的细胞外囊泡(EVs)提取的RNA制备的扩增cDNA文库的凝胶纯化结果如图1和图2所示。每个样本中接头连接的miRNA产物大小约为136−160 bp。图1A-B中标注了为小RNA文库制备需精确切取的凝胶区域。图2A-B展示了显微切割组织和血清来源EVs的凝胶电泳图及电泳图谱。补充图1展示了电泳仪的代表性结果以及摩尔浓度的计算方法。
在上机测序前获取文库数据指标的步骤已完成。图3展示了小RNA测序运行的代表性指标,包括预期的簇密度、质控分数、通过滤筛的簇百分比,以及预估产量和错误率。...
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本文介绍了一种使用经过优化的试剂盒从福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织和血清来源的细胞外囊泡(EVs)中分离RNA的实验方案,该方案可提高所分离RNA的得率和质量。随后,利用纯化的RNA构建了用于小RNA测序的cDNA文库。上述两个步骤对于最终测序结果的质量和测序深度至关重要24。因此,优化这些关键步骤是实现成功测序运行的前提。
从FFPE样本中分离RNA的一个重要步骤是使用蛋白酶K进行消化,以去除组织中交联的甲醛。该步骤通过将样本分别在55 °C和80 °C孵育约16−18分钟进行了优化,从而有效提高了所分离RNA的质量,表现为260/280比值的升高。在包含多个样本的测序运行中,测序读长常常存在差异。因此,在文库构建起始阶段控制RNA的投入量有助于实现文库的一致性。使用标准化的RNA有助于使不同样本之间的测序运行达到均一化。文库构建中最关键的步骤是纯化经扩增并连接接头的cDNA。必须仔细切取位于140 bp标记条带以上的凝胶部分,因为若切胶位置稍偏低,便会引入接头二聚体污染。最后,对cDNA文库进行标准化是测序流程中最重要的步骤...
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作者声明无利益冲突。
本工作由美国陆军医学研究采购活动(USAMRAA)通过创意发展奖资助,项目编号为 W81XWH-18-1-303 和 W81XWH-18-2-0013,以及前列腺癌生物样本库网络(PCBN)项目编号 W81XWH-18-2-0015、W81XWH-18-2-0016、W81XWH-18-2-0017、W81XWH-18-2-0018 和 W81XWH-18-2-0019。作者实验室还获得了美国国立卫生研究院国家癌症研究所的资助(资助编号 RO1CA177984)。Rajvir Dahiya 是美国退伍军人事务部的高级研究职业科学家(项目编号 BX004473),并获得 NIH-UO1CA199694 项目(RD)资助。本文观点、解释、结论和建议均为作者个人观点,不一定代表美国国防部或美国陆军的立场。我们感谢旧金山退伍军人事务医疗中心核心设施主任 Judy Shigenaga 在使用 NextSeq 500 测序仪方面提供的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3 M NaOAc pH 5.5 | USB Corp. | 75897 100 mL | |
| 5 µm 滤膜管 | IST Engineering Inc. | 5388-50 | |
| 6% TBE 聚丙烯酰胺凝胶 | Novex | EC6265BOX | |
| BaseSpace | Illumina | 分析软件 | |
| 生物分析仪 | Agilent | ||
| DNA 上样染料 | Novex | LC6678 | |
| Eppendorf 恒温仪 plus | Eppendorf 1.5 mL | ||
| EtBr | Pierce | 17898 | |
| 200 证明乙醇 | Pharmco | 111000200 | |
| 外泌体 RNA 提取试剂盒 | Norgen | 58000 | |
| 凝胶破碎管 | IST Engineering Inc. | 3388-100 | |
| 分子生物学级糖原 | Thermo Scientific | R0561 | |
| 苏木精 Select | Stat lab | SL401 | |
| 微量离心机 | Fisher Scientific | 13-100-676 | accuSpin Micro 17R |
| miRNeasy FFPE 试剂盒 | Qiagen | 217504 | |
| NanoDrop | Thermo Scientific | Nano Drop 1000 | |
| NanoSight NTA | Malvern | LM14 | |
| NextSeq 500 测序仪 | Illumina | ||
| NextSeq 500/550 中等输出试剂盒 v2(150 个循环) | Illumina | FC-404-2001 | |
| 沉淀染色剂 | Millipore | 70748-3 | |
| Superscript II 逆转录酶 | Invitrogen | 18064014 | |
| T4 RNA 连接酶 2 缺失突变体 | Lucigen | LR2D11310K | |
| TBE 电泳缓冲液(5×) | Novex | LC6675 | |
| PCR 扩增仪 | MJ Research | PTC100 | |
| 总外泌体分离试剂(来自血清) | Invitrogen | 4478360 | |
| TrueSeq 小 RNA 文库构建试剂盒-套装 A(索引 1-12) | Illumina | RS-200-0012 | |
| 二甲苯 | Fisher Scientific | X3P- 1GAL | |
| RNA 3' 引物 | GUUCAGAGUUCUACAGUCCGACGAUC | ||
| RNA 5' 引物 | TGGAATTCTCGGGTGCCAAGG | ||
| 终止寡核苷酸 | GAAUUCCACCACGUUCCCGUGG | ||
| RNA RT 引物 | GCCTTGGCACCCGAGAATTCCA | ||
| RNA PCR 引物 | AATGATACGGCGACCACCGAGATCTACACGTTCAGAGTTCTACAGTCCGA | ||
| RNA PCR 索引引物 | CAAGCAGAAGACGGCATACGAGAT[6 个碱基]GTGACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCA | ||
| - | - | - | 接头中的 6 个碱基 |
| RNA PCR 索引引物 1 | CGTGAT | ||
| RNA PCR 索引引物 2 | ACATCG | ||
| RNA PCR 索引引物 3 | GCCTAA | ||
| RNA PCR 索引引物 4 | TGGTCA | ||
| RNA PCR 索引引物 5 | CACTGT | ||
| RNA PCR 索引引物 6 | ATTGGC | ||
| RNA PCR 索引引物 7 | GATCTG | ||
| RNA PCR 索引引物 8 | TCAAGT | ||
| RNA PCR 索引引物 9 | CTGATC | ||
| RNA PCR 索引引物 10 | AAGCTA | ||
| RNA PCR 索引引物 11 | GTAGCC | ||
| RNA PCR 索引引物 12 | TACAAG |
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