張戎金蕾, 邱澤宇, 葛遠龍,3, 鞠振宇, 伍 姝△
(1暨南大學教育部再生醫(yī)學重點實驗室,衰老與再生醫(yī)學研究院,生命科學與技術(shù)學院,廣東 廣州 510632;2香港大學李嘉誠醫(yī)學院生物醫(yī)學學院,香港 999077;3暨南大學暨賽國際-暨南大學聯(lián)合研發(fā)中心,廣東 廣州 510632)
哺乳動物交配型轉(zhuǎn)換/蔗糖不發(fā)酵(mammalian SWItch/sucrose non-fermentable, mSWI/SNF)染色質(zhì)重塑復合物通過ATP 酶(ATPase)亞基水解ATP 供能,重塑染色質(zhì)結(jié)構(gòu),調(diào)控細胞功能,如細胞增殖、分化等。目前報道了29 個編碼mSWI/SNF 復合物亞基的基因,不同的亞基可以組成不同亞型的mSWI/SNF復合物,介導不同的生理學功能。腫瘤中mSWI/SNF的基因突變率較高,且部分基因突變導致復合物功能改變并影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展[1]。多項研究證明,該復合物的多種亞基,尤其是重要的ATPase 亞基SMARCA4 (SWI/SNF-related, matrix-associated, ac‐tin-dependent regulator of chromatin, subfamily A,member 4),在腫瘤發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用,如卵巢癌等腫瘤中存在SMARCA4、ACTL6A(actin-like 6A)等編碼mSWI/SNF 復合物亞基的基因表達上調(diào)[2-3]。因此,mSWI/SNF 也被認為是腫瘤治療靶點之一[4]。針對mSWI/SNF ATPase 亞基的抑制劑被陸續(xù)報道[5-8],且被認為主要通過抑制腫瘤細胞生長和誘導腫瘤細胞凋亡達到抑制腫瘤的效果[5,9-10]。
鐵死亡是一種鐵依賴性脂質(zhì)過氧化物積累導致的細胞死亡[11-12],由膜上過氧化磷酸甘油酯的過度積累誘導。由于部分腫瘤細胞的鐵死亡敏感性高于正常組織,誘導腫瘤細胞發(fā)生鐵死亡是腫瘤治療的重要手段。亞鐵離子依賴的芬頓鏈式反應使多不飽和脂酰磷酸甘油酯過氧化是過氧化磷酸甘油酯積累的主要途徑[13],胱氨酸/谷氨酸逆向轉(zhuǎn)運系統(tǒng)/谷胱甘肽過氧化酶(glutathione peroxidase 4, GPX4)軸或合成泛醌醇(ubiquinol, CoQH2)是清除過氧化磷酸甘油酯的主要途徑[14]。膽固醇(cholesterol, Chol)處理也能通過降低細胞膜流動性抑制過氧化磷酸甘油酯擴散和進一步積累[15]。
此外,mSWI/SNF 復合物也影響膽固醇代謝。研究表明,SMARCA4基因第30 內(nèi)含子上的rs1122608 G/T與血漿膽固醇水平和心肌梗死風險有相關(guān)性[16]。mSWI/SNF 復合物的核心亞基SMARCB1通過調(diào)控乙?;接绊懩懝檀挤€(wěn)態(tài)[17]。肝臟SWI/SNF 的BAF60a 亞基也在全身膽固醇穩(wěn)態(tài)維持方面發(fā)揮功能[18]。
雖然部分文獻報道了鐵死亡與mSWI/SNF 復合物的相關(guān)性,但是兩者的具體關(guān)系仍不夠清晰。人纖維肉瘤HT1080細胞常用于鐵死亡機制的研究,且其編碼mSWI/SNF 復合物亞基的基因不存在基因突變。因此,本項工作旨在利用HT1080 細胞研究SMARCA4 對鐵死亡的影響,從而為鐵死亡機制的研究提供參考。
人纖維肉瘤細胞系HT1080 來自中國典型培養(yǎng)物保藏中心(China Center for Type Culture Collec‐tion, CCTCC)。
QuantStudio? 6 實時熒光定量PCR 系統(tǒng)(Thermo Fisher);高內(nèi)涵共聚焦成像系統(tǒng)(ImageXpress?Mi‐cro Confocal system; Molecular Devices);LSRFortessa流式細胞分析儀(BD)。
DMEM 培養(yǎng)液(C11995500BT)購自Gibco;Lipo‐fectamine? RNAiMAX(13778030)和脂質(zhì)過氧化探針BODIPY ? 581/591 C11(D3861)購 自Thermo Fisher Scientific;RNAiso Plus(108-59-2)購自TaKaRa;逆轉(zhuǎn)錄試劑盒(R323-01)購自南京諾唯贊公司;鐵死亡誘導劑Ras 選擇性致死小分子3(Ras-selective lethal small molecule 3, RSL3; S8155)、廣譜caspase 抑制劑/凋亡阻斷劑N-苯甲基氧化碳酰-纈氨酸-丙氨酸-天冬氨酸-氯化丙酮[Z-VAD(OMe)-FMK, Z-VAD;S7023]、鐵死亡抑制劑鐵抑素1(ferrostatin-1, Fer-1;S7243)和壞死性凋亡抑制劑壞死抑素2 外消旋體(necrostastin 2 racemate, Nec-1s; S8641)購自Selleck;碘化丙啶(propidium iodide, PI; A601112)、2′-[4-乙氧基苯基]-5-[4-甲基-1-哌嗪基]-2,5′-二苯并咪唑三鹽酸化物三水合物(2′-[4-ethoxyphenyl]-5-[4-methyl-1-piperazinyl]-2,5′-bi-1H-benzimidazole trihydrochlo‐ride trihydrate, Hoechst 33342; E607328)和鈣黃綠素乙酰甲酯(calcein acetoxymethyl ester, calcein AM;A602198)購自上海生工生物工程有限公司;qPCR 反應Mix(A301-10)從北京康潤誠業(yè)生物科技有限公司采購;還原型谷胱甘肽(glutathione, GSH)/氧化型谷胱甘肽(GSSG)檢測試劑盒(S0053)和DCFH-DA(S0033S)購自上海碧云天生物技術(shù)有限公司;SMARCA4 抗體(21634-1-AP)購自武漢三鷹生物技術(shù)有限公司;鼠Ⅱ抗(7074)和兔Ⅱ抗(7076)購自Cell Signaling Technology;β-actin 抗體(AC026)從武漢愛博泰克生物科技有限公司采購;胎牛血清(FSP500)從依科賽生物科技(太倉)有限公司采購;其他生化試劑均為進口分裝;引物由北京擎科生物科技股份有限公司根據(jù)設(shè)計合成;siRNA 由蘇州吉瑪生物科技有限公司設(shè)計合成。
3.1 細胞培養(yǎng) HT1080 細胞培養(yǎng)于37 ℃、5% CO2培養(yǎng)箱中,培養(yǎng)液為添加了10%胎牛血清、100 U/mL青霉素和100 mg/L鏈霉素的DMEM高糖培養(yǎng)液。
3.2 RNAi 技術(shù) 依照Lipofectamine? RNAiMAX 說明書敲減SMARCA4基因。
3.3 程序性細胞死亡類型的檢測 參考已發(fā)表的實驗方法[11]:將轉(zhuǎn)染后48 h 的細胞分為4 組,分別換為含1% DMSO、50 μmol/L Z-VAD、50 μmol/L Nec-1s和2 μmol/L Fer-1 的培養(yǎng)液,孵育過夜。利用高內(nèi)涵細胞成像分析系統(tǒng)檢測各組細胞死亡率。
3.4 含膽固醇培養(yǎng)液的配制 參考前人已發(fā)表的實驗方法[19]:按1∶100 比例溶解將膽固醇晶體溶解于無水乙醇。將溶解膽固醇的乙醇溶液以膽固醇∶甲基-β-環(huán)糊精(methyl-β-cyclodextrin, MβCD)為1∶8的比例加入已溶解MβCD 的DMEM 高糖培養(yǎng)液。用0.22 μm 濾膜過濾后添加10%胎牛血清、100 U/mL青霉素和100 mg/L鏈霉素。
3.5 高內(nèi)涵細胞成像分析系統(tǒng)檢測細胞死亡率待測孔板中加入PI 和Hoechst 33342,使其終濃度分別為1 g/L 和2 g/L,37 ℃孵育20 min。每孔分別利用高內(nèi)涵共聚焦成像系統(tǒng)的全自動高速顯微成像模塊在選定的四個視野中拍攝,利用全自動圖像分析模塊分別統(tǒng)計PI 和Hoechst 33342 的陽性細胞數(shù),通過下述公式計算細胞死亡率。細胞死亡率(%)=PI 陽性細胞數(shù)/Hoechst 33342陽性細胞數(shù)×100%。
3.6 流式細胞術(shù)檢測細胞脂質(zhì)過氧化水平、總活性氧(reactive oxygen species, ROS)水平和不穩(wěn)定鐵池(labile iron pool, LIP)水平 收集細胞,分別依照脂質(zhì)過氧化探針(BODIPY? 581/591 C11)、總ROS 探針(DCFH-DA)和LIP 水平探針(calcein AM)說明書染色后,利用流式細胞儀檢測相應指標。
3.7 細胞GSH和GSSG水平的檢測 收集細胞后按照GSH 和GSSG 檢測試劑盒說明書檢測GSH 和GSSG 水平,以蛋白濃度均一化后得到樣品的GSH 和GSSG水平。
3.8 基因轉(zhuǎn)錄水平變化的檢測 依照RNAiso Plus說明書提取各組細胞總RNA;再利用逆轉(zhuǎn)錄試劑盒去除基因組DNA(genomic DNA, gDNA)后逆轉(zhuǎn)錄;最后依照qPCR 反應預混合溶液說明書,利用實時熒光定量PCR系統(tǒng)上機檢測。引物序列見表1。

表1 RT-qPCR引物序列Table 1. The sequences of the primers for RT-qPCR
3.9 Western blot 利用適量含十二烷基硫酸鈉的上樣緩沖液裂解樣品,沸水浴10 min 后用十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠分離蛋白,再將蛋白轉(zhuǎn)到聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride, PVDF)膜上。PVDF 膜封閉后依次孵育相應Ⅰ抗和Ⅱ抗,再在凝膠成像系統(tǒng)中進行化學發(fā)光成像。采用ImageJ 軟件對條帶進行定量分析。
3.10 轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析 我們分析了GSE229452[20]數(shù)據(jù)集中mSWI/SNF ATPase 抑制劑AU-15330 處理后彌漫性內(nèi)在腦橋膠質(zhì)瘤(diffuse intrinsic pontine gliomas, DIPGs)細胞的轉(zhuǎn)錄組變化和GSE102560[21]數(shù)據(jù)集中敲減SMARCA4后人肝癌細胞(HepG2)的轉(zhuǎn)錄組變化:通過DESeq2 包分析GSE229452 的表達差異,篩選兩個數(shù)據(jù)集中同時滿足|log2(fold change)|≥1和P<0.01 的基因,分別作為相應處理的差異基因。先利用VennDiagram 包繪制差異基因的交集,再利用clusterProfiler 包對表達變化趨勢相同的差異基因進行基因本體論(gene ontology, GO)功能富集分析。
本研究的統(tǒng)計學分析是基于Graphpad Prism 8軟件進行的。多組間比較采用單因素方差分析,組間兩兩比較采用LSD-t檢驗。除轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)外其他數(shù)據(jù)n≥3,數(shù)據(jù)用均數(shù)±標準差(mean±SD)表示,P<0.05則認為差異有統(tǒng)計學意義。圖片繪制和處理采用Graphpad Prism 8 軟件、MetaXpress 6 軟件、ImageJ 2 軟 件、Adobe Illustrat 2023 軟件、VennDiagram 包、clusterProfiler包、ggplot2包和FlowJo 10軟件。
鐵死亡誘導劑RSL3 處理顯著誘導HT1080 細胞死亡(P<0.05 或P<0.01;圖1A),也能顯著下調(diào)細胞中SMARCA4蛋白水平(P<0.05或P<0.01;圖1B)。

Figure 1. Treatment with RSL3 reduced the protein level of mSWI/SNF ATPase subunit SMARCA4 in HT1080 cells. A: representa‐tive images of HT1080 cells treated with ferroptosis inducer RSL3 for 8 h at the indicated concentrations (scale bar=100μm; blue: live cells stained with Hochest; fuchsia: death cells stained with Hochest and PI), and cell viability quantified using high-content analysis; B: the SMRACA4 protein level in HT1080 cells treated with RSL3 at the indicated concentra‐tions for 8 h was detected by Western blot. Mean±SD. n=3. *P<0.05, **P<0.01 vs DMSO group.圖1 RSL3處理降低mSWI/SNF ATPase亞基SMARCA4的蛋白水平
敲減SMARCA4基因?qū)е碌募毎劳瞿鼙昏F死亡抑制劑Fer-1 和凋亡抑制劑Z-VAD 處理顯著挽救(P<0.01),見圖2。

Figure 2. Ferroptosis inhibitor rescued HT1080 cell death caused by SMARCA4 knockdown. After knockdown of SMARCA4, HT1080 cells were treated overnight with reprogrammed cell death inhibitor( Z-VAD, Nec-1s or Fer-1) or DMSO. A: merged repre‐sentative images of HT1080 cells( scale bar=100 μm; blue: live cells stained with Hochest; fuchsia: death cells stained with Hochest and PI), and cell mortality quantified using high-content analysis; B: the SMRACA4 protein level in HT1080 cells was detected by Western blot. Mean±SD. n=3. **P<0.01 vs NC group; △△P<0.01 vs DMSO group.圖2 鐵死亡抑制劑挽救敲減SMARCA4導致的死亡
敲減SMARCA4基因可顯著提高脂質(zhì)過氧化和總ROS 水平(P<0.01;圖3A、B),且顯著增加前列腺素內(nèi)過氧化物合成酶2(prostaglandin-endoperoxide synthase 2,PTGS2)基因的轉(zhuǎn)錄(P<0.05;圖3C)。

Figure 3. Knockdown of SMARCA4 affected ferroptosis markers. A: the HT1080 cells were treated with BODIPY ? 581/591 C11(C11-Bodipy) dye at a final concentration of 5 μmol/L, and the relative mean fluorescence intensity( MFI) of lipid reactive oxygen species(ROS) was quantified by flow cytometry; B: the HT1080 cells were treated with DCFH-DA dye at a final concentration of 10 μmol/L, and the relative MFI of total ROS was quantified by flow cytometry; C: relative mRNA expres‐sion level of prostaglandin-endoperoxide synthase 2( PTGS2) in HT1080 cells was measured by RT-qPCR. Mean±SD. n=3. *P<0.05, **P<0.01 vs negative control( NC) group.圖3 敲減SMARCA4影響鐵死亡指標
我們檢測了敲減SMARCA4基因后LIP 重要調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄水平,結(jié)果顯示,敲減SMARCA4基因顯著降低鐵死亡促進基因NCOA4的轉(zhuǎn)錄水平,此外,siSMARCA4-1 組的鐵死亡促進基因ATG7和鐵死亡抑制基因FTH1的轉(zhuǎn)錄水平也顯著增加(P<0.05),見圖4A、B。敲減SMARCA4基因顯著增加calcein AM探針標記的細胞的熒光強度(P<0.01),見圖4C。

Figure 4. Knockdown of SMARCA4 did not induce ferroptosis by the labile iron pool (LIP). A: relative mRNA expression levels of TFR1, KEAP1, ATG5, ATG7 and NCOA4 in negative control (NC) and SMARCA4 knockdown HT1080 cells were mea‐sured by RT-qPCR; B: relative mRNA expression levels of FTL, FTH1, HSPB1, IREB2 and NRF2 in NC and SMARCA4 knockdown HT1080 cells were measured by RT-qPCR; C: the HT1080 cells were stained with calcein AM dye at 0.25μmol/L, and the relative MFI, which is negative correlated with the LIP level, was measured by flow cytometry. Mean±SD. n=3. *P<0.05, **P<0.01 vs NC group.圖4 敲減SMARCA4不通過LIP導致鐵死亡
敲減SMARCA4基因不影響ACSL4和LPCAT3這兩個合成多不飽和脂酰磷酸甘油酯的關(guān)鍵基因(P<0.05);敲減SMARCA4顯著增加SAT1基因的轉(zhuǎn)錄水平(P<0.05),但是沒有明顯影響其下游ALOX15基因的轉(zhuǎn)錄水平(P>0.05),見圖5A。敲減SMARCA4基因?qū)SS和GPX4基因的轉(zhuǎn)錄水平?jīng)]有顯著影響(P>0.05),siSMARCA4-1 和siSMARCA4-2 組在SLC7A11基因上的結(jié)果不一致,見圖5B。僅siSMARCA4-1 組的GSH 水平顯著下降(P<0.05),見圖5C。敲減SMARCA4基因顯著提高GCH1基因的轉(zhuǎn)錄水平(P<0.05),但不影響DHODH和FSP1基因的轉(zhuǎn)錄水平(P>0.05),見圖5D。

Figure 5. Knockdown of SMARCA4 did not induce ferroptosis by affecting the transcription levels of ferroptosis-associated reactive oxygen species(ROS) regulatory genes. A: relative mRNA expression levels of ACSL4, LPCAT3, SAT1 and ALOX15 in negative control( NC) and SMARCA4 knockdown HT1080 cells were measured by RT-qPCR; B: relative mRNA expression levels of SLC7A11, GSS and GPX4 in NC and SMARCA4 knockdown HT1080 cells were measured by RT-qPCR; C: rela‐tive GSH level in NC and SMARCA4 knockdown HT1080 cells; D: relative mRNA expression levels of GCH1, DHODH and FSP1 in NC and SMARCA4 knockdown HT1080 cells were measured by RT-qPCR. Mean±SD. n=3. *P<0.05, **P<0.01 vs NC group.圖5 敲減SMARCA4不通過影響調(diào)控鐵死亡的活性氧調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄水平而導致鐵死亡
在GSE102560 數(shù)據(jù)集中,敲減SMARCA4后HepG2 細胞中有1 716 個差異基因;在GSE229452 數(shù)據(jù)集中,SWI/SNF ATPase 亞基降解劑AU-15330 處理后DIPGs 細胞中有2 118 個差異基因;兩個數(shù)據(jù)集有360 個共同差異基因(圖6A),且其中有95 個共同下調(diào)基因(圖6B),83個共同上調(diào)基因(圖6C)。兩個數(shù)據(jù)集中共同下調(diào)的差異基因主要富集在細胞組分(cell component, CC)這一類別體系中,且脂筏相關(guān)通路(脂筏與膜微結(jié)構(gòu))的評分較高(圖6D)。我們的結(jié)果也顯示,膽固醇合成的重要基因有下降的趨勢(圖6E)。敲減SMARCA4基因顯著降低SQLE和HMGCR基因這兩個關(guān)鍵的膽固醇合成限速酶基因的轉(zhuǎn)錄水平(P<0.05),見圖6F。此外,膽固醇處理能顯著抑制敲減SMARCA4基因?qū)е碌募毎劳雎试黾樱≒<0.01),見圖6G。

Figure 6. Knockdown of SMARCA4 caused cell ferroptosis by inhibiting cholesterol synthesis. A: Venn diagram of common differen‐tially expressed genes( DEGs) from GSE229652 and GSE102560; B: Venn diagram of down-regulated common DEGs from GSE229652 and GSE102560; C: Venn diagram of up-regulated common DEGs from GSE229652 and GSE102560; D: dot plot showed the result of gene ontology (GO) enrichment analysis for down-regulated common DEGs between SMARCA4 knockdown group and control group; E: the expression levels of genes involved in cholesterol synthesis in GSE229652 and GSE102560; F: relative mRNA expression levels of SQLE and HMGCR in NC and SMARCA4 knockdown HT1080 cells were measured by RT-qPCR; G: merged representative images of HT1080 cells treated with Fer-1, cholesterol or DMSO af‐ter knockdown of SMARCA4(scale bar=100 μm; blue: live cells stained with Hochest; fuchsia: death cells stained with Hochest and PI), and cell mortality quantified using high-content analysis. Mean±SD. n=3. *P<0.05, **P<0.01 vs NC group; △△P<0.01 vs DMSO group.圖6 敲減SMARCA4通過抑制膽固醇合成導致鐵死亡
mSWI/SNF 與腫瘤治療的關(guān)系較為復雜:一方面,由于在滑膜肉瘤、一些淋巴和惡性腫瘤中存在mSWI/SNF 復合物亞基的失活突變,mSWI/SNF 被認為具有抑癌作用[1];但另一方面,mSWI/SNF 復合物也是多種惡性腫瘤,如血液惡性腫瘤、膠質(zhì)母細胞瘤、神經(jīng)母細胞瘤、小細胞前列腺癌、乳腺癌和滑膜肉瘤等細胞存活所必須的[1,22-24],被認為是腫瘤治療的靶標。研究抑制mSWI/SNF 對腫瘤細胞的殺傷效果與機制可以為該復合物抑制劑的腫瘤治療效果提供佐證。已有研究認為抑制mSWI/SNF ATPase 亞基通過抑制腫瘤細胞生長和誘導腫瘤細胞凋亡達到抑制腫瘤的效果[1,7]。
本研究顯示,mSWI/SNF 復合物的核心ATPase亞基SMARCA4 可能通過影響細胞內(nèi)膽固醇水平調(diào)節(jié)HT1080細胞的鐵死亡。這表明SMARCA4是殺傷HT1080 細胞的靶標,對研究mSWI/SNF 與鐵死亡的關(guān)系有著重要的啟示作用。此外,鐵死亡誘導劑RSL3處理后SMARCA4蛋白水平顯著降低(圖1),提示RSL3 不止通過靶向GPX4 蛋白誘導鐵死亡,也通過抑制SMARCA4 蛋白誘導鐵死亡。我們還發(fā)現(xiàn)敲減SMARCA4基因使細胞內(nèi)LIP 顯著縮小(圖4C),且顯著提高GCH1基因的轉(zhuǎn)錄水平(圖5D),這提示敲減SMARCA4基因后細胞可能存在降低鐵蛋白自噬和提高GCH1基因轉(zhuǎn)錄水平的反饋調(diào)節(jié)機制。
此外,SMARCA4 亞基被報道調(diào)控細胞的膽固醇攝取和機體的膽固醇穩(wěn)態(tài)。細胞通過低密度脂蛋白受體(low-density lipoprotein receptor, LDLR)吸收膽固醇。SMARCA4-LDLR基因座位于第19號染色體13區(qū),該基因座的多個單核苷酸多態(tài)性都被認為是影響血漿膽固醇水平的遺傳因素[25-26]。我們的結(jié)果顯示,敲減SMARCA4基因通過抑制膽固醇合成導致鐵死亡(圖6)。
鐵死亡往往伴隨著細胞外基質(zhì)組分的變化,例如,RSL3處理后。人皮質(zhì)/近曲小管細胞(HK2細胞)分泌多種纖維化因子并發(fā)生鐵死亡[27];軟骨細胞鐵死亡時II 型膠原的表達水平降低[28]。已有多篇報道表明mSWI/SNF 復合物影響細胞外基質(zhì)[29]。例如,SMARCA4 會影響黑色素瘤胞外基質(zhì)成分,在黑色素瘤轉(zhuǎn)移中起重要作用[29];mSWI/SNF 結(jié)構(gòu)的破壞會導致整合素、鈣黏蛋白和關(guān)鍵間充質(zhì)調(diào)節(jié)因子的表觀遺傳學抑制,并抑制對腫瘤對細胞外基質(zhì)的黏附和侵襲能力[30]。我們的數(shù)據(jù)也表明,抑制SMARCA4亞基影響細胞外基質(zhì)相關(guān)的通路(如細胞外結(jié)構(gòu)、細胞外基質(zhì)、含有膠原的細胞外基質(zhì)和膠原三聚體;圖6D)。這提示SMARCA4 亞基是鐵死亡影響細胞外基質(zhì)的潛在途徑之一。
綜上所述,RSL3 處理降低mSWI/SNF 復合物核心ATPase 亞基SMARCA4 蛋白水平;敲減SMARCA4基因通過抑制膽固醇合成導致鐵死亡。本研究增進了對鐵死亡機制的認識,也提示了染色質(zhì)可及性變化對鐵死亡的重要作用。