结肠癌中低氧导致SIRT4表达抑制的分子机制

SIRT4, a tumor suppressor gene, is involved in tumor cell metabolism and usually down-regulated in various tumors; however, the molecular mechanism of SIRT4 down-regulation in cancer is still unclear. Our previous results showed that the mRNA and protein level of SIRT4 was significantly decreased in colon cancer, and hypoxia decreased the expression of SIRT4 while increased the expression of miR-15b-5p in colon cancer cells. Bioinformatics analysis predicted that miR-15b-5p may target SIRT4 gene and inhibit SIRT4 expression. Thus, we propose that SIRT4 expression gradually decrease in colon cancer cells corresponding to miR-15b-5p increase induced by hypoxia during tumor growth, and the down-regulation of SIRT4 contributes to reprogramming of cellular metabolism, and thus promotes the progression of colon cancer. Accordingly, we will systematically and deeply investigate the molecular mechanism of hypoxia-inducing miR-15b-5p expression, verify miR-15b-5p inhibiting SIRT4 expression, and explore the molecular mechanism of SIRT4 suppressing colon cancer progression. This study may contribute to identify the molecular regulatory network of hypoxia-induced down-regulation of SIRT4, and provide clues for exploring the novel targets for prognosis and treatment of colon cancer.

SIRT4作为抑癌基因参与肿瘤细胞代谢，在多种肿瘤中表达下降，但导致SIRT4低表达分子机制至今不清。我们前期工作表明结肠癌中SIRT4 的mRNA和蛋白表达均明显降低，低氧亦能诱导结肠癌细胞SIRT4表达进一步下降，同时低氧可上调miR-15b-5p表达；生物信息分析表明miR-15b-5p可直接靶向SIRT4抑制SIRT4表达。因此我们提出假说：在结肠癌发展过程中，肿瘤细胞逐渐处于低氧状态，低氧上调miR-15b-5p表达导致SIRT4表达水平降低，进而影响细胞代谢重编程，调控结肠癌细胞恶性生物学特性。本研究拟在前期工作基础上，系统深入研究低氧诱导miR-15b-5p表达分子调控机制，验证miR-15b-5p靶向SIRT4负向调控其表达，探讨 SIRT4 在结肠癌细胞恶性抑制作用的分子机制，进而解析低氧诱导SIRT4低表达分子调控网络，为寻找结肠癌预后判断和治疗靶点提供新线索。

本课题组前期利用小鼠结肠癌模型进行了全基因组表达谱芯片分析，结果显示:和正常结肠组织相比，代谢基因SIRT4表达显著降低。因此，本项目深入分析了SIRT4调控结肠癌演进的生物学功能。最初，我们通过公共数据库和结直肠癌患者组织中的实时定量逆转录聚合酶链反应证实了SIRT4在结直肠癌中的表达。我们利用过表达SIRT4的HCT116结直肠细胞模型和敲减SIRT4表达的HT29细胞模型，检测恶性表型（增殖、侵袭和迁移），并建立了活体动物异种移植模型。接着，利用液相色谱/串联质谱法鉴定的差异表达蛋白构建了一个蛋白质相互作用组网络，筛选出SIRT4线粒体互作蛋白GLS，其结果通过免疫共沉淀、western印迹和表型拯救实验得到证实。以上相互作用组网络分子数据提示SIRT4很可能参与了核糖体的生物发生途径。进一步研究发现，SIRT4能够抑制激活谷氨酰胺酶，从而激活AKT/GSK3β/CyclinD1途径，并从体内、外层面证实了SIRT4抑制结肠癌细胞增殖、迁移和侵袭的生物学作用。在完成以上研究的同时，本项目还分析了引起SIRT4低表达的上游调控机制。通过生物信息学预测分析找到了SIRT4候选靶向miR-424-5p，并通过加入miR-424-5p的mimic及inhibitor验证了miR-424-5p靶向SIRT4的调控关系，并证实miR-424-5p可通过抑制SIRT4表达调控细胞的增殖、侵袭。本课题为揭示结肠癌演进的分子调控网络，进一步理解和认识消化道肿瘤发生发展机制提供一个新的学术思路。该课题的研究结果将对结肠癌演进机制的研究提出新的思想与观点，为结肠癌细胞恶性转化预警提供标志物和干预治疗靶点。