Sekvenování dlouhých nekódujících RNA v exozomech u pacientů s kolorektálním karcinomem
Sequencing of long non-coding RNAs in exosomes of colorectal cancer patients
Background: The prognosis of patients with colorectal cancer (CRC) depends mainly on the extent of the disease at the time of diagnosis; therefore, early detection is one of the main prerequisites for successful treatment. Current research shows that exosomal long non-coding RNAs (lncRNAs) are associated with cancer development. As lncRNAs are often tissue specific, their quantification in exosomes is proposed as a non-invasive method for early detection of CRC. In this study, we aimed to optimize a protocol for analyzing exosomal lncRNAs from blood serum of CRC patients as potential diagnostic biomarkers. Material and methods: Exosomes were isolated by gel chromatography from 150 μl of serum of CRC patients and healthy donors. Their quality and quantity were confirmed by electron microscopy and dynamic light scattering (DLS) analysis; protein markers were detected by Western blot. After RNA isolation, cDNA libraries were prepared and sequenced using NextSeq 550. Results: We successfully isolated exosomes and verified them by several methods. Libraries were prepared from all samples despite very low volume of starting material. The sequencing data confirmed the presence of both protein-coding (50%) and non-coding RNAs, which consisted mainly of lncRNAs (28.2%), pseudogenes (15.2%) and other RNA types (6.5%). The results also showed significantly altered levels of some lncRNAs that could distinguish samples from CRC patients and healthy controls. Using gene set enrichment analysis (GSEA), we observed significantly enriched classes of genes related to DNA repair or cell cycle regulation. Conclusion: Our preliminary data suggest that lncRNAs represent a significant fraction of the RNA present in exosomes and that their distinct levels can separate CRC patients from healthy controls. The analysis of enriched genes also showed a significant representation of lncRNAs involved in cell cycle regulation and DNA repair, suggesting their possible involvement in cancerogenesis. However, the results need to be verified in a larger cohort of patients.
Keywords:
gene expression profiling – colorectal neoplasms – Exosomes – RNA, long noncoding – biomarkers, tumor
Autori:
M. Madrzyk 1,2; T. Macháčková 1; K. Trachtová 1; T. Catela Ivković 1; K. Součková 1; J. Kotouček 3; J. Mašek 3; T. Loja 1; M. Šachlová 4; O. Slabý 1
Pôsobisko autorov:
CEITEC – Středoevropský technologický institut, MU Brno
1; LF MU Brno
2; Výzkumný ústav veterinárního lékařství, v. v. i., Brno
3; Gastroenterologické oddělení, MOÚ Brno
4
Vyšlo v časopise:
Klin Onkol 2022; 35(Supplementum 1): 138-141
Kategória:
Článek ve sborníku
Súhrn
Východiska: Prognóza pacientů s karcinomem kolorekta (colorectal cancer – CRC) závisí především na rozsahu onemocnění v době diagnózy, proto je brzký záchyt jedním z hlavních předpokladů úspěšné léčby. Současný výzkum ukazuje, že exozomální dlouhé nekódující RNA (lncRNA) jsou spojeny s rozvojem nádorových onemocnění. Jelikož jsou lncRNA často tkáňově specifické, jejich kvantifikace v exozomech se nabízí jako neinvazivní metoda pro včasnou detekci CRC. V naší práci jsme se zaměřili na optimalizaci protokolu pro analýzu exozomálních lncRNA z krevního séra pacientů s CRC jako potenciálních diagnostických biomarkerů. Materiál a metody: Exozomy byly izolovány pomocí gelové chromatografie ze 150 μl séra pacientů s CRC a zdravých dárců. Jejich kvalita a kvantita byla potvrzena elektronovou mikroskopií a analýzou dynamického rozptylu světla (dynamic light scattering – DLS) a proteinové markery byly detekovány metodou Western blot. Po izolaci RNA byly ze vzorků připraveny cDNA knihovny, které byly sekvenovány pomocí NextSeq 550. Výsledky: Úspěšně jsme izolovali exozomy a ověřili jsme jejich vlastnosti několika různými metodami. Knihovny byly připraveny ze všech vzorků i přes velmi nízký objem výchozího materiálu. Sekvenační data potvrzují přítomnost protein kódující (50 %) i nekódující RNA, kterou tvoří především lncRNA (28,2 %), pseudogeny (15,2 %) a další typy RNA (6,5 %). Výsledky dále ukázaly významně změněné hladiny některých lncRNA, na základě jejichž exprese bylo možné odlišit vzorky od pacientů s CRC od vzorků zdravých kontrol. Pomocí analýzy obohacení genové sady (gene set enrichment analysis – GSEA) jsme pozorovali významně obohacené třídy genů, které souvisejí s opravami DNA nebo regulací buněčného cyklu. Závěr: Naše pilotní data naznačují, že lncRNA představují významnou část RNA přítomné v exozomech a jejich rozdílné hladiny mají schopnost odlišit CRC pacienty od zdravých kontrol. Analýza obohacených genů zároveň prokázala významné zastoupení lncRNA podílejících se na regulaci buněčného cyklu a oprav DNA, což naznačuje jejich možné zapojení do procesů kancerogeneze. Výsledky je však třeba ověřit na větším souboru pacientů.
Klíčová slova:
kolorektální nádory – exozomy – nádorové biomarkery – RNA dlouhá nekódující – stanovení celkové genové exprese
Úvod
Kolorektální karcinom (CRC) tvoří dle odhadů 10 % všech zjištěných karcinomů u mužů a žen a celosvětově představuje druhou nejčastější příčinu úmrtí na nádorové onemocnění [1]. Navzdory lepším přístupům v detekci a léčbě se značný počet pacientů s CRC potýká s nepříznivou prognózou, která do značné míry závisí na rozsahu onemocnění v době diagnózy. Jelikož CRC se často vyvíjí prostřednictvím postupné progrese od adenomu ke karcinomu, včasná diagnostika a resekce prekancerózní tkáně by vedla ke zlepšení pacientovy prognózy. V této souvislosti mají vysokou prioritu neinvazivní biomarkery, které mohou poskytnout spolehlivou a včasnou detekci CRC.
V posledních letech se exozomy objevily jako potenciální rezervoáry klinicky užitečných biomarkerů, které se vyskytují ve všech tělních tekutinách. Tyto membránové váčky vznikají v rámci endozomálního systému, mají velikost 30–150 nm a jsou vylučovány různými typy buněk, vč. nádorových. Exozomy přenášejí informace v podobě nukleových kyselin, proteinů a lipidů a podílejí se na místní i vzdálené mezibuněčné komunikaci [2]. V rozvoji nádorů hrají významnou roli tím, že přepravují onkogeny cílovým buňkám, regulují interakce mezi nádorem a jeho mikroprostředím, podporují vznik metastáz a rozvoj angiogeneze [3]. Vzhledem k rostoucímu počtu studií, které prokázaly, že obsah exozomů odráží biologický stav buněk a že jsou produkovány nádorovými buňkami, lze těchto vlastností využít k detekci RNA biomarkerů, kterými mohou být např. exozomální dlouhé nekódující RNA (lncRNA).
Tato skupina nekódujících RNA se vyznačuje transkripty o délce nejméně 200 nukleotidů, které nejsou překládány do proteinu [4]. Doposud bylo identifikováno více než třicet onkogenních lncRNA zapojených do klíčových signálních drah souvisejících s molekulární patogenezí CRC a očekává se, že jejich počet bude narůstat [5]. Jednou z popsaných exozomálních lncRNA je např. CRNDE-h, jejíž zvýšené hladiny u pacientů s CRC významně korelovaly s nepříznivou prognózou, metastázováním do lymfatických uzlin i přítomností vzdálených metastáz [6]. Jelikož jsou lncRNA často tkáňově specifické a mohou sloužit jako signální molekuly v mezibuněčné komunikaci, jejich kvantifikace v exozomech se nabízí jako neinvazivní metoda pro včasnou detekci CRC [4,7]. V naší práci jsme se zaměřili na analýzu exozomálních lncRNA jako potenciálních biomarkerů pro časnou diagnostiku onemocnění.
Materiál a metody
Exozomy byly izolovány ze 150 μl krevního séra pacientů s CRC (n = 31) a zdravých kontrol (n = 15) metodou vylučovací chromatografie (qEVsingle, IZON). Tab. 1 charakterizuje kohortu pacientů s CRC. Vzorky od pacientů před chirurgickým zákrokem byly odebrány podle standardního odběrového protokolu Masarykova onkologického ústavu (MOÚ), stejně jako vzorky od zdravých kontrol odebírané v rámci preventivní onkologické prohlídky. Všechny vzorky byly zpracovány stejným způsobem a byly uloženy v Bance biologického materiálu MOÚ. Všichni účastníci studie podepsali informovaný souhlas schválený etickou komisí Masarykovy univerzity. Velikost a koncentrace exozomů byly potvrzeny elektronovou mikroskopií a analýzou dynamického rozptylu světla (dynamic light scattering – DLS). Metodou Western blot byly detekovány charakteristické proteinové markery, které jsou asociovány s extracelulární membránou nebo jsou cytosolického původu. Před extrakcí RNA (Monarch Total RNA Miniprep Kit) byly vzorky exozomů ošetřeny proteinázou K, RNázou a následně inhibitorem RNázy. Po izolaci RNA byly ze vzorků připraveny knihovny cDNA pomocí komerčního kitu (NEBNext Ultra II Directional RNA Library Prep Kit, NEB), které byly následně sekvenovány za použití chemie NextSeq 500/ 550 High Output Kit v2.5 (75 cyklů) v módu single-read na sekvenátoru NextSeq 550 (obojí Illumina). Bioinformatická analýza získaných dat zahrnovala vyhodnocení rozdílné genové exprese, které bylo provedeno v programu R s použitím balíčku DESeq2, a zároveň analýzu funkčního obohacení. Genová ontologie (GO) významně deregulovaných genů byla zkoumána analýzou nadměrného zastoupení pomocí R balíčku ClusterProfiler a analýza obohacení genové sady (gene set enrichment analysis – GSEA) byla realizována v R balíčku fGSEA s použitím referenčních sad genů Hallmark (MsigDB).
Výsledky
Úspěšně jsme optimalizovali a standardizovali protokol pro izolaci exozomálních RNA z velmi malého množství vstupního materiálu s následnou bioinformatickou analýzou sekvenačních dat. Získaná data potvrzují přítomnost protein kódujících a nekódujících RNA v exozomech krevního séra. Nejpočetnější skupinu identifikovaných genů tvořily protein kódující RNA (50 %), druhou nejvíce zastoupenou třídou byly lncRNA (28,2 %), dále pak pseudogeny (15,2 %) a jiné typy RNA (6,5 %). Analýza odhalila 85 významně deregulovaných lncRNA (adjustovaná p-hodnota < 0,05; násobná změna > 1,5), z nichž 21 vykazovalo sníženou a 64 zvýšenou expresi ve vzorcích od pacientů s CRC v porovnání se zdravými kontrolami. V tab. 2 je uvedeno 10 nejvýznamnějších lncRNA s mírou exprese větší než 30 kopií. Pro získání nejvýznamnějších tříd funkčně příbuzných genů byly provedeny dva typy analýz obohacení. GO analýza identifikovala geny kódující proteiny, které jsou nadměrně zastoupeny v biologických procesech, a GSEA ukázala nejvýznamněji obohacené či ochuzené mRNA sady. Pomocí GSEA jsme pozorovali významně obohacené třídy genů, které souvisejí s opravami DNA nebo s molekulárními cíli signální dráhy MYC (adjustovaná p-hodnota < 0,05). Nadměrně zastoupené biologické procesy souvisejí se zvýšenou frekvencí transkripce či vývojem endokrinního systému (p-hodnota < 0,001).
Diskuze
LncRNA jsou stále častěji považovány za kritické regulátory mnoha buněčných funkcí. Ve střevní tkáni modulují několik signálních drah, které jsou klíčové pro udržení její homeostázy. Naopak jejich deregulace u nádorových onemocnění může tyto signální kaskády změnit a umožnit maligním buňkám proliferaci a šíření [4]. Expresním profilováním lncRNA lze identifikovat potenciální cíle, které mohou sloužit pro včasnou detekci onemocnění. Sekvenování exozomální RNA navíc nabízí možnost vývoje biomarkerů získaných neinvazivním způsobem z krevního séra nebo plazmy.
V naší studii nám optimalizace protokolu umožnila úspěšnou izolaci exozomů a přípravu cDNA knihoven ze všech vzorků, a to i přes velmi nízký objem výchozího materiálu. S využitím vysokokapacitního expresního profilování RNA byly odhaleny významně změněné hladiny lncRNA ve vzorcích pacientů s CRC v porovnání se zdravými kontrolami a dále byly identifikovány nádorově specifické lncRNA, které ještě nebyly v souvislosti s CRC popsány. Je zajímavé, že zvýšená exprese detekované lncRNA NALT1 byla v minulosti asociována s rozvojem karcinomu žaludku a vznikem metastáz [8]. Provedené analýzy GSEA a GO navíc podpořily významnost našich zjištění v kontextu CRC.
Závěr
Naše předběžná data naznačují, že exozomální lncRNA mají schopnost odlišit pacienty s CRC od zdravých kontrol, a mohly by tak v budoucnu sloužit jako slibné neinvazivní biomarkery pro včasný záchyt tohoto onemocnění. Výsledky je však třeba ověřit pomocí nezávislé metody na větším souboru pacientů a kontrol. Biologická role vybraných lncRNA v patogenezi CRC bude dále ověřena funkčními in vitro a in vivo experimenty.
prof. RNDr. Ondřej Slabý, Ph.D.
CEITEC – Středoevropský technologický
institut
Kamenice 753/5
625 00 Brno
e-mail: oslaby@med.muni.cz
Obdrženo/Submitted: 15. 7. 2022
Přijato/Accepted: 7. 9. 2022
Zdroje
1. Sung H, Ferlay J, Siegel RL et al. Global cancer statistics 2020: GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries. CA Cancer J Clin 2021; 71(3): 209–249. doi: 10.3322/ caac.21660.
2. Yáñez-Mó M, Siljander PRM, Andreu Z et al. Biological properties of extracellular vesicles and their physiological functions. J Extracell Vesicles 2015; 4(2015): 1–60. doi: 10.3402/ jev.v4.27066.
3. Whiteside TL. Tumor-derived exosomes and their role in cancer progression. Adv Clin Chem 2016; 74(3): 103–141. doi: 10.1016/ bs.acc.2015.12.005.
4. Fang Y, Fullwood MJ. Roles, functions, and mechanisms of long non-coding RNAs in cancer. Genomics, Proteomics Bioinforma 2016; 14(1): 42–54. doi: 10.1016/ j.gpb.2015.09.006.
5. Yang Y, Yan X, Li X et al. Long non-coding RNAs in colorectal cancer: Novel oncogenic mechanisms and promising clinical applications. Cancer Lett 2021; 504(2): 67–80. doi: 10.1016/ j.canlet.2021.01.009.
6. Liu T, Zhang X, Gao S et al. Exosomal long noncoding RNA CRNDE-h as a novel serum-based biomarker for diagnosis and prognosis of colorectal cancer. Oncotarget 2016; 7(51): 85551-85563. doi: 10.18632/ oncotarget.13465.
7. Derrien T, Johnson R, Bussotti G et al. The GENCODE v7 catalog of human long noncoding RNAs: analysis of their gene structure, evolution, and expression. Genome Res 2012; 22(9): 1775–1789. doi: 10.1101/ gr.132159.111.
8. Piao H-Y, Guo S, Wang Y et al. Long noncoding RNA NALT1-induced gastric cancer invasion and metastasis via NOTCH signaling pathway. World J Gastroenterol 2019; 25(44): 6508-6526. doi: 10.3748/ wjg.v25.i44.6508.
Štítky
Detská onkológia Chirurgia všeobecná OnkológiaČlánok vyšiel v časopise
Klinická onkologie
2022 Číslo Supplementum 1
- Metamizol jako analgetikum první volby: kdy, pro koho, jak a proč?
- Nejasný stín na plicích – kazuistika
- Fixní kombinace paracetamol/kodein nabízí synergické analgetické účinky
- Tramadol a paracetamol v tlumení poextrakční bolesti
- Antidepresivní efekt kombinovaného analgetika tramadolu s paracetamolem
Najčítanejšie v tomto čísle
- VIII. Radioterapeutické metody a radiofarmaka
- Pilotní analýza exprese PD-L1 u pacientek s ovariálním karcinomem léčených chemoterapií na bázi platiny
- VI. Diagnostické metody v onkologii a biobanking
- XXII. Nádory slinivky, jater a žlučových cest