ALDH5A1在卵巢癌中的表达及其对细胞侵袭特性和预后的影响

赵桐，田训，曹晨

0 引言

卵巢癌是最常见的女性恶性肿瘤之一，据统计，2020年中国有约55 300例卵巢癌新发病例和37 500例死亡病例[1]。卵巢癌转移能力较强，多数于诊断时已出现疾病进展或广泛转移，患者5年生存率不足30%[2]，因此，研究卵巢癌侵袭转移的机制对于该疾病的治疗具有重要意义。

近年来大量研究揭示了线粒体代谢相关基因与肿瘤转移、发展密切相关[3-5]。醛脱氢酶5家族A1（ALDH5A1）编码产物为琥珀酸半醛脱氢酶（SSADH），在线粒体代谢中通过催化琥珀酸半醛的氧化反应来降解γ-氨基丁酸（GABA）。ALDH5A1表达下调，SSADH功能缺陷会导致GABA正常降解途径受阻，转而生成γ-羟基丁酸（GHB），Hilvo等[6]报道了GHB可作为高级别卵巢浆液性癌生物标志，其蓄积提示卵巢癌的进展以及预后不良。

Deng等[7]发现ALDH5A1表达下调可通过抑制甲状腺癌细胞增殖、转移、侵袭、上皮间质转化等途径进而抑制肿瘤发生发展；Kaur等[8]采用Gene Sapiens微阵列数据库进行Meta分析发现，在特定类型肿瘤如胶质瘤、白血病、淋巴瘤中发现ALDH5A1表达上调，而在乳腺癌中ALDH5A1则较正常组织表达下调。

本课题组前期研究也表明，卵巢癌患者肿瘤组织ALDH5A1较正常卵巢组织表达下调，且ALDH5A1低表达与卵巢癌患者临床预后不良相关[9]，然而具体分子机制尚不清楚。本研究将进一步探讨ALDH5A1在卵巢癌发生发展中的作用。

1 资料与方法

1.1 细胞

人卵巢癌上皮SKOV3细胞系来自美国ATCC细胞库。该细胞系在添加10%胎牛血清（FBS，购于美国Gibco公司）和1%青霉素/链霉素（购于美国Gibco公司）的McCoy’s 5A培养基（购于瑞士Lonza公司）中培养，置于37℃、5%CO2的加湿培养箱中。

1.2 生物信息数据库

GEO数据库[9]下载GSE20565卵巢癌转录组数据，分析ALDH5A1 mRNA表达水平。为进一步证实ALDH5A1和共表达基因的蛋白质组学表达，分析从人类蛋白图谱数据库（https://www.proteinatlas.org/）中获得的卵巢癌组织芯片（TMA）队列。

基于网络工具PROGgeneV2[10]评估卵巢癌中ALDH5A1表达水平与患者预后的相关性。运用TCGA数据库中ALDH5A1 mRNA表达数据和578例卵巢癌患者的总生存率信息建立Kaplan-Meier生存曲线图。Kaplan-Meier plotter在线平台芯片数据分析不同TP53突变型别与卵巢癌患者总生存率的关系。

1.3 实验方法

1.3.1 小干扰RNA 下调目的基因ALDH5A1 ALDH5A1 siRNA购自上海生工生物技术有限公司。靶标序列如下：siRNA1: 5’-CGGAAGTGGTACAATTTAATG-3’；siRNA2: 5’-GGTTCAACAACTACAGGAAAG-3’。LipofectamineTM3000（Thermo Fisher）将siRNA和阴性对照按说明书转染到SKOV3细胞中。转染48 h后测定敲减效率。

1.3.2 细胞划痕实验 SKOV3野生型细胞和转染siRNA的细胞按1×106个细胞/孔的密度接种于六孔板中，在5%CO2、37℃下孵育。过夜培养，细胞生长到100%密度。用移液器无菌100 μl枪头尖端在单层细胞上划出划痕。PBS冲洗细胞1次，去除细胞碎片，抚平划痕边缘，再用2.5 ml McCoy's 5A培养基进行细胞培养。倒置显微镜摄取划痕边缘的图像。

1.3.3 细胞侵袭实验 依据试剂盒说明书，用包被人工基质层（Matrigel）的Transwell小室评估SKOV3细胞侵袭能力。将基质在冰上融化，然后将30 μl的基质添加到24孔的Transwell小室中并凝固，野生或转染siRNA的细胞按1×105个细胞/孔的密度置于基质凝胶涂层顶部，在37℃、5%CO2下孵育10 min，使细胞下沉。下室为含有McCoy's 5A培养基，10%胎牛血清作为化学引诱剂。在5%CO2、37℃下孵育24 h后，用棉签去除未穿透膜的细胞。成功迁移至膜底面的细胞，4%聚甲醛固定，0.2%结晶紫染色10 min。倒置显微镜下计数细胞数量。

1.3.4 ALDH5A1共表达基因数据库检索与分析 来自Cancer Cell Line Encyclopedia（CCLE）中的卵巢癌细胞系（n=47）和TCGA中的卵巢浆液性囊腺癌（n=489）患者数据用cBioPortal[11]在线平台进行分析。当Spearman相关性>0.2和P<0.05时，认为该基因为ALDH5A1共表达基因。采用g:Profiler[12]和Metascape[13]两个在线平台数据库中ALDH5A1的共同共表达基因进行通路富集分析。Metascape在线平台将具有相似功能的重要GO关键词可视化为交互网络，进一步确定关键词之间的关系，其中P<0.01、相关度评分>0.3的项位于网状图边缘。此外，运用cBioPortal对ALDH5A1与细胞外基质（ECM）组织通路关键基因进行共表达分析。

1.3.5 实时荧光定量RT-PCR（qRT-PCR）试剂盒（Invitrogen）提取细胞总RNA，用反转录酶（TransGenBiotech）以1 μg总RNA合成cDNA。SYBR Green PCR Master Mix（Takara Bio）和Light Cycler（Roche）行qRT-PCR分析。结果用2-∆∆ct计算。

1.4 统计学方法

所有数据使用GraphPad Prism 8.0进行分析，以三次重复的（）表示。两组间定量资料用Student'st检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 ALDH5A1下调促进卵巢癌细胞侵袭与转移

结果显示，转移灶组织（n=35）与原发灶（n=90）相比，转移灶的ALDH5A1表达水平显著下调（P=1.6×10-5），见图1A。

siRNA技术建立ALDH5A1表达下调的SKOV3卵巢癌细胞系，并用qRT-PCR验证：相比于SKOV3-NC组，SKOV3-siRNA1及SKOV3-siRNA2组中ALDH5A1mRNA表达水平下调，见图1B。Transwell实验表明，随着ALDH5A1表达水平下调，卵巢癌细胞的迁移能力显著增强（P<0.0001），见图1C。划痕实验表明，卵巢癌细胞的迁移能力与ALDH5A1表达水平呈负相关（P<0.01），见图1D。

图1 ALDH5A1下调促进卵巢癌细胞侵袭与转移Figure 1 ALDH5A1 downregulation promoted metastasis and invasion of ovarian cancer

2.2 ALDH5A1与卵巢癌中ECM信号通路的关系

运用cBioPortal在线平台从CCLE数据库中提取了47个卵巢癌细胞株中1 575个ALDH5A1共表达基因，见附表1，从TCGA数据库中的489个卵巢癌患者中提取了1 220个ALDH5A1共表达基因，见附表2。通过取这两个共表达基因集的交集，发现有128个共同的共表达基因重叠，见图2A、附表3（附表1～3请扫描本文OSID码）。对上述128个ALDH5A1的共表达基因进行功能富集分析，以识别共表达基因列表中可能存在的信号通路。首先，运用g:Profiler鉴定ALDH5A1与128个共表达基因的功能信息和富集途径及过程。如图2B所示，生物进程（biological processes: BPs）方面，这些基因主要富集在ECM组织（GO: 0030198）和细胞外结构组织（GO: 0043062）；细胞组成（cellular components:CCs）方面，这些基因主要富集在ECM通路中（GO: 0031012）；分子功能（molecular functions:MFs）分析和Reactome（REAC）分析也显示这些基因在ECM结构成分（GO: 0005201）和ECM组织（REAC: R-HSA-1474244）中显著富集。同时用Metascape平台再次进行了GO分析。推测结果中与ALDH5A1关联密切的20种生命活动，其中富集最显著的基因集是ECM组织通路（GO: 0030198），见图2C。Metascape绘制的共表达通路富集网路显示此20种生命活动彼此密切相关，见图2D。

图2 ALDH5A1基因功能富集分析以及其与卵巢癌中的共表达基因Figure 2 Gene-Ontology analysis of ALDH5A1 and coexpressed genes revealing the relationship between ALDH5A1 and ECM signaling pathways in OC

2.3 卵巢癌患者TP53突变型别影响ALDH5A1与ECM途径中分子的相关性

运用g:Profiler平台找到ECM通路中与ALDH5A1密切相关的基因MMP2、MMP3和MMP14。借助cBioportal平台中的卵巢癌数据库（TCGA,Firehouse Legacy数据集中卵巢浆液性囊腺癌临床资料）转录组数据“RNA Seq V2 RSEM” mRNA表达谱，对ALDH5A1与MMP2、MMP3、MMP14等基因的mRNA表达水平进行Sperman相关性分析。结果提示ALDH5A1与MMP2表达呈负相关（R=-0.34），ALDH5A1与MMP3表达呈负相关（R=-0.27），ALDH5A1与MMP14表达呈负相关（R=-0.30），见图3A。通过分析GEO数据库中卵巢癌转录组芯片数据GSE63885，验证ALDH5A1与MMP2、MMP3、MMP14表达水平的相关性。发现ALDH5A1与MMPs表达水平的相关性与卵巢癌患者是否存在TP53突变有关：在所有卵巢癌患者（n=101）中，ALDH5A1仅与MMP14表达水平显著性负相关（R=-0.26,P=0.009）；而存在TP53突变（n=75）的卵巢癌患者中，ALDH5A1与MMP14表达水平负相关更加显著（R=-0.36,P=0.0014）；在TP53野生型（n=15）卵巢癌患者中，ALDH5A1与MMP2、MMP3、MMP14表达均无显著相关性，见图 3B。

图3 ALDH5A1与ECM组织通路的共表达分析Figure 3 Coexpression analysis of ALDH5A1 and correlated genes among ECM pathways

一方面，我们从HPA数据库中获取卵巢癌TMA队列，临床样本免疫组织化学染色结果从蛋白水平验证卵巢癌患者ALDH5A1和MMPs表达水平呈负相关：ALDH5A1低表达组（Stain:Not detected/Intensity: Negative）中MMP14表达水平（Stain: low/Intensity: Weak）相较于高表达组（Stain: Medium/Intensity: Moderate）MMP14表达水平（Stain:Not detected/Intensity:Negative）有所提升，与转录组数据分析结果一致，见图4。

图4 HPA数据库中两例代表性卵巢癌患者免疫组织化学提示ALDH5A1和MMP14表达负相关Figure 4 Immunohistochemical staining results from HPA database demonstrating the negative correlation between ALDH5A1 and MMP14

2.4 ALDH5A1低表达的卵巢癌患者预后

在卵巢癌患者中ALDH5A1表达较低者预后较差。ALDH5A1高水平卵巢癌患者的总生存率明显高于ALDH5A1低水平卵巢癌患者（HR=0.75（0.64～0.88）,P=0.0005），见图5A。病理Ⅱ级和Ⅲ级患者ALDH5A1高表达与OS改善相关（HR=0.54（0.34～0.88）,P=0.0127;HR=0.79（0.66～0.94）,P=0.0077），见图5B～C。

TP53突变型患者的ALDH5A1表达与总生存时间相关性更为显著（HR=0.71（0.56～0.89）,P=0.0026），见图5E，而TP53野生型卵巢癌患者的ALDH5A1表达则与总生存时间无显著相关（HR=1.07（0.62～1.85）,P=0.82），见图5F。

图5 ALDH5A1 mRNA表达水平与卵巢癌患者预后相关分析Figure 5 Relative analysis between ALDH5A1 mRNA expression and the prognosis of OC patients

3 讨论

真核细胞的线粒体是一种重要的细胞器，在调节细胞增殖、分化、凋亡过程中发挥关键作用[6]。ALDH5A1属于ALDHs家族，编码产物为SSADH，后者对于线粒体代谢中GABA的降解起着非常重要的作用，功能缺陷或降低可导致GABA和GHB在体内蓄积。早在2001年即有研究报道，卵巢癌患者尿液中可观察到GABA浓度升高[14]。Hilvo等[6]发现高级别浆液性卵巢癌患者中GHB有异常蓄积现象，并证明这种蓄积现象是由ALDH5A1基因突变和活性降低引起的。尽管多项研究一致认为ALDH5A1与卵巢癌的发生发展相关，但卵巢癌中ALDH5A1作用的具体分子机制尚不清楚。

本研究发现与原发灶相比，卵巢癌患者转移组织中ALDH5A1的表达水平降低，提示细胞中ALDH5A1表达下调可能促进卵巢癌的侵袭和迁移。为深入了解ALDH5A1的功能，我们进行了功能富集分析，结果显示ALDH5A1共表达基因主要与ECM通路相关。ECM是由细胞合成并分泌到细胞外，分布在细胞表面或细胞之间的大分子物质，由基底膜（basement membrane,BM）和细胞间基质组成，是阻止肿瘤细胞转移的重要组织屏障。肿瘤细胞侵袭转移的首要条件是降解ECM和破坏BM，而MMPs是降解ECM最重要的蛋白酶类[15]。

近年来许多研究表明MMPs和肿瘤的发生发展密切相关，MMP2蛋白在卵巢癌转移中起早期应答蛋白的作用[16-18]。MMP14在基底膜和间质组织迁移过程中细胞外基质降解中发挥着核心作用[19]，它刺激肿瘤-间质信号通路并促进卵巢癌细胞上的血管生成和肿瘤生长[20]。本研究从转录组表达数据、HPA免疫组织化学样本、生存分析数据发现，ALDH5A1下调促进卵巢癌细胞的侵袭和迁移与ECM通路中的关键基因MMP14相关，且这种影响可能与卵巢癌患者TP53突变有关。

综上所述，本研究发现ALDH5A1表达下调与卵巢癌转移密切相关，并初步探讨了ALDH5A1下调可能通过ECM通路影响卵巢癌细胞的侵袭转移能力，提示卵巢癌患者预后不良，具体分子机制尚需进一步研究。本研究提示ALDH5A1可能作为卵巢癌转移标志物以及潜在的治疗靶点。