全基因组CRISPR-Cas9筛选揭示肿瘤细胞中B7-H3的新型调控因子

Genome-scale CRISPR-Cas9 screen reveals novel regulators of B7-H3 in tumor cells

作者信息Shasha Zhao, Yuelong Wang, Nian Yang, Min Mu, Zhiguo Wu, Hexian Li, Xin Tang, Kunhong Zhong, Zongliang Zhang, Cheng Huang, Ting Cao, Meijun Zheng, Guoqing Wang, Chunlai Nie, Hui Yang, Gang Guo, Liangxue Zhou, Xi Zheng, Aiping Tong
PMID35768165
发布时间2022-06
DOI10.1136/jitc-2022-004875

实验完整度

包含CRISPR筛选、体外功能获得/缺失实验、RNA-seq、体内肿瘤模型及ADC治疗评估,涵盖体外和体内多个独立证据层级,并进行了机制验证。

主要模型

SK-OV-3人卵巢癌细胞系 HeLa人宫颈癌细胞系 DU145人前列腺癌细胞系 4T1小鼠乳腺癌细胞系 NOD/SCID和BALB/c小鼠移植瘤模型

重点核对

CRISPR文库筛选的MOI为0.3-0.5,筛选覆盖度为400倍sgRNA覆盖度 SP20H敲除和TNF-α刺激后p38 MAPK-eIF4E信号通路的激活 SB203580(p38抑制剂)处理条件:25μmol/L处理2小时 体内实验中SP20H敲除的SK-OV-3细胞接种量为2×10^6细胞/只 αB7-H3-DM1处理剂量为10 mg/kg,在肿瘤体积达300 mm³时开始给药

摘要

背景:尽管基于B7同源3蛋白(B7-H3)的免疫治疗取得了进展,但耐药性的发展仍然是主要的临床问题。B7-H3表达的异质性和缺失是靶向治疗耐药和治疗失败的主要原因,这揭示出阐明B7-H3表达调控机制的迫切需求。在本研究中,我们识别并探索了转录因子SPT20同源物(SP20H)在B7-H3表达和肿瘤进展中的关键作用。方法:在这里,我们进行了基于CRISPR/Cas9的全基因组功能缺失筛选,以识别人类卵巢癌细胞中B7-H3的调控因子。通过RNA测序揭示了SP20H敲除所改变的信号通路。通过体外功能缺失和功能获得实验验证了SP20H在B7-H3表达中的调控作用和机制。在荷瘤小鼠中评估了抑制SP20H对肿瘤生长和抗B7-H3治疗疗效的影响。结果:我们在多种癌细胞中鉴定出SUPT20H(SP20H)为B7-H3的负调控因子,eIF4E为正调控因子。此外,我们提供的证据表明,肿瘤细胞中SP20H缺失或TNF-α刺激均能组成性激活p38 MAPK-eIF4E信号通路,从而上调B7-H3表达。SP20H缺失在体外和体内均上调了B7-H3的表达。此外,SP20H的缺失显著抑制了肿瘤生长,并增加了肿瘤微环境中免疫细胞的浸润。更重要的是,与对照组相比,靶向B7-H3的抗体-药物偶联物对SP20H缺陷型肿瘤表现出优越的抗肿瘤性能。结论:p38 MAPK-eIF4E信号通路的激活是肿瘤细胞中转录起始和B7-H3蛋白表达的关键事件。基因靶向SP20H可上调靶抗原表达,并使肿瘤对抗B7-H3治疗敏感。总的来说,我们的发现为B7-H3表达的机制提供了新的见解,并为现有的基于抗体的B7-H3靶向治疗引入了一个潜在的协同靶点。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
肿瘤细胞中B7-H3表达的调控机制是什么?如何通过调控B7-H3表达来增强抗B7-H3治疗的疗效?
核心机制
SP20H缺失或TNF-α刺激激活p38 MAPK-eIF4E信号通路,eIF4E作为下游效应分子促进B7-H3的翻译,从而上调B7-H3表达。
主要证据
CRISPR筛选鉴定SP20H为负调控因子,eIF4E为正调控因子;体外实验证实SP20H敲除或TNF-α刺激上调B7-H3,而p38抑制剂或eIF4E敲除可阻断该效应;体内实验显示SP20H敲除上调B7-H3表达并抑制肿瘤生长,增强ADC疗效。
研究意义
揭示B7-H3表达的分子机制,为基于抗体的B7-H3靶向治疗提供潜在的协同靶点(SP20H),可能提高治疗效果并克服耐药。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

全基因组CRISPR敲除筛选

鉴定B7-H3表达的调控因子

在人卵巢癌细胞SK-OV-3中,利用Brunello文库进行CRISPR/Cas9功能缺失筛选,通过FACS分选B7-H3高表达和低表达细胞,进行sgRNA富集分析,鉴定候选调控因子。

2

SP20H/F118A的功能验证

验证候选基因对B7-H3表达的调控作用

通过CRISPR敲除或shRNA敲低SP20H和F118A,以及过表达实验,检测B7-H3在mRNA和蛋白水平的表达变化。

3

转录组测序及信号通路分析

揭示SP20H敲除后激活的信号通路

对SP20H敲除细胞(3天和7天)进行RNA-seq,分析差异表达基因,并通过GO、KEGG和GSEA富集分析,发现TNF-α/p38 MAPK通路显著富集。

4

TNF-α/p38 MAPK通路的验证

验证TNF-α刺激和SP20H敲除对p38 MAPK-eIF4E信号及B7-H3表达的影响

用TNF-α处理细胞,或用p38抑制剂SB203580处理SP20H敲除或TNF-α预处理的细胞,检测B7-H3、磷酸化p38和eIF4E的水平。

5

eIF4E功能的验证

验证eIF4E在p38 MAPK介导的B7-H3表达中的必要性

在eIF4E敲除、MAPK14敲除和MNK1敲除细胞中,检测TNF-α刺激后的B7-H3表达和信号通路蛋白水平。

6

体内肿瘤模型评估

评估SP20H缺失对肿瘤生长和肿瘤微环境的影响

将SP20H敲除的SK-OV-3或4T1细胞皮下注射到免疫缺陷或免疫健全小鼠,监测肿瘤生长,并通过流式分析肿瘤浸润免疫细胞。

7

抗B7-H3 ADC的体内协同效应评估

评估SP20H缺失对抗B7-H3抗体-药物偶联物(ADC)疗效的影响

制备αB7-H3-DM1 ADC,在SK-OV-3荷瘤NOD/SCID小鼠中给予ADC治疗,监测肿瘤生长和生存期。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
抗B7-H3抗体Proteintech66481-1-Ig
抗磷酸化p38 MAPK抗体CST4511
抗p38抗体CST9212
抗磷酸化eIF4E抗体HUABIOET1608-66
抗eIF4E抗体Proteintech66655-1-Ig
抗HER2抗体Proteintech18299-1-AP
抗α-微管蛋白抗体Beyotime BiotechnologyAF5012
抗β-肌动蛋白抗体Proteintech6009-1-Ig
抗PDL1抗体CusabioCSB-MA878942A1m
抗EGFR抗体ZENBIO201012
HRP标记的山羊抗兔IgGHUABIOHA1001
HRP标记的山羊抗小鼠IgG----
PerCP-Cy5.5抗小鼠CD45抗体Biolegend--
FITC抗小鼠CD11B抗体Biolegend--
APC抗小鼠B7-H3抗体Biolegend--
APC-Cy7抗小鼠CD3抗体Biolegend--
FITC抗小鼠CD4抗体Biolegend--
BV510抗小鼠CD8抗体Biolegend--
APC抗小鼠F4-80抗体Biolegend--
BV421抗小鼠CD86抗体Biolegend--
PE抗小鼠CD206抗体Biolegend--
PE抗人B7-H3抗体Biolegend--
SB203580Beyotime BiotechnologyS1863
重组人TNF-α蛋白Sinobiological10602-HNAE
脂多糖BiosharpBS904
DMEM培养基Gibco--
RPMI 1640培养基Gibco--
胎牛血清Gemini--
青霉素/链霉素HyClone--
PEI转染试剂----
聚凝胺Sigma-Aldrich--
人CRISPR敲除文库(Brunello)Addgene73179
lentiCRISPRv2-puro载体Addgene98290
pLKO.3G载体Addgene14748
pLenti CMV GFP Puro载体Addgene17448
TRIzol试剂Invitrogen15506026
可固定活力染料700BD Biosciences--
Alexa Fluor 594标记二抗HuabioHA1112
DAPI----
聚合物HRP(小鼠/兔)免疫组化试剂盒ZSGB-BIOPV-6000
DAB底物-色原ZSGB-BIOZLI-9019
RIPA裂解液Beyotime BiotechnologyP0013B
BCA蛋白定量试剂盒Beyotime BiotechnologyP0010
Super ECL Plus底物UelandyS6009M
gentleMACS Octo组织处理器Miltenyi Biotec--
gentleMACS C管Miltenyi Biotec--
BD FACSymphony A5流式细胞仪BD Biosciences--
LSM 880共聚焦显微镜Carl Zeiss--
Pannoramic MIDI数字切片扫描仪3DHISTECH--
IncuCyte活细胞成像系统Essen BioScience--
IVIS成像系统----
蛋白G亲和纯化----
DM1-MCC----

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
CRISPR文库筛选
MOI、感染细胞数量、筛选覆盖度、sgRNA文库(Brunello)、分选门控(B7-H3高/低1%)、测序深度和数据分析方法(MAGeCKFlute)
阅读提示:Methods 'Library virus production and determination of virus titration' 和 'CRISPR knockout (KO) library screening and next-generation sequencing (NGS) analysis'
细胞培养与处理
细胞系和培养条件(培养基、FBS浓度、抗生素浓度)、TNF-α浓度(0-500 ng/mL)和处理时间(16小时)、SB203580浓度(25 μM)和处理时间(2小时)、LPS浓度(0-500 ng/mL)和处理时间(16小时)、H2O2浓度(0-800 μM)和处理时间(2小时)
阅读提示:Methods 'Cell culture' 和 'Antibodies and reagents'
基因编辑和表达
sgRNA序列、shRNA序列、载体(lentiCRISPRv2-puro、pLKO.3G、pLenti CMV GFP Puro)、转染/感染条件、筛选药物(嘌呤霉素浓度)、编辑效率验证方法(PCR和Sanger测序)
阅读提示:Methods 'Gene knockdown and overexpression' 和补充表S1、补充方法
RNA-seq分析
细胞收集时间点(3天和7天)、RNA提取方法、文库构建方法、测序平台(Illumina NovaSeq 6000)、差异表达阈值(|log2FC|≥1,p<0.05)
阅读提示:Methods 'RNA sequencing (RNA-seq) and analysis'
体内肿瘤模型
小鼠品系(NOD/SCID和BALB/c)、性别和年龄(雌性,7-8周)、细胞接种数量(2×10^6 SK-OV-3,2×10^5 4T1)、肿瘤体积测量频率(每3-5天)、ADC给药剂量(10 mg/kg)和时间(第15、20天)
阅读提示:Methods 'In vivo experiments'
流式细胞术
抗体克隆和稀释比例(1:200)、染色时间(40分钟)、固定/透化方法、活死染料(Fixable Viability Stain 700)、流式细胞仪(BD FACSymphony A5)和分析软件(FlowJo)
阅读提示:Methods 'Flow cytometry analysis'
Western blot
细胞裂解方法(RIPA buffer)、蛋白定量方法(BCA)、SDS-PAGE浓度(10%)、转膜条件(PVDF膜)、封闭条件(5%脱脂牛奶)、一抗/二抗稀释比例、ECL底物(Super ECL Plus)
阅读提示:Methods 'Western blot analysis'