Роль микроРНК в развитии радиорезистентности клеток рака предстательной железы (экспериментальное исследование)

Введение. Лучевая терапия - один из ведущих методов лечения рака предстательной железы на ранней и поздней стадиях развития. Значительная частота прогрессирования рака предстательной железы после лучевой терапии делает актуальными изучение молекулярных механизмов развития радиорезистентности и выявление прогностических маркеров ее развития.

Цель исследования - идентификация и анализ механизма действия микроРНК, регулирующих радиорезистентность клеток рака предстательной железы на модели андрогеннезависимой клеточной линии DU145.

Материалы и методы. В работе использовали клеточные линии аденокарциномы предстательной железы человека: DU145 - гормононезависимую клеточную линию рака предстательной железы и DU145-RR - ее радиорезистент-ный вариант. Дифференциальную экспрессию микроРНК измеряли в культивируемых клетках DU145 и DU145-RR через 1 и 8 сут после однократного Y-облучения в дозе 4 Гр. Для анализа дифференциальной экспрессии микроРНК в исходном и радиорезистентном вариантах клеток DU145 использовали платформу HiSeq 2000 (Illumina Inc., США). Для идентификации микроРНК применяли базу данных miRBase v.21. Для биоинформатического анализа - базы данных miRTarbase 7.0 и KEGG PATHWAY.

Результаты. Результаты исследования показали, что аберрантная экспрессия miR-101-3p, -148a-3p, -21-3p, -532-5p, -92a-3p в клетках DU145-RR повышается по сравнению с таковой в клетках DU145, а miR-125b-5p, -23a-3p, -424-3p -снижается. Показано, что роль этих микроРНК связана с обеспечением функционального взаимодействия между ДНК-метилтрансферазами, транскрипционным регулятором протоонкогенного белка Myc, а также фосфатазой PTEN в регуляции активности протеинкиназных сигнальных каскадов MAPK и PI3K. Конститутивная активация данных каскадов приводит к повышению выживаемости, миграции, пролиферации и росту клеток.

Заключение. Широкий спектр генов-мишеней и существенное изменение профилей экспрессии микроРНК при различных состояниях, включая переход злокачественных клеток в радиорезистентный статус, делают микроРНК перспективными прогностическими маркерами радиорезистентности при раке предстательной железы.

1. Chaiswing L., Weiss H.L., Jayswal R.D. et al. Profiles of radioresistance mechanisms in prostate cancer. Crit Rev Oncog 2018;23(1-2):39-67. DOI: 10.1615/CritRevOncog.2018025946.

2. Kamran S.C., D'Amico A.V. Radiation therapy for prostate cancer. Hematol Oncol Clin North Am 2020;34(1):45-69. DOI: 10.1016/j.hoc.2019.08.017.

3. Calleris G., Marra G., Dalmasso E. et al. Is it worth to perform salvage radical prostatectomy for radio-recurrent prostate cancer? A literature review. World J Urol 2019;37(8):1469-83. DOI: 10.1007/s00345-019-02749-z.

4. Nakabayashi M., Xie W., Buckle G. et al. Long-term follow-up of a phase II trial of chemotherapy plus hormone therapy for biochemical relapse after definitive local therapy for prostate cancer. Urology 2013;81(3):611-6. DOI: 10.1016/j.urology.2012.12.025

5. Chang L., Graham P.H., Hao J. et al. PI3K/Akt/mTOR pathway inhibitors enhance radiosensitivity in radioresistant prostate cancer cells through inducing apoptosis, reducing autophagy, suppressing NHEJ and HR repair pathways. Cell Death Dis 2014;5(10):e1437. DOI: 10.1038/cddis.2014.415.

6. Долотказин Д.Р., Шкурников М.Ю., Алексеев Б.Я. Роль микроРНК в диагностике рака предстательной железы. Онкоурология 2020;16(4):172-80. DOI: 10.17650/17269776-2020-16-4-172-180.

7. Федянин М.Ю., Игнатова Е.О., Тюляндин С.А. Роль микроРНК при солидных опухолях. Злокачественные опухоли 2013;(1):3-14. DOI: 10.18027/2224-5057-2013-1-3-14.

8. Запорожченко И.А., Рыкова Е.Ю., Лактионов П.П. Основы биологии микроРНК: строение, биогенез и регуляторные функции (обзорная статья). Биоорганическая химия 2020;46(1):3-17. DOI: 10.1134/S106816202001015X.

9. Bartel D.P. Metazoan MicroRNAs. Cell 2018;173(1):20-51. DOI: 10.1016/j.cell.2018.03.006.

10. Farazi T.A., Hoell J.I., Morozov P., Tuschl T. MicroRNAs in human cancer. Adv Exp Med Biol 2013;774:1-20. DOI: 10.1007/978-94-007-5590-1_1.

11. Labbe M., Hoey C., Ray J. et al. MicroRNAs identified in prostate cancer: correlative studies on response to ionizing radiation. Mol Cancer 2020;19(1):63. DOI: 10.1186/s12943-020-01186-6.

12. Xu C.G., Yang M.F., Fan J.X., Wang W. MiR-30a and miR-205 are downregulated in hypoxia and modulate radiosensitivity of prostate cancer cells by inhibiting autophagy via TP53INP1. Eur Rev Med Pharmacol Sci 2016;20(8):1501-8.

13. Tao Z., Xu S., Ruan H. et al. MiR-195/-16 family enhances radiotherapy via T cell activation in the tumor microenvironment by blocking the PD-L1 immune checkpoint. Cell Physiol Biochem 2018;48(2):801—14. DOI: 10.1159/000491909

14. Mao A., Liu Y., Wang Y. et al. miR-449a enhances radiosensitivity through modulating pRb/E2F1 in prostate cancer cells. Tumour Biol 2016;37(4):4831-40. DOI: 10.1007/s13277-015-4336-8.

15. Mao A., Zhao Q., Zhou X. et al. MicroRNA-449a enhances radiosensitivity by downregulation of c-Myc in prostate cancer cells. Sci Rep 2016;6:27346. DOI: 10.1038/srep27346

16. Mercatelli N., Coppola V., Bonci D. et al. The inhibition of the highly expressed miR-221 and miR-222 impairs the growth of prostate carcinoma xenografts in mice. PLoS One 2008;3(12):e4029. DOI: 10.1371/journal.pone.0004029.

17. Wang F., Mao A., Tang J. et al. microRNA-16-5p enhances radiosensitivity through modulating Cyclin D1/E1-pRb-E2F1 pathway in prostate cancer cells. J Cell Physiol 2019;234(8):13182-90. DOI: 10.1002/jcp.27989.

18. Li B., Shi X.B., Nori D. et al. Down-regulation of microRNA 106b is involved in p21-mediated cell cycle arrest in response to radiation in prostate cancer cells. Prostate 2011;71(6):567-74. DOI: 10.1002/pros.21272.

19. McDermott N., Meunier A., Wong S. et al. Profiling of a panel of radioresistant prostate cancer cells identifies deregulation of key miRNAs. Clin Transl Radiat Oncol 2017;2:63-8. DOI: 10.1016/j.ctro.2017.01.005.

20. Чеботарев Д.А., Махоткин М.А., Набока А.В. и др. Получение радиоре-зистентных вариантов клеток линий HeLa и DU145. Наука Юга России 2017;13(4):101-6. DOI: 10.23885/2500-0640-2017-3-4-101-106.

21. Чеботарев Д.А., Махоткин М.А., Набока А.В. et al. Участие микроРНК в регуляции радиорезистентности клеток HeLa и DU145. Генетика 2019;55(9):1011-20. DOI: 10.1134/S1022795419090047.

22. Kozomara A., Griffiths-Jones S. miRBase: integrating microRNA annotation and deep-sequencing data. Nucleic Acids Res 2011;39:D152-7. DOI: 10.1093/nar/gkq1027.

23. McCarthy D.J., Chen Y., Smyth G.K. Differential expression analysis of multifactor RNA-Seq experiments with respect to biological variation. Nucleic Acids Res 2012;40(10):4288-97. DOI: 10.1093/nar/gks042.

24. Chou C.H., Shrestha S., Yang C.D. et al. miRTarBase update 2018: a resource for experimentally validated microRNA-target interactions. Nucleic Acids Res 2018;6(D1):D296-302. DOI: 10.1093/nar/gkx1067.

25. Kanehisa M., Furumichi M., Tanabe M. KEGG: new perspectives on genomes, pathways, diseases and drugs. Nucleic Acids Res 2017;45(D1):D353-61. DOI: 10.1093/nar/gkw1092.

26. Sansal I., Sellers W.R. The biology and clinical relevance of the PTEN tumor suppressor pathway. J Clin Oncol 2004;22(14):2954-63. DOI: 10.1200/JCO.2004.02.141.

27. Sircar K., Yoshimoto M., Monzon F.A. et al. PTEN genomic deletion is associated with p-Akt and AR signalling in poorer outcome, hormone refractory prostate cancer. J Pathol 2009;218(4):505-13. DOI: 10.1002/path.2559.

28. De Muga S., Hernandez S., Agell L. et al. Molecular alterations of EGFR and PTEN in prostate cancer: association with highgrade and advanced-stage carcinomas. Mod Pathol 2010;23:703-12. DOI: 10.1038/modpathol.2010.45.

29. Reid A.H., Attard G., Ambroisine L. et al. Molecular characterisation of ERG, ETV1 and PTEN gene loci identifies patients at low and high risk of death from prostate cancer. Br J Cancer 2010;102:678-84. DOI: 10.1038/sj.bjc.6605554.

30. Wang S., Gao J., Lei Q. et al. Prostatespecific deletion of the murine Pten tumor suppressor gene leads to metastatic prostate cancer. Cancer Cell 2003;4(3):209-21. DOI: 10.1016/s1535-6108(03)00215-0.

31. Gray I.C., Stewart L.M., Phillips S.M. et al. Mutation and expression analysis of the putative prostate tumoursuppressor gene PTEN. Br J Cancer 1998;78(10):1296-300. DOI: 10.1038/bjc.1998.674

32. Faratian D., Goltsov A., Lebedeva G. et al. Systems biology reveals new strategies for personalizing cancer medicine and confirms the role of PTEN in resistance to trastuzumab. Cancer Res 2009;69(16):6713-20. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-09-0777.

33. Mao C., Liao R.Y., Chen Q. Loss of PTEN expression predicts resistance to EGFR-targeted monoclonal antibodies in patients with metastatic colorectal cancer. Br J Cancer 2010;102(5):940. DOI: 10.1038/sj.bjc.6605575.

34. Zafarana G., Ishkanian A.S., Malloff C.A. et al. Copy number alterations of c-MYC and PTEN are prognostic factors for relapse after prostate cancer radio therapy. Cancer 2012;118(16):4053-62. DOI: 10.1002/cncr.26729.

35. Teng D.H., Hu R., Lin H. MMAC1/ PTEN mutations in primary tumor specimens and tumor cell lines. Cancer Res 1997;57(23):5221-5.

36. Zhou J., Du T., Li B. et al. Crosstalk between MAPK/ERK and PI3K/AKT signal pathways during brain ischemia/reperfusion. ASN Neuro 2015;7(5):1759091415602463. DOI: 10.1177/1759091415602463.

37. Xu F., Na L., Li Y., Chen L. Roles of the PI3K/AKT/mTOR signalling pathways in neurodegenerative diseases and tumours. Cell Biosci 2020;10:54. DOI: 10.1186/s13578-020-00416-0.

38. Chang L., Ni J., Beretov J. et al. Identification of protein biomarkers and signaling pathways associated with prostate cancer radioresistance using label-free LC-MS/MS proteomic approach. Sci Rep 2017;7:41834. DOI: 10.1038/srep41834.

39. Burgio S.L., Fabbri F., Seymour I.J. et al. Perspectives on mTOR inhibitors for castration-refractory prostate cancer. Curr Cancer Drug Targets 2012;12(8):940-9. DOI: 10.2174/156800912803251234.

40. Griffin C., McNulty J., Pandey S. Pancratistatin induces apoptosis and autophagy in metastatic prostate cancer cells. Int J Oncol 2011;38(6): 1549-56. DOI: 10.3892/ijo.2011.977.

41. Nauseef J., Henry M. Epithelial-to-mesenchymal transition in prostate cancer: paradigm or puzzle? Nat Rev Urol 2011;8(8):428-39. DOI: 10.1038/nrurol.2011.85.

42. Li H., Tang D.G. Prostate cancer stem cells and their potential roles in metastasis. J Surg Oncol 2011;103(6):558-62. DOI: 10.1002/jso.21806.

43. Chang L., Graham P.H., Hao J. et al. Emerging roles of radioresistance in prostate cancer metastasis and radiation therapy. Cancer Metastasis Rev 2014;33(2-3):469-96. DOI: 10.1007/s10555-014-9493-5.

44. Nakanishi A., Kitagishi Y., Ogura Y., Matsuda S. The tumor suppressor PTEN interacts with p53 in hereditary cancer. Int J Oncol 2014;44(6):1813-9. DOI: 10.3892/ijo.2014.2377.

45. Xu J., Zhang W., Lv Q., Zhu D. Overexpression of miR-21 promotes the proliferation and migration of cervical cancer cells via the inhibition of PTEN. Oncol Rep 2015;33(6):3108-16. DOI: 10.3892/or.2015.3931.

46. Riley K.J., Rabinowitz G.S., Yario T.A. et al. EBV and human microRNAs co-target oncogenic and apoptotic viral and human genes during latency. EMBO J 2012;31(9):2207-21. DOI: 10.1038/emboj.2012.63.

47. Nagpal V., Rai R., Place A.T. et al. MiR-125b is critical for fibroblast-to-myofibroblast transition and cardiac fibrosis. Circulation 2016;1339(3): 291-301. DOI: 10.1161/CIRCULATIONAHA.115.018174.

48. Macedo-Silva C., Benedetti R., Ciardiello F. et al. Epigenetic mechanisms underlying prostate cancer radioresistance. Clin Epigenet 2021;13(1):125. DOI: 10.1186/s13148-021-01111-8.

49. Jili S., Eryong L., Lijuan L., Chao Z. RUNX3 inhibit laryngeal squamous cell carcinoma malignancy under the regulation of miR-148a-3p/DNMT1 axis. Cell Biochem Funct 2016;34(8):597-605. DOI: 10.1002/cbf.3233.

50. Zhang J., Yang C., Wu C. et al. DNA Methyltransferases in cancer: biology, paradox, aberrations, and targeted therapy. Cancers (Basel) 2020;12(8):2123. DOI: 10.3390/cancers12082123.

51. Bui T.V., Mendell J.T. Myc: maestro of microRNAs. Genes Cancer 2010;1(6):568-75. DOI: 10.1177/1947601910377491.

52. Richardsen E., Andersen S., Al-Saad S. et al. Low expression of miR-424-3p is highly correlated with clinical failure in prostate cancer. Sci Rep 2019;9(1):10662. DOI: 10.1038/s41598-019-47234-0.

53. Kim M.Y., Shin H., Moon H.W. et al. Urinary exosomal microRNA profiling in intermediate-risk prostate cancer. Sci Rep 2021; 11(1):7355. DOI: 10.1038/s41598-021-86785-z.