Αφηρημένο

Η ταχεία ανάπτυξη των καρκινικών κυττάρων που τροφοδοτείται από τη γλυκόλυση παράγει μεγάλες ποσότητες των πρωτονίων στα καρκινικά κύτταρα, τα οποία τρι μηχανισμούς για να τους μεταφέρουν έξω, ως εκ τούτου, οδηγεί σε αυξημένη οξύτητα στο εξωκυττάριο περιβάλλον τους. Έχει καθιερωθεί ότι η αυξημένη οξύτητα θα επάγει κυτταρικό θάνατο των κανονικών κυττάρων, αλλά όχι των καρκινικών κυττάρων. Το βασικό ερώτημα που αντιμετωπίζουμε εδώ είναι το εξής: πώς τα καρκινικά κύτταρα ασχοληθεί με την αυξημένη οξύτητα για να αποφευχθεί η ενεργοποίηση της απόπτωσης. Έχουμε πραγματοποιήσει μια συγκριτική ανάλυση των transcriptomic δεδομένων των έξι στερεών τύπων καρκίνου, του μαστού, του παχέος εντέρου, του ήπατος, των δύο πνευμόνων (αδενοκαρκίνωμα, πλακώδες καρκίνωμα) και καρκίνους του προστάτη, και πρότεινε ένα μοντέλο για το πώς τα καρκινικά κύτταρα χρησιμοποιούν μερικές μηχανισμούς για να κρατήσει το πρωτόνια εκτός των κυττάρων. Το μοντέλο αποτελείται από ένα αριθμό προηγουμένως, καλά ή μερικώς, μελετήθηκαν οι μηχανισμοί για τη μεταφορά της περίσσειας πρωτονίων, όπως μέσω των μεταφορέων μονοκαρβοξυλικό, V-ΑΤΡάσες, ΝΗΕ και εκείνο διευκολύνεται από ανθρακικές ανυδράσες. Επιπλέον προτείνουμε ένα νέο μηχανισμό που εξουδετερώνει τα πρωτόνια μέσω της μετατροπής του γλουταμικού σε γ-αμινοβουτυρικό, η οποία καταναλώνει ένα πρωτόνιο ανά αντίδραση. Υποθέτουμε ότι αυτές οι διαδικασίες ρυθμίζονται από σχετίζονται με τον καρκίνο συνθήκες όπως υποξία και αυξητικούς παράγοντες και από τα επίπεδα ρΗ, κάνοντας αυτά που κωδικοποιούνται διεργασίες δεν είναι διαθέσιμη σε κανονικά κύτταρα υπό όξινες συνθήκες

Παράθεση:. Xu Κ, Mao Χ, Mehta Μ, Cui J, Zhang C, ο Μάο F, et al. (2013) Διευκρίνιση του πώς τα κύτταρα του καρκίνου Αποφύγετε την οξέωση μέσω Συγκριτική Transcriptomic Ανάλυση Δεδομένων. PLoS ONE 8 (8): e71177. doi: 10.1371 /journal.pone.0071177

Επιμέλεια: Frank Emmert-Streib, Βασιλικό Πανεπιστήμιο του Μπέλφαστ, Ηνωμένο Βασίλειο

Ελήφθη: 24η Δεκεμβρίου 2012? Αποδεκτές: 27, Ιουνίου 2013? Δημοσιεύθηκε: 14 Αυγούστου 2013

Copyright: © 2013 XU et al. Αυτό είναι ένα άρθρο ανοικτής πρόσβασης διανέμεται υπό τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Attribution, το οποίο επιτρέπει απεριόριστη χρήση, τη διανομή και την αναπαραγωγή σε οποιοδήποτε μέσο, ​​με την προϋπόθεση το αρχικό συγγραφέα και την πηγή πιστώνονται

Χρηματοδότηση:. Το έργο χρηματοδοτείται εν μέρει από το κληροδότημα για τη Γεωργία Research Alliance γνωστός λόγιος πρόεδρο που κατέχει XY. Καμία πρόσθετη εξωτερική χρηματοδότηση ελήφθη για τη μελέτη αυτή. Οι χρηματοδότες δεν είχε κανένα ρόλο στο σχεδιασμό της μελέτης, τη συλλογή και ανάλυση των δεδομένων, η απόφαση για τη δημοσίευση, ή την προετοιμασία του χειρογράφου

Αντικρουόμενα συμφέροντα:.. Οι συγγραφείς έχουν δηλώσει ότι δεν υπάρχουν ανταγωνιστικά συμφέροντα

Εισαγωγή

Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά του καρκίνου επαναπρογραμματιστεί το μεταβολισμό της ενέργειας τους [1]. Δηλαδή, γλυκόλυση αντικαθιστά οξειδωτική φωσφορυλίωση για να γίνει ο κύριος παραγωγός ATP. Ένα άμεσο αποτέλεσμα αυτής της αλλαγής είναι ότι ουσιαστικά πιο γαλακτικά, καθώς οι τερματικές δέκτες ηλεκτρονίων από το μεταβολισμό της γλυκόζης, παράγονται και μεταφέρονται έξω από τα κύτταρα. Για να διατηρηθεί η κυτταρική ηλεκτρο-ουδετερότητα κατά την απελευθέρωση γαλακτικά, τα κύτταρα απελευθερώνουν ένα πρωτόνιο για κάθε κυκλοφόρησε γαλακτικό, την ανιονική μορφή του γαλακτικού οξέος. Αυτό οδηγεί σε αυξημένη οξύτητα στο εξωκυτταρικό περιβάλλον των καρκινικών κυττάρων. Έχει καθιερωθεί ότι η υψηλή (εξωκυτταρικό) οξύτητα μπορεί να επάγει την αποπτωτική διαδικασία σε φυσιολογικά κύτταρα [2], που οδηγεί στο θάνατο τους. Είναι ενδιαφέρον αυτό δεν φαίνεται να συμβεί σε καρκινικά κύτταρα, ως εκ τούτου, δίνοντάς τους ένα ανταγωνιστικό πλεονέκτημα σε σχέση με τα φυσιολογικά κύτταρα και τους επιτρέπει να καλύψουν το χώρο που καταλαμβάνεται από τα φυσιολογικά κύτταρα. Επί του παρόντος δεν είναι καλά κατανοητός πώς τα καρκινικά κύτταρα αντιμετωπίσουν την αυξημένη οξύτητα στο εξωκυττάριο περιβάλλον τους για να αποφύγουν οξέωση.

Μια σειρά από μελέτες έχουν δημοσιευθεί επικεντρώθηκε σε ζητήματα που σχετίζονται με το πώς τα καρκινικά κύτταρα ασχοληθεί με την αυξημένη οξύτητα τόσο στα εξωκυτταρικά και ενδοκυτταρικά περιβάλλοντα [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]. Η πλειοψηφία αυτών των μελετών επικεντρώθηκαν σε πιθανές κυτταρικούς μηχανισμούς για τη μεταφορά ή η εξουδετέρωση ενδοκυτταρικά πρωτόνια, συνήθως επικεντρώνεται σε έναν τύπο καρκίνου. Το πιο σημαντικό αυτές οι μελέτες δεν δένουν τέτοιες παρατηρούμενη δυνατότητες και πρότεινε μηχανισμοί των καρκινικών κυττάρων στην αποφυγή οξέωση με την ταχεία ανάπτυξη του καρκίνου, όπως υποψιαζόμαστε ότι υπάρχει μια κωδικοποιημένη μηχανισμός που συνδέει τα δύο.

Έχουμε πραγματοποιήσει μια συγκριτική ανάλυση του γονιδιώματος κλίμακας transcriptomic δεδομένα για έξι τύποι στερεών καρκίνων, δηλαδή του μαστού, του παχέος εντέρου, του ήπατος, δύο πνεύμονα (αδενοκαρκίνωμα, καρκίνωμα πλακωδών κυττάρων) και καρκίνους του προστάτη, με σκοπό να αποκτήσει ένα επίπεδο συστήματα κατανόηση του πώς τα καρκινικά κύτταρα διατηρούν ενδοκυτταρικό ρΗ τους επίπεδο εντός των φυσιολογικών ορίων, ενώ εξωκυττάριο pH επίπεδο τους είναι χαμηλό. Η ανάλυσή μας, επικεντρώθηκε σε μεταφορείς και ενζύμων, των transcriptomic δεδομένα σχετικά με αυτούς του καρκίνου και ταιριάζουν ιστούς έλεγχό τους δείχνουν ότι (i) όλοι οι έξι τύποι καρκίνου χρησιμοποιούν τους μεταφορείς μονοκαρβοξυλικού ως το κύριο μηχανισμό για τη μεταφορά από γαλακτικά και τα πρωτόνια ταυτόχρονα, ενεργοποιείται από το συσσώρευση ενδοκυτταρικού γαλακτικά? (Ii) οι εν λόγω μεταφορείς είναι πιθανόν να συμπληρωθεί με πρόσθετα μηχανισμούς μέσω των αντι-θυρωρός όπως ΑΤΡασών να μεταφέρει πρωτόνια στο ανταλλαγή ορισμένων κατιόντων όπως Ca

2+ ή Na

+ για τη μείωση της ενδοκυτταρικής οξύτητα ενώ διατηρείται η κυτταρική ηλεκτρονίων-ουδετερότητα? και (iii) τα καρκινικά κύτταρα μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει έναν άλλο μηχανισμό, δηλαδή, με τη χρήση γλουταμικής αποκαρβοξυλάσης για την κατάλυση της αποκαρβοξυλίωση γλουταμικού σε ένα γ-αμινοβουτυρικό οξύ (GABA), καταναλώνοντας ένα πρωτόνιο για κάθε αντίδραση – μια παρόμοια διαδικασία χρησιμοποιείται από το βακτηριακό

Lactococcus lactis

να εξουδετερώσει την οξύτητα όταν παράγονται γαλακτικά. Με βάση αυτά τα αποτελέσματα ανάλυσης, προτείναμε ένα μοντέλο που συνδέει αυτές τις διαδικασίες μείωσης της οξύτητας με έναν αριθμό σχετίζονται με τον καρκίνο γονίδια /κυτταρικές συνθήκες, οι οποίες είναι πιθανώς εγγενείς ικανότητες των ταχέως αναπτυσσόμενων κυττάρων που χρησιμοποιούνται υπό συνθήκες υποξίας και όχι αποκτήθηκε ικανότητες μέσω μοριακών μεταλλάξεων.

πιστεύουμε ότι η μελέτη μας αποτελεί την πρώτη συστηματική μελέτη επικεντρώθηκε στο πώς τα καρκινικά κύτταρα αντιμετωπίσουν το όξινο περιβάλλον μέσω της ενεργοποίησης των κωδικοποιημένων μηχανισμούς αντοχής οξύ ενεργοποιείται από καρκίνο που σχετίζεται γονίδια και προϋποθέσεις. Τα αποτελέσματα αυτά έχουν δημιουργήσει ένα ίδρυμα για ένα νέο μοντέλο για το πώς τα καρκινικά κύτταρα να αποφευχθεί οξέωση.

Αποτελέσματα

1. Cellular Απαντήσεις σε αυξημένη οξύτητα

Η υποβάθμιση της κάθε μόριο γλυκόζης παράγει 2 γαλακτικά, 2 πρωτόνια και 2 ATPs, λεπτομερώς asshowing την πηγή της αυξημένης οξύτητας, όταν γλυκόλυση χρησιμεύει ως η κύρια παραγωγός ATP στα κύτταρα του καρκίνου [10] ? Αντίθετα, η πλήρης αποικοδόμηση της γλυκόζης μέσω της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης είναι ουδέτερο pH. Σαφώς αυτές οι επιπλέον πρωτόνια πρέπει να αφαιρεθούν ή να εξουδετερωθεί αφού αλλιώς θα επάγει απόπτωση. Ο μεταφορέας μονοκαρβοξυλικά (MCT), συγκεκριμένα η οικογένεια SLC16A, έχει αναφερθεί ότι διαδραματίζουν βασικό ρόλο στη διατήρηση της ομοιόστασης του pH [11] με τέσσερις ισομορφές, MCT1 – 4, παίζει κρίσιμο ρόλο στην πρωτονίων που συνδέονται με τη μεταφορά [12], [13 ]. Προηγούμενες μελέτες έχουν αναφέρει ότι η MCT1, MCT2 και MCT4 γονίδια ρυθμισμένα προς τα πάνω σε καρκίνο όπως στο στήθος, του παχέος εντέρου, του πνεύμονα και των καρκίνων των ωοθηκών [14], [15]. Έχει επίσης παρατηρηθεί ότι ένας μεταφορέας μονοκαρβοξυλικά αντλίες έξω γαλακτικά και τα πρωτόνια με 1:01 στοιχειομετρία να διατηρήσει την κυτταρική ηλεκτρονίων ουδετερότητα [16].

transcriptomic δεδομένων μας αναλύσεις των έξι τύπους καρκίνου προστεθεί σε αυτήν την γνώση ότι αυτά τα γονίδια MCT δείχνουν επίσης ρύθμιση προς τα πάνω σε πέντε από τους έξι τύπους καρκίνου. Η μόνη εξαίρεση είναι ο καρκίνος του προστάτη, η οποία δεν έδειξε καμία αυξημένη έκφραση των γονιδίων MCT. Το Σχήμα 1 δείχνει την μεταγραφή προς τα πάνω ρύθμιση του MCT1 (SLC16A1) και MCT4 (SLC16A3) σε πέντε τύπους καρκίνου. Συγκεκριμένα MCT4 εμφανίζεται ρύθμιση σε τέσσερις από τους έξι τύπους καρκίνου, μια παρατήρηση που δεν έχει αναφερθεί στο παρελθόν.

Κάθε καταχώρηση στον πίνακα δείχνει την αναλογία μεταξύ των επιπέδων έκφρασης ενός γονιδίου στον καρκίνο και τον έλεγχο αντιστοίχιση, κατά μέσο όρο σε όλα τα δείγματα.

η

Μια δημοσιευμένη μελέτη προτείνει ότι MCT1 μπορεί να ρυθμίζεται από p53 [17] στον καρκίνο. Μια άλλη μελέτη δείχνει ισχυρές ενδείξεις ότι MCT1 και MCT4 ρυθμίζονται από το ενδοκυτταρικό επίπεδο της υποξίας. Υποθέτουμε ότι η υποξία μπορεί να είναι ο κύριος ρυθμιστικός παράγοντας της υπερ-έκφραση των γονιδίων MCT, το οποίο μπορεί να απαιτούν πρόσθετες προϋποθέσεις, όπως το επίπεδο του pH ή της συσσώρευσης γαλακτικά ως συν-ρύθμισης παράγοντες, όπως προτείνεται από την ανάλυση αποτέλεσμα μας transcriptomic δεδομένα των κυτταρικών σειρών που συλλέγονται κάτω από υποξικές συνθήκες, όπου οι MCT1 και MCT4 γονίδια ρυθμισμένα προς τα πάνω (βλέπε Εικόνα 1 και Εικόνα S1 για λεπτομέρειες).

τα πρωτόνια μεταφέρονται έξω από τα κύτταρα θα αυξήσουν την οξύτητα του εξωκυτταρικού περιβάλλοντος . Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι η (φυσιολογικά) κύτταρα τείνουν να προσαρμόζουν ενδοκυτταρικό επίπεδο του ρΗ τους σε ένα παρόμοιο επίπεδο ρΗ του εξωκυττάριου περιβάλλοντος [18]. Έχει καθιερωθεί ότι η αυξημένη ενδοκυτταρική οξύτητα θα επάγει απόπτωση μέσω απευθείας ενεργοποίηση των γονιδίων της κασπάσης, η οποία παρακάμπτει τα πιο ανάντη ρυθμιστικές πρωτεΐνες του συστήματος απόπτωσης όπως ρ53, ως εκ τούτου, οδηγώντας σε θάνατο των κανονικών κυττάρων που δεν φαίνεται να έχουν την το δικαίωμα ενδοκυτταρική συνθήκες για να ασχοληθεί με το μειωμένο pH.

2. Πρόσθετες Μηχανισμοί για την ενασχόληση με περίσσεια πρωτόνια σε καρκινικά κύτταρα

Έχουμε εξετάσει αν άλλα γονίδια μπορεί να σχετίζονται με την αφαίρεση ή εξουδετέρωση των πρωτονίων στα καρκινικά κύτταρα με συστηματικό τρόπο σε όλα τα ανθρώπινα γονίδια. Τα κυριότερα ευρήματά μας συνοψίζονται στο Σχήμα 1, αναλύονται ως εξής.

V-ΑΤΡ.

Οι διαμεμβρανικές ΑΤΡαδεδ εισαγωγή πολλών από τους μεταβολίτες που είναι απαραίτητο για την κυτταρική μεταβολισμό και τις τοξίνες των εξαγωγών, τα απόβλητα και διαλύτες που μπορούν να εμποδίσουν η υγεία των κυττάρων [19]. Ένας ιδιαίτερος τύπος ΑΤΡάσης είναι το V-ΑΤΡάση που μεταφέρει διαλυμένων ουσιών χρησιμοποιώντας υδρόλυση ΑΤΡ ως η ενέργεια. Αντλεί από ένα πρωτόνιο σε αντάλλαγμα για ένα εξωκυτταρικό Na

+ ή άλλο κατιόν όπως Κ

+ ή Ca

2+ για να διατηρήσει την ενδοκυτταρική ηλεκτρο-ουδετερότητα. Οι V-ΑΤΡασών έχει βρεθεί ότι είναι προς τα πάνω ρυθμισμένα σε πολλαπλούς τύπους καρκίνου, αλλά οι προηγούμενες μελέτες έχουν κυρίως εστιάζει στη χρήση των αυξημένων επιπέδων έκφρασης γονιδίου V-ΑΤΡάση ως βιοδείκτη για μετάσταση [20] ή στην αξιοποίηση τους ως πιθανοί στόχοι φαρμάκων ως ένας τρόπος για να προκαλέσει απόπτωση, ως εκ τούτου προκαλώντας θάνατο των καρκινικών κυττάρων [20], [21], [22].

Έχουμε εξετάσει τα επίπεδα έκφρασης των 19 γονιδίων που κωδικοποιούν τις υπομονάδες του V-ΑΤΡάση, ο V

0 (διαμεμβρανική) τομέα και το V

1 (κυτταροπλασματική) επικράτεια, δηλαδή ATP6V0A1, ATP6V0A2, ATP6V0B, ATP6V0E1, ATP6V0E2, ATP6AP1 και ATP6AP2 για V

0 και ATP6V1A, ATP6V1B1, ATP6V1C1, ATP6V1C2, ATP6V1D, ATP6V1E1, ATP6V1E2, ATP6V1F, ATP6V1G1, ATP6V1G2, ATP6V1G3 και ATP6V1H για V

1. Βρήκαμε ότι πολλαπλά γονίδια V-ΑΤΡάση ρυθμίζονται up-, υποδεικνύοντας ότι οι V-ΑΤΡασών δραστηριοποιούνται στην μεταφορά των πρωτονίων έξω. Είναι ενδιαφέρον ότι μερικά από τα γονίδια ΑΤΡ δεν εμφανίζονται ρύθμιση και κάποια ακόμα δείχνουν προς τα κάτω ρύθμιση στον καρκίνο του προστάτη (Σχήμα 1). Πιο λεπτομερής εξέταση των στοιχείων γονιδιακής έκφρασης δείχνει ότι τα πραγματικά επίπεδα έκφρασης των γονιδίων ΑΤΡάσης βρίσκονται στο επίπεδο της γραμμής βάσης τόσο στην καρκίνο του προστάτη και των παρακείμενων θέματα ελέγχου, ως εκ τούτου, τα δεδομένα πολλαπλή μεταβολή δεν είναι ιδιαίτερα κατατοπιστική. Συνολικά, τα στοιχεία σχετικά με τον καρκίνο του προστάτη φαίνεται να δείχνουν ότι το επίπεδο οξύτητας σε αυτόν τον τύπο καρκίνου δεν είναι σημαντικά αυξημένα. Για τους άλλους πέντε τύπους καρκίνου, τα επίπεδα έκφρασης ορισμένων γονιδίων V-ΑΤΡάση δεν δείχνουν αλλαγές στον καρκίνο. Σημειώνουμε ότι αυτά τα επίπεδα γονιδιακής έκφρασης είναι επίσης αυξημένα σε ιστούς ελέγχου σε σύγκριση με τα δεδομένα κυτταρική γραμμή των τύπων αντιστοίχισης ιστού (τα δεδομένα δεν παρουσιάζονται εδώ), το οποίο είναι συνεπές με προηγουμένως δημοσιευμένα δεδομένα, γεγονός που υποδηλώνει ότι η αυξημένη όξινο επίπεδο στο εξωκυτταρικό περιβάλλον μπορεί επίσης να προκαλέσει αυξημένη έκφραση των γονιδίων V-ΑΤΡάση σε φυσιολογικούς ιστούς [23]. Αυτό μπορεί να εξηγήσει γιατί μερικά από τα γονίδια V-ΑΤΡ δεν παρουσιάζουν υπερέκφραση στον καρκίνο του

έναντι

παρακείμενους ιστούς ελέγχου.

Στη συνέχεια, το ερώτημα είναι γιατί τα καρκινικά κύτταρα φαίνεται να χειριστεί η αυξημένη οξύτητα καλύτερη από ό, τι η φυσιολογικά κύτταρα. Η υπόθεσή μας είναι ότι, ενώ το ρΗ μπορεί να παίζει κάποιο ρυθμιστικό ρόλο της έκφρασης των γονιδίων V-ΑΤΡάση, ο κύριος ρυθμιστής του V-ΑΤΡάση είναι πιθανώς mTORC1 όπως έχει πρόσφατα προταθεί [24]. mTORC είναι ένας από τους πιο σημαντικούς ρυθμιστές σχετίζονται με την κυτταρική ανάπτυξη, και γενικά έχει δυσρυθμισμένη εκφράσεις στον καρκίνο. Για να ελέγξετε για την υπόθεση αυτή, εξετάσαμε το επίπεδο έκφρασης του γονιδίου της mTORC1 (τα γονίδια GBL και FRAP1) σε έξι τύπους καρκίνου. Βλέπουμε σαφής αυξητική ρύθμιση αυτών των γονιδίων σε όλους τους έξι τύπους καρκίνου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Συνεπώς, η συνολική πιθανολογούμε ότι είναι το συνδυασμένο αποτέλεσμα της μειωμένης ρΗ και πάνω ρύθμιση mTORC1 που καθιστά τα καρκινικά κύτταρα πιο αποτελεσματική στην άντληση της περίσσειας πρωτόνια από τα φυσιολογικά κύτταρα.

Na + -H + (ΝΗΕ).

ΝΗΕ αντι-αχθοφόροι αντιπροσωπεύουν μια άλλη κατηγορία πρωτεϊνών που μπορεί να μεταφέρει από πρωτόνια και ανταλλαγή για ένα κατιόν να διατηρήσει ενδοκυτταρική ηλεκτρο ουδετερότητα. Εξετάσαμε τα πέντε γονίδια που κωδικοποιούν αυτή την κατηγορία των μεταφορέων, και διαπιστώθηκε ότι αυτά τα γονίδια είναι άκρως πάνω ρυθμισμένα στους δύο τύπους καρκίνου του πνεύμονα. Είναι ενδιαφέρον ότι τα πρότυπα έκφρασης αλλαγή είναι σε μεγάλο βαθμό συμπληρωματικά μεταξύ γονιδίων ΝΗΕ και τα γονίδια V-ΑΤΡάση σε πέντε από τους έξι τύπους καρκίνου, ειδικά πάνω ρύθμιση στο στήθος, του παχέος εντέρου και του ήπατος καρκίνους αλλά όχι σε τύπους καρκίνου δύο πνευμόνων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Ως εκ τούτου, εμείς εικάζουν ότι οι ΝΗΕ αντι-αχθοφόροι μπορεί να παίξει συμπληρωματικό ρόλο με εκείνο των V-ΑΤΡασών μέσω συντονισμένης ρύθμισης από έναν άγνωστο μηχανισμό. Η αναζήτηση βιβλιογραφία δείχνει ότι οι ΝΗΕ ρυθμίζεται από δύο παράγοντες ανάπτυξης και ρΗ μεταξύ λίγων άλλων παραγόντων [25], το οποίο εξηγεί εν μέρει γιατί το σύστημα είναι πιο ενεργό στον καρκίνο (που επηρεάζονται από τις δύο αυξητικούς παράγοντες και ρΗ) από ό, τι σε ιστούς ελέγχου (επηρεάζεται από το pH μόνο).

3. Ανθρακικές ανυδράσες παίζουν ρόλο στην εξουδετέρωση του pH στα καρκινικά κύτταρα

Έχει ήδη προταθεί ότι ανθρακικές ανυδράσες (ΑΠ) παίζουν ρόλο στην εξουδετέρωση των πρωτονίων στα καρκινικά κύτταρα. Για παράδειγμα, ένα μοντέλο για το πώς οι ΑΠ μεμβράνη που σχετίζονται με τη διευκόλυνση της έξω-μεταφορά πρωτονίων έχει παρουσιαστεί [26]. Η βασική ιδέα του μοντέλου είναι ότι οι συνδεδεμένες με μεμβράνη ΑΠ καταλύουν την άλλως αργή αντίδραση από CO

2 + H

2O με H

2CO

3, το οποίο διασπάται σε ΟΠΕΠ

3

– και H

+ σε όξινο εξωκυττάριο περιβάλλον, όπως περιγράφεται από

Η ΕΤ

3

– (διττανθρακικό) στη συνέχεια μεταφέρεται κατά μήκος της μεμβράνης μέσω ενός μεταφορέα NBC [27] σε το ενδοκυτταρικό περιβάλλον, όπου αντιδρά με H

+ για να σχηματίσουν μια CO

2 και H

2O? και το CO

2 είναι ελεύθερα μεμβράνη διαπερατό για να πάρει έξω από το κύτταρο, σχηματίζοντας έναν κύκλο για την κατάργηση μέρους της περίσσειας H

+. Δείτε την Εικόνα S1 για μια πιο λεπτομερή εικόνα του μηχανισμού αυτού.

Για να ελέγξετε εάν το μοντέλο υποστηρίζεται από τα transcriptomic δεδομένα που αναλύονται στη μελέτη μας, οφείλουμε να παρατηρήσουμε ότι (1) τρεις μεμβράνη που σχετίζονται με ΑΠ (CA9, CA12 , CA14) δείχνουν αυξητική ρύθμιση σε πέντε από τους έξι τύπους καρκίνου (εκτός από καρκίνο του προστάτη), όπως φαίνεται Σχήμα 2? και (2) δύο από τα τρία γονίδια NBC, NBC2 (SLC4A5) και NBC3 (SLC4A7), εμφανίζονται ρύθμιση σε τέσσερις τύπους καρκίνου. Έχει αναφερθεί ότι CA9 και CA12 είναι υποξία στον καρκίνο του εγκεφάλου [28]. Ως εκ τούτου, υποθέτουμε ότι όλα τα παραπάνω τρεις ΑΠ μεμβράνη που σχετίζονται με τα επάγεται από την υποξία. Επιπλέον, βιβλιογραφική έρευνα μας δείχνει ότι τα γονίδια NBC είναι ρΗ επαγώγιμων [29].

Η

Είναι ενδιαφέρον ότι όλη η κυτοσολική ΑΠ (CA2, CA3, CA7, CA13) δείχνουν προς τα κάτω ρύθμιση, αντανακλώντας το γεγονός ότι η οξειδωτική φωσφορυλίωση δεν χρησιμοποιείται ως ενεργά και ως εκ τούτου παράγει λιγότερο CO

2 σε καρκινικά κύτταρα ως στα φυσιολογικά κύτταρα.

4. Εξουδετέρωση της οξύτητας μέσω Αποκαρβοξυλίωση Αντιδράσεις: ένα νέο μηχανισμό

αναζήτησή μας για πιθανούς μηχανισμούς των καρκινικών κυττάρων σε μείωση της οξύτητας, μας οδήγησε να μελετήσει πώς

Lactococcus lactis

ασχολείται με τα γαλακτικά οξέα. Σημειώνουμε ότι τα βακτήρια χρησιμοποιούν τις αποκαρβοξυλάσες γλουταμικού (GAD) να καταναλώνουν ένα (διαχωριστούν) H

+ κατά την αντίδραση αποκαρβοξυλιώσεως ότι καταλύει [30], όπως φαίνεται παρακάτω:

Η αντίδραση μετατρέπει ένα γλουταμινικό να ένα γ-αμινοβουτυρικό (GABA) συν ένα CO

2. Δύο ανθρώπινα ομόλογα του GAD, GAD1 και GAD2, έχουν βρεθεί. Δημοσιευμένες μελέτες έχουν δείξει ότι η ενεργοποίηση των γονιδίων GAD οδηγεί σε σύνθεση GABA στον ανθρώπινο εγκέφαλο [31], υποδηλώνοντας ότι τα ανθρώπινα γονίδια GAD έχουν την ίδια λειτουργία με το βακτηριακό γονίδιο GAB, δηλαδή, καταλύοντας την αντίδραση για την σύνθεση του GABA. Η πλειονότητα αυτών των μελετών έγιναν στο πλαίσιο του νευρικού συστήματος σε ανθρώπινους εγκεφάλους [32], [33], [34]. Συγκεκριμένα, το GABA είναι γνωστό ότι χρησιμεύουν ως βασικό ανασταλτικό νευροδιαβιβαστή. Επιπλέον, οι δραστηριότητες του GABA έχουν βρεθεί στο ανθρώπινο ήπαρ [35]. Ενώ οι υποθέσεις έχουν ως αίτημα σχετικά με τις λειτουργίες του ήπατος [36], δεν αδιάσειστα στοιχεία έχει καθιερωθεί σχετικά με τη λειτουργία του εκεί.

Έχουμε παρατηρήσει ότι GAD1 είναι up-ρυθμίζεται σε τρεις από έξι τύπους καρκίνου υπό μελέτη, δηλαδή του παχέος εντέρου, του ήπατος και των πνευμόνων αδενοκαρκίνωμα, και GAD2 είναι επάνω ρυθμισμένο στον καρκίνο του προστάτη. Έχει αρκετά καλά εδραιωμένη ότι το γλουταμινικό, το υπόστρωμα της παραπάνω αντίδρασης που καταλύεται από GAD, είναι αυξημένα στα καρκινικά γενικά [37]. Ως εκ τούτου, είναι λογικό να υποθέσουμε ότι η παραπάνω αντίδραση πράγματι λαμβάνει χώρα στον καρκίνο. Αυτό υποστηρίζεται από την παρατήρηση μας ότι οι πολλαπλές in-λαμβάνουν μεταφορείς γλουταμικού είναι ρυθμισμένα προς τα πάνω σε πέντε από έξι τύπους καρκίνου (βλέπε Σχήμα 3). Μια ακόμη πιο ενδιαφέρουσα παρατήρηση είναι ότι πολλαπλά γονίδια που κωδικοποιούν τις εξερχόμενες μεταφορείς του GABA είναι ρυθμισμένα προς τα πάνω σε πέντε από τους έξι τύπους καρκίνου, υποδεικνύοντας ότι τα μόρια GABA δεν χρησιμοποιούνται από τα καρκινικά κύτταρα, αλλά αντ ‘αυτού εξυπηρετούν ένα τρόπος για να αφαιρέσετε H

+ έξω από τα κύτταρα.

η

Σήμερα, στο καλύτερο της γνώσης μας είναι διαθέσιμα για να εμπλέξει ποια γονίδια κωδικοποιούν το κύριο ρυθμιστή των γονιδίων GAD δεν δημοσιευμένα στοιχεία. Είναι ενδιαφέρον ότι, η αναζήτηση μας για πιθανούς ρυθμιστές των γονιδίων GAD στη βάση δεδομένων Cscan [38] έδειξε ότι FOS, ένα γνωστό ογκογονίδιο, μπορεί δυνητικά να ρυθμίσει τα γονίδια GAD [39]. Ορισμένα πειραματικά δεδομένα από τη βάση δεδομένων ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ [40] δείχνουν ότι η έκφραση του γονιδίου GAD1 (NM_000817, NM_013445) είναι θετικά συν-σχετίζονται με εκείνη της FOS σε HUVEC κυτταρική γραμμή. Η ενσωμάτωση αυτών των πληροφοριών, υποθέτουμε ότι FOS, σε συνδυασμό με κάποια ρΗ που σχετίζεται ρυθμιστής, ρυθμίζει τα γονίδια GAD, γεγονός που οδηγεί στη σύνθεση του GABA και μειώνει ένα Η

+ ως ένα υποπροϊόν ανά συντίθεται GABA? τότε τα αχρείαστα μόρια GABA μεταφέρονται έξω από τα κύτταρα. Αυτό μπορεί να παρέχει έναν άλλο μηχανισμό που τα καρκινικά κύτταρα χρησιμοποιούν για να κρατήσει ενδοκυτταρικό επίπεδο pH τους εντός των φυσιολογικών ορίων.

5. Ένα μοντέλο για τα καρκινικά κύτταρα για να κρατήσει τον ενδοκυτταρικό pΗ τους εντός των φυσιολογικών ορίων

Συνολικά 44 γονίδια που εμπλέκονται στην παραπάνω αναλύσεις μας. αποτελέσματα αναζήτησης αυτών των γονιδίων κατά βάση Cscan [38] δείχνουν ότι 28 από αυτά τα γονίδια ρυθμίζονται απευθείας από εννέα πρωτο-ογκογονίδια, δηλαδή BCl3, ETS1, FOS, ΙΟΥΝ, MXI1, MYC, PAX5, SPI1 και ΤΑΙ1? και 17 γονιδίων που ρυθμίζονται από δύο όγκους καταστολείς, IRF1 και BRCA1, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4, που δείχνει ότι υπάρχει μια ισχυρή σύνδεση μεταξύ της μείωσης της οξύτητας και την ανάπτυξη του καρκίνου.

Κάθε κύκλος αντιπροσωπεύει ένα γονίδιο μείωση της οξύτητας που σχετίζονται με κάθε hexgon αντιπροσωπεύει ένα ογκογονίδιο και κάθε τρίγωνο ένα ογκοκατασταλτικό γονίδιο, με κάθε σύνδεσμο που αντιπροσωπεύει μια άμεση ρυθμιστική σχέση.

η

Εικόνα 5 συνοψίζει τη συνολική μοντέλο μας για τους κυτταρικούς μηχανισμούς μείωσης της οξύτητας και τους σχετικούς όρους που μπορεί να προκαλέσει κάθε μηχανισμό για την να ενεργοποιηθεί. Συγκεκριμένα, υποθέτουμε ότι η υποξία και αυξητικοί παράγοντες μπορούν να χρησιμεύσουν ως οι κύριες ρυθμιστικούς παράγοντες των διεργασιών deacdification, ως εκ τούτου, η διάθεσή τους μόνο σε καρκινικά κύτταρα, σε συνδυασμό με το επίπεδο του κυτταρικού ρΗ.

Κάθε κύλινδρος αντιπροσωπεύει μία αντλία ή μεταφορέας χρησιμοποιείται για την αφαίρεση πρωτονίων και πιθανώς άλλα μόρια έξω από το κύτταρο? και κάθε μπαρ ορθογώνιο αντιπροσωπεύει μια κατάσταση που είναι μια πιθανή ρυθμιστικός παράγοντας για την αντίστοιχη αντλία ή μεταφορέα.

Η

Συζήτηση

Με βάση την συγκριτική transcriptomic αποτελέσματα της ανάλυσης των δεδομένων για έξι τύπους καρκίνου, έχουμε πρότεινε ένα μοντέλο για το πώς τα καρκινικά κύτταρα ασχοληθεί με περίσσεια πρωτονίων και στα δύο ενδοκυτταρικών και εξωκυτταρικών περιβάλλοντα, τα οποία παράγονται λόγω της επαναπρογραμματιστεί ενέργεια μεταβολισμού. Μερικοί από τους μηχανισμούς που έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία, αλλά ως επί το πλείστον σε λιγότερους τύπους καρκίνου. αποτελέσματα της ανάλυσης μας έχουν επιβεβαιώσει και επεκτείνει τα μοντέλα που προτείνονται στο παρελθόν. Επιπλέον έχουμε προτείνει ένα νέο μοντέλο με βάση το πόσο βακτηριακή

Lactococcus

ασχολείται με μια παρόμοια κατάσταση. Μια άλλη συνεισφορά του έργου είναι ότι έχουμε προτείνει πιθανές ρυθμιστικούς μηχανισμούς που επιτρέπουν καρκινικών κυττάρων να αξιοποιήσει πλήρως αυτές κωδικοποιούνται μηχανισμούς μείωσης της οξύτητας που δεν ενεργοποιούνται σε φυσιολογικά κύτταρα.

Από το προτεινόμενο μοντέλο μας βασίζεται σε transcriptomic δεδομένα μόνο, περαιτέρω πειραματική επιβεβαίωση σε μια σειρά υποθέσεων είναι σαφώς απαραίτητη, συμπεριλαμβανομένων (i) τους κύριους ρυθμιστές αυτών των διαδικασιών και των ρυθμιστικών τις σχέσεις τους με τις σχετικές ρυθμιστικές pH, (ii) ο νέος προτεινόμενος μηχανισμός βασίζεται σε ένα ομόλογο σύστημα στο

Lactococcus

, ο οργανισμός που παράγει γαλακτικό? και (iii) η προτεινόμενη NBC συμμεταφορέας μεταφέρει στην ΕΤ

3

– και Na

+ μαζί, αλλά δεν είναι σαφές πώς η Na

+ αντιμετωπίζεται σε καρκινικά κύτταρα? και άλλα παρόμοια ζητήματα μπορεί να ζητηθεί για την inported Ca

2 + ή Na

+ με άλλες μεθόδους μείωσης της οξύτητας. Όλα αυτά απαιτούν περαιτέρω διερεύνηση τόσο πειραματικά και υπολογιστικά.

συνολική διαδικασία της αναζήτησης μας για τα ένζυμα και τους μεταφορείς που μπορεί να αλλάξει τον αριθμό των πρωτονίων με συστηματικό τρόπο αποδεικνύεται ότι είναι άκρως αποτελεσματική. Για παράδειγμα, οι ανθρακικές ανυδράσες βρέθηκαν να είναι πιθανώς σχετίζονται με τη διαδικασία μείωσης της οξύτητας από την αναζήτηση? μόνο αργότερα βρήκαμε ότι αυτό το σύστημα έχει μελετηθεί και αναφερθεί στη βιβλιογραφία. Το αποτέλεσμα αυτό δείχνει σαφώς τη δύναμη αυτής της διαδικασίας, όταν συνδυάζεται με επιπλέον έρευνες και αναλύσεις των transcriptomic δεδομένων, η οποία πιστεύουμε ότι ισχύουν για διαλεύκανση άλλων διαδικασιών σχετίζονται με τον καρκίνο.

Υλικά και Μέθοδοι

1. Γονιδιακής Έκφρασης Δεδομένα για Τύποι Έξι Cancer

Τα δεδομένα γονιδιακής έκφρασης για τους έξι τύπους καρκίνου, (μαστού, κόλου, του ήπατος, του αδενοκαρκινώματος του πνεύμονα, πλακωδών κυττάρων του πνεύμονα, του προστάτη), κατεβαίνουν από τη βάση δεδομένων GEO [41] του NCBI. Για κάθε τύπο καρκίνου, έχουμε εφαρμόσει τα ακόλουθα κριτήρια κατά την επιλογή των δεδομένων που χρησιμοποιήθηκε για αυτή τη μελέτη: (1) όλα τα δεδομένα σε κάθε σύνολο δεδομένων παρήχθησαν χρησιμοποιώντας την ίδια πλατφόρμα με την ίδια ερευνητική ομάδα? (2) κάθε σύνολο δεδομένων αποτελείται μόνο από ζεύγη δειγμάτων, δηλαδή, δείγμα καρκινικού ιστού και την αντίστοιχη παρακείμενη δείγμα noncancerous ιστού? και (3), κάθε σύνολο δεδομένων έχει τουλάχιστον 10 ζεύγη δειγμάτων. Στη βάση δεδομένων GEO, μόνο έξι τύπους καρκίνου έχουν σύνολα δεδομένων ικανοποιούν αυτά τα κριτήρια. Μια σύνοψη των 12 σύνολα δεδομένων, 2 σετ για κάθε καρκίνο, παρατίθεται στον Πίνακα 1.

Η

2. Αναγνώριση των διαφορικά εκφραζόμενων γονιδίων σε καρκινικούς ιστούς

έναντι

Ελέγχου

Για κάθε σύνολο δεδομένων που χρησιμοποιούνται σε αυτή τη μελέτη, έχουμε χρησιμοποιήσει τα δεδομένα κανονικοποιούνται έκφραση από την αρχική μελέτη. Δεδομένου ότι χρησιμοποιούνται μόνο ζεύγη δεδομένων, μια δοκιμή σήμα αναπτύχθηκε από Wilcoxon [42] για ζεύγη, εφαρμόζεται για τον προσδιορισμό των σημαντικών διαφορικά εκφραζόμενων γονιδίων στον καρκίνο του

έναντι

παρακείμενο φυσιολογικό δείγματα για κάθε σύνολο δεδομένων. Θεωρούμε ένα γονίδιο που εκφράζεται διαφορικά εάν η στατιστική σημασία,

σ

-τιμή, είναι μικρότερη από 0,01. Για κάθε τύπο καρκίνου, θεωρούμε μόνο γονίδια με συνεπή ανάντη ή προς τα κάτω ρύθμιση σε όλες δείγματα ως διαφορικά εκφραζόμενα γονίδια. Η τελική αλλαγή φορές υπολογίζεται λαμβάνοντας το μέσο όρο της πτυχής αλλαγή μεταξύ των καρκινικών και ελέγχου δειγμάτων.

3. Ψάχνοντας για την Κανονιστική Σχέσεις Ανθρώπων

Για να ανακτήσετε την μεταγραφική πληροφορίες κανονισμός Σχέσεις για τα γονίδια που μας ενδιαφέρει στην παρούσα μελέτη, έχουμε χρησιμοποιήσει μια δημόσια βάση δεδομένων, μαζί με τη μηχανή αναζήτησης της Cscan (http: //www.beaconlab. IT /cscan) να προβλέψει τις κοινές ρυθμιστικές μεταγραφή που βασίζεται σε μια μεγάλη συλλογή των στοιχείων τσιπ Seq για αρκετές TFs και άλλους παράγοντες που σχετίζονται με τη ρύθμιση της μεταγραφής του ανθρώπου και ποντικού [38]. Οι ρυθμιστικές σχέσεις είχαν συναχθεί με βάση τα δεδομένα τσιπ Seq συλλέγονται υπό 777 διαφορετικές συνθήκες στη βάση δεδομένων hmChip [43] και των παραγόντων μεταγραφής από το πρόγραμμα περιήγησης UCSC γονιδίωμα [40].

4. Σχετίζονται με τον καρκίνο Γονίδια

Για να ανακτήσετε σχετίζονται με τον καρκίνο γονίδια, ειδικά πρωτο-ογκογονίδιο και όγκου γονίδια καταστολής για τη μελέτη μας, ψάξαμε τη βάση δεδομένων UniProt (https://www.uniprot.org/keywords/) χρησιμοποιώντας λέξεις-κλειδιά, που οδήγησε στην ανάκτηση του 232 πρωτο-ογκογονιδίων (KW-0656) και 194 γονίδια καταστολής όγκων (KW-0043) στον άνθρωπο.

Υποστήριξη Πληροφορίες

Σχήμα S1. μηχανισμοί

μείωση της οξύτητας στα καρκινικά κύτταρα. Κάθε γραμμή ορθογώνιο αντιπροσωπεύει μια οικογένεια μεταφορέα, ένζυμο ή αντλία. Τα κόκκινα χρωματισμένα ορθογώνια πάνω ρυθμισμένα στη μελέτη μας και το πράσινο παράσταση ρύθμιση προς τα κάτω. Διακεκομμένη βέλη δείχνουν CO

2 διάχυση κατά μήκος της μεμβράνης

doi:. 10.1371 /journal.pone.0071177.s001

(PDF)

Ευχαριστίες

Ιδιαίτερες ευχαριστίες προς Φέι Ji των CSBL Lab στο Πανεπιστήμιο της Γεωργίας για τη βοήθεια σε αυτό το έργο για την πρωτεΐνη ανάλυση των διαρθρωτικών πρόβλεψη. YX χάρη Καθηγητής Ruren Xu Χημείας College, Πανεπιστήμιο Jilin, για τη χρήσιμη συζήτηση σχετικά με τα θέματα της οξύτητας που εξετάζονται στην παρούσα μελέτη.