Ekspresja FOXD1 jest podwyższona w ludzkich tkankach LUSC
Zapytanie w bazie Gene Expression Profiling Interactive Analysis (GEPIA) wykazało wyższą obfitość transkryptów FOXD1 w próbkach LUSC niż w normalnych próbkach płuc, natomiast w przypadku porównania z gruczolakorakiem płuca nie osiągnięto istotności statystycznej (Rycina 1A). Analiza 12 par tkanek LUSC oraz sąsiednich tkanek nietumorowych za pomocą qRT-PCR i western blottingu wykazała ten sam kierunek zmian (Rycina 1B,C). Barwienie immunohistochemiczne wykazało również silniejszy sygnał FOXD1 w przekrojach guzów niż w odpowiadających im sąsiednich tkankach (Rycina 1D).
Wyciszenie ekspresji FOXD1 zmniejsza żywotność i migrację oraz zwiększa apoptozę w komórkach LUSC
Obfitość transkrypcyjna FOXD1 była większa w komórkach SK-MES-1 i NCI-H226 niż w komórkach BEAS-2B (Rysunek 2A). Przesiewowo przetestowano trzy małe interferujące RNA ukierunkowane na FOXD1; siRNA-1 spowodowało największą redukcję wykrytą metodą qRT-PCR i western blotting, w związku z czym wybrano je do kolejnych analiz (Rysunek 2B,C). W porównaniu z kontrolą negatywną, wyciszenie FOXD1 zmniejszyło sygnał Cell Counting Kit-8 (Rysunek 2D), zwiększyło liczbę komórek dodatnich dla Aneksyny V (Rysunek 2E) oraz zmniejszyło migrację w systemie Transwell (Rysunek 2F) w obu liniach komórkowych LUSC. Do dalszych badań wykorzystano tylko jeden wybrany odczynnik, zatem wyniki funkcjonalne nie stanowią niezależnego od sekwencji wykluczenia efektów poza celem.
Ekspresja METTL3 koreluje z FOXD1 w próbkach LUSC
Metylowanie m6A jest dynamiczną i odwracalną modyfikacją chemiczną powszechnie występującą u eukariontów, regulowaną przez metylotransferazy i demetylazy oraz rozpoznawaną i przetwarzaną przez białka wiążące m6A18. Globalny sygnał m6A był wyższy w 12 tkankach LUSC niż w odpowiadających im tkankach sąsiednich, a także wyższy w obu liniach komórkowych LUSC niż w komórkach BEAS-2B (Rycina 3A). Transkrypty kodujące METTL3, METTL14, WTAP i RBM15 były zwiększone w dobranych próbkach nowotworowych (Rycina 3B). W danych GEPIA oraz w zbiorze 12 nowotworów FOXD1 wykazał najsilniejszą dodatnią korelację z METTL3; korelacja z RBM15 była słabsza (Rycina 3C,D). Analiza Western blotting dodatkowo wykazała wyższą zawartość METTL3 w tkankach nowotworowych (Rycina 3E). Analizy te wykazują współzmienność, a nie bezpośrednią regulację.
Wyciszenie genu METTL3 zmienia poziom FOXD1 i fenotypy komórek LUSC
Trzy małe interferujące RNA nakierowane na METTL3 przebadano w komórkach SK-MES-1 i NCI-H226 za pomocą qRT-PCR i western blottingu (Rycina 4A,B). Wyciszenie METTL3 obniżyło globalny sygnał m6A (Rycina 4C). Nadekspresja FOXD1 zwiększyła poziom FOXD1 bez zwiększenia poziomu METTL3 (Rycina 4D), a eksperyment ratunkowy przeprowadzony na czterech grupach potwierdził niższą zawartość FOXD1 po wyciszeniu METTL3 oraz jej przywrócenie za pomocą konstruktu FOXD1 (Rycina 4E,F). Wyciszenie METTL3 zmniejszyło żywotność i migrację oraz zwiększyło apoptozę; ponowna ekspresja FOXD1 częściowo przeciwdziałała tym zmianom (Rycina 4G–I). Zatem dane z eksperymentu ratunkowego są spójne z tezą, że FOXD1 działa w szlaku downstream względem METTL3 w hodowlach komórkowych.
Zaburzenie funkcji METTL3 wiąże się ze stabilnością RNA i białka FOXD1
Rosnąca liczba dowodów sugeruje, że modyfikacja mRNA m6A moduluje różne aspekty cyklu mRNA, w tym splicing pre-mRNA, translację, eksport nukleocytoplazmatyczny, degradację oraz splicing19,20. Narzędzie SRAMP zidentyfikowało potencjalne motywy m6A w RNA FOXD1, a m6A2Target wskazało METTL3 jako przewidywaną białko typu writer powiązaną z FOXD1 w komórkach H1299 (Rysunek 5A,B). Wyniki z tych baz danych służą do generowania hipotez i nie dowodzą wiązania ani specyficznego dla danej lokalizacji metylowania w komórkach LUSC. Po zablokowaniu transkrypcji za pomocą aktynomicyny D, poziom RNA FOXD1 spadał szybciej po wyciszeniu METTL3 niż w komórkach kontrolnych (Rysunek 5C). Obfitość FOXD1 była wyższa w komórkach z nadekspresją METTL3 traktowanych MG132 niż w kontrolnych komórkach z wektorem traktowanych MG132, natomiast wzorca tego nie zaobserwowano po traktowaniu CHX (Rysunek 5D,E). Kinetyka czasowa dla CHX wykazała szybszy zanik białka FOXD1 po wyciszeniu METTL3 (Rysunek 5F). Łącznie wyniki tych analiz są zgodne ze zmianami stabilności RNA i białka FOXD1 powiązanymi z METTL3, jednak nie identyfikują zmodyfikowanej adenozyny, nie dowodzą bezpośredniego wiązania ani nie definiują białka typu reader dla m6A.
Wyciszenie genu FOXD1 hamuje wzrost ksenoprzeszczepu LUSC
Aby przetestować funkcję FOXD1 in vivo, komórki SK-MES-1 kontrolne oraz z wyciszonym genem FOXD1 zaimplantowano podskórnie u myszy nude (n = 8 na grupę). Począwszy od 1 tygodnia po implantacji, wielkość guzów mierzono co 4 dni przez 20 dni, a następnie pobrano je w 27. dniu po inokulacji. Wycięte guzy były mniejsze w grupie z wyciszonym FOXD1 (Rycyna 6A), ich krzywe wzrostu rosły wolniej (Rycyna 6B), a ich końcowa masa była niższa (Rycyna 6C). W guzach z wyciszonym genem stwierdzono również zmniejszone barwienie na FOXD1 i Ki-67 (Rycyna 6D). Eksperymenty te oceniają wyłącznie efekt wyciszenia FOXD1; nie testują one inhibicji METTL3 in vivo.
Podsumowując, FOXD1 był nadmiernie ekspresowany w tkankach i komórkach płaskonabłonkowego raka płuc oraz wspomagał proliferację, migrację i wzrost ksenoprzeszczepów. Wyciszenie METTL3 obniżyło globalne poziomy m6A, zmniejszyło ekspresję FOXD1 i upośledziło złośliwe fenotypy komórkowe, podczas gdy ponowna ekspresja FOXD1 częściowo odwróciła te efekty. Testy stabilności potwierdzają związaną z METTL3 regulację posttranskrypcyjną FOXD1, ale nie wykazują bezpośredniej metylacji w konkretnych miejscach ani ratowania pełnej ścieżki in vivo. Projekt badania przedstawiono w Rysunku 7.
DOSTĘPNOŚĆ DANYCH:
Wszystkie dane przeanalizowane w niniejszym badaniu zostały zawarte w artykule oraz na towarzyszących mu rycinach. Zanonimizowane dane liczbowe stanowiące podstawę przedstawionych podsumowań są dostępne u autora korespondencyjnego na uzasadnioną prośbę, zgodnie z wymogami ładu instytucjonalnego oraz zasadami ochrony uczestników. Nie wykorzystano plików symulacyjnych ani niestandardowego kodu analitycznego.

Rycina 1: Ekspresja FOXD1 w próbkach raka płuc u ludzi. (A) Porównanie GEPIA poziomu transkrypcji FOXD1 w gruczolczym raku płuca (LUAD) oraz płaskonakletkowym raku płuca (LUSC) w stosunku do prawidłowych próbek płuc. (B) Poziom transkrypcji FOXD1 w 12 parach tkanek LUSC i przyległych tkanek nietumorowych. (C) Poziom białka FOXD1 w tych samych parach tkanek. (D) Reprezentatywna immunohistochemia FOXD1. Tkanka ludzka n = 12 par; powtórzenia techniczne w stylu in vitro nie zmieniają liczby n na poziomie pacjenta. Pasek skali na panelu D = 50 µm. ***P < 0.001. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 2: Efekty wyciszenia genu FOXD1 w komórkach SK-MES-1 i NCI-H226. (A) Poziom transkrypcyjny FOXD1 w komórkach BEAS-2B, SK-MES-1 i NCI-H226. (B) Przesiew qRT-PCR trzech małych interferujących RNA celujących w FOXD1 48 h po transfekcji. (C) Przesiew Western-blot tych samych trzech małych interferujących RNA celujących w FOXD1. (D) Analiza przy użyciu zestawu do liczenia komórek CCK-8 po wyciszeniu FOXD1. (E) Analiza apoptozy z wykorzystaniem Aneksyny V–izotiocyjanianu fluoresceiny/jodku propidynyum po 48 h. (F) Migracja w układzie Transwell zmierzona 24 h po wysianiu transfektowanych komórek; zarchiwizowane obrazy pól widzenia przedstawiono bez retrospektywnego paska skali ze względu na brak dostępnych metadanych kalibracyjnych. Wykonano trzy niezależne eksperymenty biologiczne. *P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 3: Globalny poziom N6-metyloadenozyny oraz powiązanie między METTL3 a FOXD1. (A) Globalny sygnał m6A w tkankach sparowanych oraz w komórkach BEAS-2B, SK-MES-1 i NCI-H226. (B) Transkrypty METTL3, METTL14, WTAP i RBM15 w 12 sparowanych próbkach LUSC i tkanek sąsiadujących. (C) Korelacje GEPIA między FOXD1 a każdym z białek writer. (D) Korelacje między FOXD1 a transkryptami białek writer w 12 guzach LUSC. (E) Białko METTL3 w sparowanych próbkach LUSC i tkanek sąsiadujących. Tkanka ludzka n = 12 par; analizy komórkowe reprezentują trzy niezależne eksperymenty biologiczne. *P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 4: Wyciszenie METTL3, ratunek FOXD1 i fenotypy komórek LUSC. (A) Przesiew qRT-PCR trzech małych interferujących RNA skierowanych przeciwko METTL3 przeprowadzony 48 h po transfekcji. (B) Przesiew Western-blot tych samych trzech małych interferujących RNA skierowanych przeciwko METTL3. (C) Globalny sygnał m6A po wyciszeniu METTL3. (D) Obfitość transkryptu i białka FOXD1 po nadekspresji FOXD1. (E) Obfitość transkryptów METTL3 i FOXD1 w warunkach kontrolnych, si-METTL3, ov-FOXD1 oraz w połączonej grupie si-METTL3 + ov-FOXD1, zmierzona za pomocą qRT-PCR. (F) Obfitość białek METTL3 i FOXD1 w tych samych grupach ratunkowych zmierzona za pomocą Western-blottingu. (G) Analiza z użyciem zestawu Cell Counting Kit-8. (H) Apoptoza określona metodą cytometrii przepływowej. (I) Migracja w systemie Transwell. Przeprowadzono trzy niezależne eksperymenty biologiczne. Liczby pod prążkami Western-blot wskazują znormalizowane stosunki białka docelowego/GAPDH. ns, brak istotności; *P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 5: METTL3 wiąże się z regulacją transkrypcji i białka FOXD1. (A) Przewidywane przez SRAMP miejsca N6-metyloadenozyny w transkrypcie FOXD1. (B) Przewidywanie m6A2Target identyfikujące METTL3 jako kandydującego writera powiązanego z FOXD1. (C) Względna zawartość mRNA FOXD1 po traktowaniu aktynomycyną D w stężeniu 5 µg/mL w komórkach kontrolnych (negatywnych) i komórkach z wyciszeniem METTL3 w czasie 0 h, 2 h, 4 h i 6 h. (D) Zawartość białka FOXD1 w nietraktowanych komórkach kontrolnych z wektorem, komórkach kontrolnych z wektorem traktowanych MG132 oraz komórkach z nadekspresją METTL3 traktowanych MG132 (10 µM MG132). (E) Zawartość białka FOXD1 w nietraktowanych komórkach kontrolnych z wektorem, komórkach kontrolnych z wektorem traktowanych CHX oraz komórkach z nadekspresją METTL3 traktowanych CHX (20 µM CHX). (F) Ekspresja białka FOXD1 po traktowaniu CHX w stężeniu 20 µM przez 0 h, 3 h, 6 h i 9 h w komórkach kontrolnych (negatywnych) i komórkach z wyciszeniem METTL3. GAPDH posłużyło jako kontrola ładowania. Doświadczenia komórkowe przeprowadzono w trzech niezależnych powtórzeniach biologicznych. Przedstawione bloty są reprezentatywne; liczby poniżej prążków wskazują znormalizowane stosunki FOXD1/GAPDH. *P < 0.05; **P < 0.01; ***P < 0.001. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 6: Wyciszenie genu FOXD1 hamuje wzrost ksenoprzeszczepów SK-MES-1. (A) Wycięte guzy z grup kontrolnej ujemnej i grupy z wyciszeniem FOXD1; pasek skali = 1 cm. (B) Wzrost guza mierzony co 4 dni przez 20 dni, rozpoczynając 1 tydzień po implantacji, z pobraniem materiału w 27. dniu po inokulacji. (C) Masa guza w momencie pobrania. (D) Reprezentatywne obrazy immunohistochemiczne FOXD1 i Ki-67 w tkance ksenoprzeszczepu; pasek skali = 50 µm. n = 8 myszy na grupę; **P < 0.01. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 7: Ogólny schemat badania i granice dowodowe. Do profilowania FOXD1, METTL3 oraz globalnego m6A wykorzystano sparowane tkanki LUSC (n = 12 par) oraz linie komórkowe; po perturbacjach genetycznych i próbach ratowania przeprowadzono analizy żywotności, apoptozy, migracji i stabilności. Model ksenoprzeszczepu z wyciszeniem FOXD1 (n = 8 myszy na grupę) był monitorowany przez 20 dni. Schemat odróżnia dowody dotyczące METTL3 uzyskane na komórkach od dowodów specyficznych dla FOXD1 uzyskanych in vivo oraz wskazuje bezpośrednie wiązanie, specyficzne dla miejsca m6A, tożsamość czytnika oraz aktywność METTL3 in vivo jako elementów nieprzebadanych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
| Gen | Kierunek | Sekwencja (5′–3′) |
| FOXD1 | Wstęp | TCTGAGTAACGCGTTATGCTT |
| FOXD1 | Odwrócenie | CGGAATCGGACGCAAGTCTT |
| GAPDH | Wstęp | GGAGCGAGATCCCTCCAAAAT |
| GAPDH | Odwrócenie | GGCTGTTGTCATACTTCTCATGG |
| METTL14 | Wstęp | CTGAAAGTGCCGACAGCATTGG |
| METTL14 | Odwrócenie | CTCTCCTTCATCCAGATACTTACG |
| METTL3 | Wstęp | CCAGCACAGCTTCAGCAGTTCC |
| METTL3 | Odwrócenie | GCGTGGAGATGGCAAGACAGATG |
| RBM15 | Przesunięcie w przód | GTTGTGGCTTATGTGGAGTTTAC |
| RBM15 | Odwrócenie | CACTTAAAACACCGGCATTGG |
| WTAP | Wstęp | GCAACAACAGCAGGAGTCTGCA |
| WTAP | Odwrócenie | CTGCTGGACTTGCTTGAGGTAC |
Tabela 1: Sekwencje starterów do ilościowej reakcji łańcuchowej polimerazy z odwrotną transkrypcją. Sekwencje podano w kierunku 5′–3′.