赵明娜等 : IQGAP1 通过 ERK 信号通路促进非小细胞肺癌细胞增殖 肺癌是我国癌症相关死亡的首要原因 [1] 肿瘤 异质性 早期难以发现以及高复发率导致肺癌患者 5 年总生存率仅为 1% [2] 非小细胞肺癌 (non-small cell lung cancer, NSCLC) 约占肺癌总

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1 中国细胞生物学学报 Chinese Journal of Cell Biology 21, 8(): 2 8 DOI: /cjcb 研究论文 IQGAP1 通过 ERK 信号通路促进非小细胞肺癌细胞增殖 赵明娜娄加陶 * ( 上海交通大学附属胸科医院检验科, 上海 2) 摘要该研究探讨了 IQGAP1(IQ domain GTPase-activating protein 1) 对非小细胞肺癌 (nonsmall cell lung cancer, NSCLC) 细胞增殖的影响及其对 ERK 信号通路的调节作用 将内源性 IQGAP1 低表达的 细胞中分为空白组 空载组和 IQGAP1 过表达组 ; 将内源性 IQGAP1 高表达的 细胞中分为空白组 阴性对照 sirna 组和 IQGAP1 sirna 组 ; 采用 ERK1/2 磷酸化抑制剂 U12 处理上述两株细胞 MTT 法检测细胞增殖能力, Western blot 法检测 ERK1/2 和 p-erk1/2 蛋白质水平 结果显示, 在 细胞中, 过表达 IQGAP1 能促进细胞增殖并促进 ERK1/2 磷酸化 ; 在 中, 敲低 IQGAP1 表达能够抑制细胞增殖并下调 ERK1/2 磷酸化水平 用 U12 处理后能抑制 IQGAP1 对细胞增殖的促进作用 研究结果表明, IQGAP1 可通过 ERK 信号通路促进体外非小细胞肺癌细胞增殖 关键词非小细胞肺癌 ; IQGAP1; ERK; 信号通路 ; 细胞增殖 IQGAP1 Promotes Cell Proliferation through ERK Pathway in Non-small Cell Lung Cancer Zhao Mingna, Lou Jiatao* (Department of Laboratory, Shanghai Chest Hospital, ShanghaiJiaotong University, Shanghai 2, China) Abstract 收稿日期 : 接受日期 : 国家自然科学基金 ( 批准号 : ) 和上海市科委基础研究项目 ( 批准号 : 1JC4552) 资助的课题 * 通讯作者 Tel: , loujiatao@12.com Received: February 19, 21 Accepted: April 18, 21 This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No ) and the Basic Research Project of Science and Technology Commission of Shanghai Municipality (Grant No.1JC14552) *Corresponding author. Tel: , loujiatao@12.com 网络出版时间 : :4: This study investigated the regulation of IQGAP1 on proliferation and ERK pathway in nonsmall cell lung cancer (NSCLC) cells. cells, with low endogenous IQGAP1 expression, were treated with blank, Ad-GFP and Ad-GFP-IQGAP1, respectively. cells, with high endogenous IQGAP1 expression, were treated with blank, control sirna and IQGAP1 sirna, respectively. Then, it was followed by MTT assay analysis for cell proliferation and Western blot analysis for ERK protein level. In addition, the two cell lines were treated with U12, an ERK1/2 phosphorylation inhibitor. The results indicated that IQGAP1 over expression promotes cell proliferation and up-regulate the p-erk1/2 expression in cells, while knock-down IQGAP1 results in the opposite scenario in cells. Meanwhile, U12 treatment restrained the promotion of IQGAP1 on cell proliferation. These results suggested that IQGAP1 promotes cell proliferation through ERK pathway in NSCLC. Keywords NSCLC; IQGAP1; ERK; signalpathway; cell proliferation URL:

2 赵明娜等 : IQGAP1 通过 ERK 信号通路促进非小细胞肺癌细胞增殖 肺癌是我国癌症相关死亡的首要原因 [1] 肿瘤 异质性 早期难以发现以及高复发率导致肺癌患者 5 年总生存率仅为 1% [2] 非小细胞肺癌 (non-small cell lung cancer, NSCLC) 约占肺癌总数的 8%~85% 目前, 肺癌的治疗方法主要以手术切除 化疗以及 放疗为主 探索肺癌发生发展的分子背景不仅有助 于寻求最有效治疗方法, 而且对肺癌早期诊断 精 确分型分期以及预测复发和预后均有重要意义 [] IQGAP1(IQ domain GTPase-activating protein 1) 是新近发现的一种 Ras GTP 酶活化蛋白质 [4], 是 Rho 家族成员 Racl 和 cdc42 的一个重要效应因子 IQGAPl 可以结合多种信号分子和结构蛋白, 通过与 靶蛋白结合, IQGAPl 能够参与多种细胞的分子生物 学功能, 包括细胞骨架重塑 细胞间黏附 细胞增 殖 细胞分化, 并且在细胞迁移 细胞外信号转导 网络中发挥着重要的调控作用 [5-7] 近年来研究发 现, IQGAP1 在乳腺癌 胃癌 肝癌等多种肿瘤中发 挥重要作用 [8-1] 然而, 关于 IQGAP1 在肺癌, 特别是 非小细胞肺癌细胞增殖调控研究尚少 本研究以 非小细胞肺癌细胞为研究对象, 通过过表达和敲低 IQGAP1 来研究其对细胞增殖及 ERK 信号通路的影 响, 探讨 IQGAP1 诱导非小细胞肺癌细胞增殖的分子 机制 1 材料与方法 1.1 细胞与试剂 人 NSCLC 细胞株 和 购自 ATCC; RPMI 14 培养基 Opti-MEM 和胎牛血清 (fetal bovine serum, FBS) 均购自 Gibco 公司 ; TRIzol 试剂 和 Lipofectamine 2 购自 Invitrogen 公司 ; 反转录试 剂盒购自宝生物工程 ( 大连 ) 有限公司 ; 引物由英潍 捷基 ( 上海 ) 贸易有限公司合成 ; IQGAP1 sirna 和阴 性对照 sirna 购自广州锐博生物科技有限公司 ; 蛋 白质印迹及蛋白质提取相关试剂购自碧云天生物 技术研究所 ; β-actin 抗体购自 Abcam 公司 ; 兔抗人 IQGAP1 抗体购自 Proteintech 公司 ; 兔抗人 ERK1/2 抗 体和兔抗人 p-erk1/2 抗体购自上海泊湾生物科技有 限公司 ; 辣根过氧化物酶标记的山羊抗兔 IgG 购自北 京中杉金桥生物技术有限公司 ; Alexa Fluor 488 标记 山羊抗兔 IgG 抗体购自 Cell Signaling Technology 公 司 ; MTT 试剂购自北京 Solarbiog 公司 ; DMSO 试剂购 自生工生物工程 ( 上海 ) 股份有限公司 ; ERK1/2 磷酸 化抑制剂 U12 购自 Thermo Fisher 公司 1.2 细胞培养与转染 细胞和 细胞培养于含 1% 胎牛血清的 RPMI 14 培养基中, 置于 7 C 5% CO 2 的培养箱中培养 待细胞汇合度达 7%~8% 时, 分别加入适量 Ad-GFP 及 Ad-GFP-IQGAP1 腺病毒进行病毒感染, 设立空白组 空载组和感染组 待细胞融合度 7%~8% 时, 参考 Lipofectamine 2 说明书转染细胞, 并设立空白组, 阴性对照组和实验组, 置于 7 C 5% CO 2 的培养箱中培养, 48 h 后分别提取 RNA 和蛋白质, 用于后续实验 1. qrt-pcr 细胞提取总 RNA 后, 测定 RNA 浓度 取 2 μg 反转录成 cdna 以 1 μl cdna 为模板进行 PCR, IQGAP1 上游引物 : 5 -GGG ACC AAC CAA AGT GTG TCA AC-, 下游引物 : 5 -CTG CTC ATT ATT GCC TGT CTT GGA-, β-actin 上游引物 : 5 -TGA CGT GGA CAT CCG CAA AG-, 下游引物 : 5 -CTG GAA GGT GGA CAG CGA GG- 按试剂盒说明设置反应体系和程序, 95 C 预变性 5 s, 然后, 95 C 5 s, C 4 s, 4 个循环 所有反应设置 个复孔, 采用 2 ΔΔCt 法进行相对定量 1.4 细胞免疫荧光细胞置于 7 C 5% CO 2 的培养箱中培养 24 h, 贴壁, 弃去细胞培养液, 用 PBS 洗 遍, 冰甲醇固定 1 min, 5% Triton 溶液处理 min 称取 2 g BSA 粉剂溶解于 2 ml PBS 溶液中, 配制 1% BSA 封闭液 加入封闭液室温放置 min 1 1 稀释 IQGAP1, 4 C 孵育过夜, PBS 洗 遍, 每遍 min 二抗孵育: 分,( 5 抗体(1 别加入 Alexa Fluor 488 标记山羊抗兔 IgG 室温孵育 1 h, 用 PBS 洗 5 遍, 每遍 5 min 封片, 荧光显微镜观察 成像 1.5 Western blot 1 μmol/l 的 U12 处理实验细胞 min 后收集蛋白, 裂解细胞时加入 2 蛋白质上样缓冲液, 95 C 加热 5 min, 用 1% SDS-PAGE 蛋白质电泳分离样品, 湿转法转至 PVDF 膜 2% BSA 室温封闭 2 h, 加入一抗 ( 稀 ( 8 释比均为1 于 4 C 孵育过夜, 加入辣根过氧化物酶 (HRP) 标记的二抗, 室温孵育 1 h, 通过化学发光试剂检测蛋白质水平 1. MTT 瞬转后的细胞铺在 9 孔板中, 每孔约 5 个细

3 4 研究论文 胞, 细胞贴壁后, 在培养液中加入 5 mg/ml 的 MTT, 2 h 后移去培养液, 加入 2 μl DMSO, 7 C min, 检 测 D 57 数值, 第 1 d 为 点, 以后每隔 24 h 测量 1 次, 共计 4 d, 最后统计学分析后作出生长曲线 1.7 统计学分析 采用 SPSS 19. 软件进行统计学分析 实验数 据用均数 ± 标准差表示, 两样本均数比较采用 t 检验, P<.5 为差异有统计学意义 2 结果 2.1 检测两种非小细胞肺癌细胞株中 IQGAP1 的 表达 通过荧光定量 PCR 法 蛋白质印迹法和免疫 荧光法检测 2 种非小细胞肺癌细胞株 和 中内源性 IQGAP1 表达 如图 1 所示, 种方法检测结果一致, 即在 和 中都有 IQGAP1 表达, 但 中 IQGAP1 的表达水平显著高于, 差异具有统计学意义 (P<.1) 因此, 这 2 种细胞株可用于后续实验研究 2.2 qrt-pcr 检测转染前后 IQGAP1 在非小细胞肺癌细胞中的表达在内源性 IQGAP1 低表达的 细胞中, 转染 Ad-GFP-IQGAP1 腺病毒质粒, 同时转染空载质粒做对照, 24 h 后检测 IQGAP1 的表达 同样, 在 IQGAP1 高表达的 细胞中, 转染 IQGAP1 sirna, 同时转染对照 sirna, 24 h 后用 qpt-pcr 检测 IQGAP1 的 Relative expression of IQGAP1 mrna IQGAP1 β-actin (C) 1 μm 1 μm A: qrt-pcr 检测两株非小细胞肺癌细胞中 IQGAP1 mrna 水平, P<.1, 与 组比较 ; B: 蛋白质印迹法检测 IQGAP1 蛋白质水平 ; C: 免疫荧 光观察 IQGAP1 在两株非小细胞肺癌细胞中定位 A: the levels of IQGAP1mRNA in two NSCLC cells detected by qrt-pcr, P<.1 vs group; B: the levels of IQGAP1 protein in NSCLC cells detected by Western blot; C: the IQGAP1 positioning in two strains of NSCLC cells observed by immunofluorescence. 图 1 IQGAP1 在 和 细胞株中表达水平的检测 Fig.1 The expression of IQGAP1 in and cells

4 赵明娜等 : IQGAP1 通过 ERK 信号通路促进非小细胞肺癌细胞增殖 5 Relative expression of IQGAP1 mrna IQGAP1 over expressed group Relative expression of IQGAP1 mrna Control sirna group A: IQGAP1 在 细胞表达水平, P<.1, P<.1; B: IQGAP1 在 细胞表达水平, P<.1, P<.1 A: the expression level of IQGAP1 in cells, P<.1, P<.1; B: the expression level of IQGAP1 in cells, *P<.5, P<.1. 图 2 转染后 IQGAP1 的 mrna 水平 Fig.2 The mrna level of IQGAP1 after transfection 7 IQGAP1 overexpressed group # * 7 Control sirna group cell clones cell clones # * A: IQGAP1 对 细胞增殖能力的影响 P<.1, *P<.1, IQGAP1 过表达组与空白组比较 ; P<.1, # P<.1 IQGAP1 过表达组与空载组比较 B: IQGAP1 对 细胞增殖能力的影响, P<.1, *P<.1, IQGAP1 sirna 组与空白组比较 ; P<.1, # P<.1, IQGAP1 sirna 组与对照 sirna 组比较 A: the influence of IQGAP1 in the proliferation of cells. P<.1, *P<.1, IQGAP1 overepression group compared with blank group; P<.1, # P<.1 IQGAP1 overepression group compared with GFP group. B: the influence of IQGAP1 in the proliferation of cells. P<.1, *P<.1 compared with blank group; P<.1, # P<.1 compared with control sirna group. 图 IQGAP1 对 NSCLC 细胞增殖能力的影响 Fig. The influence of IQGAP1 in the proliferation of NSCLC cells 表达 结果如图 2 所示, 转染 Ad-GFP-IQGAP1 腺病毒质粒后, IQGAP1 在 中表达量显著提高 ; 转染 IQGAP1 sirna 后, IQGAP1 在 中表达量显著降低, 差异均具有统计学意义 (P<.1), 可用于后续研究 2. IQGAP1 对 NSCLC 细胞增殖能力的影响通过 MTT 实验检测 IQGAP1 对细胞增殖能力的影响, 结果如图 所示, 与空白组和空载组比较, 细胞过表达 IQGAP1 基因后, 能够显著提高 细胞增殖能力 细胞敲低 IQGAP1 基因后, 能够

5 研究论文 (C) IQGAP1 over expressi group IQGAP1 ERK1/2 P-ERK1/2 β-actin Control sirna group IQGAP1 ERK1/2 P-ERK1/2 β-actin p-erk1/2 relative expression Blank group Transferned group A: IQGAP1 对 细胞 ERK1/2 和 p-erk1/2 的蛋白质水平的影响 ; B: IQGAP1 对 细胞 ERK1/2 和 p-erk1/2 的蛋白质水平的影响 ; C: 细胞 p-erk1/2 相对含量 P<.1, 与空白组比较 ; P<.1, 与对照组比较 A: the effect of IQGAP1 on the protein levels of ERK1/2 and p-erk1/2 of cells; B: the effect of IQGAP1 on the protein levels of ERK1/2 and p-erk1/2 of cells; C: the relative levels of p-erk1/2 in and cells. P<.1 vs blank group, P<.1 vs control group. 图 4 IQGAP1 对 ERK1/2 和 ERK1/2 磷酸化水平的影响 Fig.4 The effect of IQGAP1 on the protein levels of ERK1/2 and p-erk1/2 显著降低 细胞增殖能力, 差异均具有统计学 意义 (P<.1) 此结果提示, IQGAP1 能够促进非小 细胞肺癌细胞的增殖 2.4 IQGAP1 对 ERK 表达水平的影响 通过 Western blot 法检测 ERK 信号通路中 ERK 蛋白的表达水平, 结果如图 4 所示, 在 细胞中, 过表达 IQGAP1 能够促进 ERK1/2 蛋白的磷酸化, 与 空白组 空载组之间的差异具有统计学意义 ; 在 中, 敲低 IQGAP1 表达能够下调 ERK1/2 蛋白的 磷酸化水平, 与空白组 对照 sirna 组比较的差异 具有统计学意义 (P<.1) 以上提示, IQGAP1 可促 进 ERK1/2 的磷酸化 2.5 IQGAP1 联合 U12 处理对非小细胞肺癌细 胞增殖作用的影响 在 和 细胞分别用 1 μmol/l 的 U12 处理 min, 抑制 ERK1/2 的磷酸化, 之后分别过表 达和下调 IQGAP1, 用 MTT 实验检测细胞增殖能力 结果如图 5 所示, U12 能够逆转 IQGAP1 对细胞增 殖的促进作用, 与空白组和对照组比较差异有统计 学意义 (P<.5) 以上结果说明, IQGAP1 通过上调 ERK1/2 的磷酸化水平促进细胞增殖 讨论 IQGAPs 是近年来新发现的一个蛋白质家族 [4], IQGAP1 在人类 IQGAP 蛋白质家族中最早被发现, 能够调节细胞黏附 增殖 迁移和分化 研究证实, [9] [8] [1] IQGAP1 在乳腺癌 肝癌 胃癌等多种肿瘤中均高表达 进一步研究发现, IQGAP1 过表达增强 MCF-7 乳腺上皮细胞增殖能力, sirna 干扰所致内源性 IQGAP1 表达减少阻碍乳腺癌细胞血清依赖性 [11] 生长和不依赖支持物生长 在食管鳞状细胞癌细胞中, 抑制 IQGAP1 表达显著减弱肿瘤细胞生长 转移和侵袭, 同时显著抑制移植鼠体内肿瘤生长 侵 [12] [1] 袭和淋巴结 肺部转移 Hayashi 等也通过干扰 IQGAP1 表达的方法, 证实 IQGAP1 对结肠癌细胞侵袭作用十分关键 另有研究表明, IQGAP1 通过 [14-15] 抑制 mtor 信号通路 活化 Cdc42 Racl 和 Akt [1] 等相关蛋白质, 促进细胞增殖 以上研究表明, IQGAP1 是一个潜在致癌基因 细胞外信号调节激酶 (extrallular signal regulated protein kinase 1/2, ERK1/2) 信号通路, 属于丝裂原活化蛋白激酶 (mitogen activated protein kinase, MAPK) 信号转导通路家族, 参与多种肿瘤恶性生物行为调节 ERK1/2 可调节蛋白质或催化新陈代谢反应关键酶, 是介导细胞反应重要信号系统 ERK1/2 由 Ras 蛋白激活, 以磷酸化和去磷酸化方式应答外来刺激信号 本研究中通过在非小细胞肺癌细胞中高表

6 赵明娜等 : IQGAP1 通过 ERK 信号通路促进非小细胞肺癌细胞增殖 7 cell clones 9 IQGAP1 over expression group IQGAP1 over expression+u12 group * cell clones 9 IQGAP1 sirna+u12 group * * A: U12 对 细胞增殖的影响 P<.1, *P<.1, IQGAP1 过表达 +U12 组与 IQGAP1 过表达组比较 B: U12 对 细胞增殖的影响 *P<.5, IQGAP1 sirna+u12 组与 IQGAP1 sirna 组比较 A: the effect of U12 on cells proliferation. P<.1, *P<.1 IQGAP1 overexpression+u12 group compared with IQGAP1 overexpression group. B: the effect of U12 on cells proliferation. *P<.5 IQGAP1 sirna+u12 group compared with IQGAP1 sirna group. 图 5 U12 对 NSCLC 细胞增殖的作用 Fig.5 The effect of U12 on NSCLC cells proliferation 达或敲低 IQGAP1 基因表达, 证实 IQGAP1 能够促进癌细胞增殖 有研究报道, 在多发性骨髓瘤中, IQGAP1 通过促进 ERK1/2 的磷酸化上调 ERK 信号通 [17] 路 因此, 我们通过过表达 IQGAP1 发现其能够上调非小细胞肺癌细胞中 ERK1/2 磷酸化水平, 与以往研究报道一致 此外, 我们应用 ERK1/2 磷酸化抑制剂 U12 处理细胞, 能够抑制 IQGAP1 促细胞增殖能力, 提示 ERK1/2 可能是 IQGAP1 诱导细胞增殖的下游信号通路 本研究结果表明, IQGAP1 可通过 ERK1/2 信号通路促进非小细胞肺癌细胞增殖 除此之外, IQGAP1 是否参与 MAPK 通路其他蛋白磷酸化过程以及 IQGAP1 对在非小细胞肺癌发生转移过程中是否发挥作用都有待我们进一步研究 综上所述, 本研究首次报道了 IQGAP1 在非小细胞肺癌细胞增殖过程中发挥重要作用, 其可能为非小细胞肺癌基因治疗 寻找新的治疗靶分子提供实验依据, 为肺癌的治疗提供新可能 然而, 本研究尚存在不足之处, 本文选取两株 NSCLC 细胞系进行离体实验, 今后将开展动物实验进一步予以证实 参考文献 (References) 1 Chen W, Zheng R, Baade PD, Zhang S, Zeng H, Bray F, et al. Cancer statistics in China 215. CA Cancer J Clin 21; (2): Jemal A, Siegel R, Xu J, Ward E. Cancer statistics, 21. CA Cancer J Clin 21; (5): Cherni I, Weiss G J. mirnas in lung cancer: Large roles for small players. Future Oncol 211; 7(9): Hart MJ, Callow MG, Souza B, Polakis P. IQGAP1, a calmodulin-binding protein with a rasgap-related domain, is a potential effector for cdc42hs. EMBO J 199;15(12): Song Y, Qian L, Song S, Chen L, Zhang Y, Yuan G, et al. Fra-1 and Stat synergistically regulate activation of human MMP-9 gene. Mol Immunol 28; 45(1): Zhou R, Guo Z, Watson C, Chen E, Kong R, Wang W, et al. Polarized distribution of IQGAP proteins in gastric parietal cells and their roles in regulated epithelial cell secretion. Mol Biol Cell 2; 14(): Adachi M, Kawasaki A, Nojima H, Nishida E, Tsukita S. Involvement of IQGAP family proteins in the regulation of mammalian cell cytokinesis. Genes Cells 214; 19(11): Zoheir KM, Abd-Rabou AA, Harisa GI, Ashour AE, Ahmad SF, Attia SM, et al. Gene expression of IQGAPs and Ras families in an experimental mouse model for hepatocellular carcinoma: A mechanistic study of cancer progression. Int J Clin Exp Pathol 215; 8(8): Sun G, Liu Y, Wang K, Xu Z. mir-5 regulates breast cancer cell metastasis by targeting IQGAP1. Int J Oncol 215; 47(5): Tseng PC, Chen CL, Shan YS, Chang WT, Liu HS, Hong TM, et al. An increase in integrin-linked kinase non-canonically confers

7 8 研究论文 NF-kappaB-mediated growth advantages to gastric cancer cells by activating ERK1/2. Cell Commun Signal 214; 12: Jadeski L, Mataraza J M, Jeong H W, Li Z, Sacks DB. IQGAP1 stimulates proliferation and enhances tumorigenesis of human breast epithelial cells. J Biol Chem 28; 28(2): Wang XX, Wang K, Li XZ, Zhai LQ, Qu CX, Zhao Y, et al. Targeted knockdown of IQGAP1 inhibits the progression of esophageal squamous cell carcinoma in vitro and in vivo. PLoS One 214; 9(5): e Hayashi H, Nabeshima K, Aoki M, Hamasaki M, Enatsu S, Yamauchi Y, et al. Overexpression of IQGAP1 in advanced colorectal cancer correlates with poor prognosis-critical role in tumor invasion. Int J Cancer 21; 12(11): Wang JB, Sonn R, Tekletsadik YK, Samorodnitsky D, Osman MA. IQGAP1 regulates cell proliferation through a novel CDC42-mTOR pathway. J Cell Sci 29; 122(Pt 12): Chen F, Zhu HH, Zhou L F, Wu SS, Wang J, Chen Z. IQGAP1 is overexpressed in hepatocellular carcinoma and promotes cell proliferation by Akt activation. Exp Mol Med 21; 42(7): Meyer RD, Sacks DB, Rahimi N. IQGAP1-dependent signaling pathway regulates endothelial cell proliferation and angiogenesis. PLoS One 28; (12): e Ma Y, Jin Z, Huang J, Zhou S, Ye H, Jiang S, et al. IQGAP1 plays an important role in the cell proliferation of multiple myeloma via the MAP kinase (ERK) pathway. Oncol Rep 21; (): 2-8.

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