3D-клеточная модель (3D-сфероид) является более репрезентативной тест-системой для проверки эффектов микроРНК

Абануб  Шакер,Дмитрий Алексеевич Лифанов,Евгения Юрьевна Шабалина,Дуламсурэн  Зоригт,Игорь Владимирович Решетов,Павел Анатольевич Каралкин,Елена Владимировна Петерсен

ПРЕПРИНТ

Эта статья является препринтом и не была отрецензирована.
О результатах, изложенных в препринтах, не следует сообщать в СМИ как о проверенной информации.

3D-клеточная модель (3D-сфероид) является более репрезентативной тест-системой для проверки эффектов микроРНК

А. Шакер,

Д. А. Лифанов,

Е. Ю. Шабалина,

Д. Зоригт,

И. В. Решетов,

П. А. Каралкин,

Е. В. Петерсен

2025-01-20

https://doi.org/10.24108/preprints-3113356

Экспрессия маркером эпителиально-мезенхимального перехода (ЕМТ) в аденокарцином немелкоклеточного рака легкого человека является приоритетной областью исследований, т.к. на данный момент уже установлена корреляция между уровнем экспрессии виментина, Е-кадгерина и иных маркеров с тяжестью текущего заболевания. Приведенные выше данные позволяют рассматривать аденокарциному как приоритетный объект исследования, особенно в контексте ее моделирования на 3D-культурах клеток. Также современные исследования показали, что микроРНК (миРНК) являются важными регуляторами экспрессии генов и участвуют в различных биологических процессах, включая развитие и прогрессирование рака. В этом исследовании мы сравнили уровни экспрессии миРНК и маркеров эпителиально-мезенхимального перехода (ЕМТ) E-кадгерина, виментина и SNAIL, в 2D и 3D клеточной культурах линии немелкоклеточного рака легкого H1299 до и после трансфекции. В качестве целевой микроРНК для трансфекции была выбрана микроРНК-4443, поскольку данная молекула выступает в качестве супрессора опухоли, предотвращая рост, инвазию и миграцию опухолей при папиллярном раке щитовидной железы, глиобластоме и колоректальном раке. Объединив 3D-культуры клеток и исследование функций микроРНК в одном эксперименте, мы разработали систему 3D-клеточных моделей для адаптации и проверки эффектов различных миРНК. Наши результаты показывают, что 3D-модель клеточной культуры обеспечивает более точное и приближённое микроокружение к условиям in vivo по сравнению с 2D-моделью, поскольку она демонстрирует повышение уровня E-кадгерина и снижение уровня виментина после трансфекции, что коррелирует с клиническими данными, когда на 2D-клеточных моделях были получены неоднозначные результаты. Это даёт повод сделать предположение о потенциальной роли миРНК-22, миРНК-4443 и миРНК-126 в регуляции ЕМТ в клеточной линии H1299. Эти результаты позволяют предположить, что 3D-культуры являются более подходящей и репрезентативной моделью для изучения изменений транскриптомного профиля как вследствие, так и независимо от проверки эффектов микроРНК.

Ссылка для цитирования:

Шакер А., Лифанов Д. А., Шабалина Е. Ю., Зоригт Д., Решетов И. В., Каралкин П. А., Петерсен Е. В. 2025. 3D-клеточная модель (3D-сфероид) является более репрезентативной тест-системой для проверки эффектов микроРНК. PREPRINTS.RU. https://doi.org/10.24108/preprints-3113356

Список литературы

1. Blanco-Prieto, S., Barcia-Castro, L., Páez de la Cadena, M., Rodríguez-Berrocal, F. J., Vázquez-Iglesias, L., Botana-Rial, M. I., Fernández-Villar, A., & De Chiara, L. (2017). Relevance of matrix metalloproteases in non-small cell lung cancer diagnosis. BMC Cancer, 17(1). https://doi.org/10.1186/s12885-017-3842-z.

2. Yang, L., Zhang, F., Wang, X., Tsai, Y., Chuang, K.-H., Keng, P. C., Lee, S. O., & Chen, Y. (2016). A FASN-TGF-β1-FASN regulatory loop contributes to high EMT/metastatic potential of cisplatin-resistant non-small cell lung cancer. Oncotarget, 7(34), 55543–55554. https://doi.org/10.18632/oncotarget.10837

3. Ferlay, J., Colombet, M., Soerjomataram, I., Parkin, D. M., Piñeros, M., Znaor, A., & Bray, F. (2021). Cancer statistics for the year 2020: An overview. International Journal of Cancer, 149(4), 778–789. https://doi.org/10.1002/ijc.33588

4. Siegel, R. L., Miller, K. D., & Jemal, A. (2017). Cancer statistics, 2017. CA: A Cancer Journal for Clinicians, 67(1), 7–30. https://doi.org/10.3322/caac.21387

5. Zhuang, J., Tang, X., Du, Z., Yang, M., & Zhou, Y. (2016). Prediction of biomarkers of therapeutic effects of patients with lung adenocarcinoma treated with gefitinib based on progression-free-survival by metabolomic fingerprinting. Talanta, 160, 636–644. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2016.08.007

6. Thiery, J. P., & Sleeman, J. P. (2006). Complex networks orchestrate epithelial–mesenchymal transitions. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 7(2), 131–142. https://doi.org/10.1038/nrm1835

7. Williams, E. D., Gao, D., Redfern, A., & Thompson, E. W. (2019). Controversies around epithelial–mesenchymal plasticity in cancer metastasis. Nature Reviews Cancer, 19(12), 716–732. https://doi.org/10.1038/s41568-019-0213-x

8. Zavadil, J., & Böttinger, E. P. (2005). TGF-β and epithelial-to-mesenchymal transitions. Oncogene, 24(37), 5764–5774. https://doi.org/10.1038/sj.onc.1208927

9. Hay, E.D. (1968). Organization and fine structure of epithelium and mesenchyme in the developing chick embryo. Epithelial-Mesenchymal Interactions ; 18th Hahnemann Symposium, 1968. https://cir.nii.ac.jp/crid/export-6533a6e1-0dde-4248-a3c6-81685f17f49f.bib?lang=en

10. Nieto, M. A., Huang, R. Y.-J., Jackson, R. A., & Thiery, J. P. (2016). EMT: 2016. Cell, 166(1), 21–45. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.06.028Nieto, M. A., Huang, R. Y.-J., Jackson, R. A., & Thiery, J. P. (2016). EMT: 2016. Cell, 166(1), 21–45. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.06.028

11. Lim, J., & Thiery, J. P. (2012). Epithelial-mesenchymal transitions: insights from development. Development, 139(19), 3471–3486. https://doi.org/10.1242/dev.071209

12. Thiery, J. P., Acloque, H., Huang, R. Y. J., & Nieto, M. A. (2009). Epithelial-Mesenchymal Transitions in Development and Disease. Cell, 139(5), 871–890. https://doi.org/10.1016/j.cell.2009.11.007

13. Ye, X., & Weinberg, R. A. (2015). Epithelial–Mesenchymal Plasticity: A Central Regulator of Cancer Progression. Trends in Cell Biology, 25(11), 675–686. https://doi.org/10.1016/j.tcb.2015.07.012

14. Thiery, J. P. (2002). Epithelial–mesenchymal transitions in tumour progression. Nature Reviews Cancer, 2(6), 442–454. https://doi.org/10.1038/nrc822

15. Micalizzi, D. S., Farabaugh, S. M., & Ford, H. L. (2010). Epithelial-Mesenchymal Transition in Cancer: Parallels Between Normal Development and Tumor Progression. Journal of Mammary Gland Biology and Neoplasia, 15(2), 117–134. https://doi.org/10.1007/s10911-010-9178-9

16. Takeyama, Y., Sato, M., Horio, M., Hase, T., Yoshida, K., Yokoyama, T., Nakashima, H., Hashimoto, N., Sekido, Y., Gazdar, A. F., Minna, J. D., Kondo, M., & Hasegawa, Y. (2010). Knockdown of ZEB1, a master epithelial-to-mesenchymal transition (EMT) gene, suppresses anchorage-independent cell growth of lung cancer cells. Cancer Letters, 296(2), 216–224. https://doi.org/10.1016/j.canlet.2010.04.008

17. Vega, S., Morales, A. V., Ocaña, O. H., Valdés, F., Fabregat, I., & Nieto, M. A. (2004). SNAIL blocks the cell cycle and confers resistance to cell death. Genes & Development, 18(10), 1131–1143. https://doi.org/10.1101/gad.294104

18. Peinado, H., Olmeda, D., & Cano, A. (2007). SNAIL, Zeb and bHLH factors in tumour progression: an alliance against the epithelial phenotype? Nature Reviews Cancer, 7(6), 415–428. https://doi.org/10.1038/nrc2131

19. Cowden Dahl, K. D., Symowicz, J., Ning, Y., Gutierrez, E., Fishman, D. A., Adley, B. P., Stack, M. S., & Hudson, L. G. (2008). Matrix Metalloproteinase 9 Is a Mediator of Epidermal Growth Factor–Dependent Е-Кадгерин Loss in Ovarian Carcinoma Cells. Cancer Research, 68(12), 4606–4613. https://doi.org/10.1158/0008-5472.CAN-07-5046

20. Heuberger, J., & Birchmeier, W. (2010). Interplay of Cadherin-Mediated Cell Adhesion and Canonical Wnt Signaling. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 2(2), a002915–a002915. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a002915

21. Carmeliet, P. (2000). Mechanisms of angiogenesis and arteriogenesis. Nature Medicine, 6(4), 389–395. https://doi.org/10.1038/74651

22. Risau, W. (1997). Mechanisms of angiogenesis. Nature, 386(6626), 671–674. https://doi.org/10.1038/386671a0

23. Ward, J. P. T. (2008). Oxygen sensors in context. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics, 1777(1), 1–14. https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2007.10.010

24. Helmlinger, G., Endo, M., Ferrara, N., Hlatky, L., & Jain, R. K. (2000a). Formation of endothelial cell networks. Nature, 405(6783), 139–141. https://doi.org/10.1038/35012132

25. Hansen-Algenstaedt, N., Stoll, B. R., Padera, T. P., Dolmans, D. E., Hicklin, D. J., Fukumura, D., & Jain, R. K. (2000a). Tumor oxygenation in hormone-dependent tumors during vascular endothelial growth factor receptor-2 blockade, hormone ablation, and chemotherapy. Cancer Research, 60(16), 4556–4560.

26. Finishing the euchromatic sequence of the human genome. (2004). Nature, 431(7011), 931–945. https://doi.org/10.1038/nature03001

27. An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. (2012). Nature, 489(7414), 57–74. https://doi.org/10.1038/nature11247

28. Djebali, S., Davis, C. A., Merkel, A., Dobin, A., Lassmann, T., Mortazavi, A., Tanzer, A., Lagarde, J., Lin, W., Schlesinger, F., Xue, C., Marinov, G. K., Khatun, J., Williams, B. A., Zaleski, C., Rozowsky, J., Röder, M., Kokocinski, F., Abdelhamid, R. F., … Gingeras, T. R. (2012). Landscape of transcription in human cells. Nature, 489(7414), 101–108. https://doi.org/10.1038/nature11233

29. Bartel, D. P. (2009). MicroRNAs: Target Recognition and Regulatory Functions. Cell, 136(2), 215–233. https://doi.org/10.1016/j.cell.2009.01.002

30. Palazzo, A. F., & Lee, E. S. (2015). Non-coding RNA: what is functional and what is junk? Frontiers in Genetics, 6. https://doi.org/10.3389/fgene.2015.00002

31. Lee, R. C., Feinbaum, R. L., & Ambros, V. (1993). The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Cell, 75(5), 843–854. https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90529-Y

32. Calin, G. A., & Croce, C. M. (2006b). MicroRNA signatures in human cancers. Nature Reviews Cancer, 6(11), 857–866. https://doi.org/10.1038/nrc1997

33. Gross, N., Kropp, J., & Khatib, H. (2017). MicroRNA Signaling in Embryo Development. Biology, 6(4), 34. https://doi.org/10.3390/biology6030034

34. Iorio, M. V., & Croce, C. M. (2012). Causes and Consequences of MicroRNA Dysregulation. The Cancer Journal, 18(3), 215–222. https://doi.org/10.1097/PPO.0b013e318250c001

35. Nieto-Diaz, M., Esteban, F. J., Reigada, D., Muñoz-Galdeano, T., Yunta, M., Caballero-López, M., Navarro-Ruiz, R., Águila, Á. del, & Maza, R. M. (2014). MicroRNA dysregulation in spinal cord injury: causes, consequences and therapeutics. Frontiers in Cellular Neuroscience, 8. https://doi.org/10.3389/fncel.2014.00053

36. Tan, L., Yu, J.-T., & Tan, L. (2015). Causes and Consequences of MicroRNA Dysregulation in Neurodegenerative Diseases. Molecular Neurobiology, 51(3), 1249–1262. https://doi.org/10.1007/s12035-014-8803-9

37. Zhang, C. (2008). MicroRNAs: role in cardiovascular biology and disease. Clinical Science, 114(12), 699–706. https://doi.org/10.1042/CS20070211

38. Huntzinger, E., & Izaurralde, E. (2011). Gene silencing by microRNAs: contributions of translational repression and mRNA decay. Nature Reviews Genetics, 12(2), 99–110. https://doi.org/10.1038/nrg2936

39. Hanahan, D., & Weinberg, R. A. (2011). Hallmarks of Cancer: The Next Generation. Cell, 144(5), 646–674. https://doi.org/10.1016/j.cell.2011.02.013

40. Ebrahimi, F., Gopalan, V., Smith, R. A., & Lam, A. K.-Y. (2014). miR-126 in human cancers: Clinical roles and current perspectives. Experimental and Molecular Pathology, 96(1), 98–107. https://doi.org/10.1016/j.yexmp.2013.12.004

41. Wang, S., Aurora, A. B., Johnson, B. A., Qi, X., McAnally, J., Hill, J. A., Richardson, J. A., Bassel-Duby, R., & Olson, E. N. (2008). The Endothelial-Specific MicroRNA miR-126 Governs Vascular Integrity and Angiogenesis. Developmental Cell, 15(2), 261–271. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2008.07.002

42. DA SILVA, N. D., FERNANDES, T., SOCI, U. P. R., MONTEIRO, A. W. A., PHILLIPS, M. I., & DE OLIVEIRA, E. M. (2012). Swimming Training in Rats Increases Cardiac MicroRNA-126 Expression and Angiogenesis. Medicine & Science in Sports & Exercise, 44(8), 1453–1462. https://doi.org/10.1249/MSS.0b013e31824e8a36

43. Carnero, A., Blanco-Aparicio, C., Renner, O., Link, W., & Leal, J. (2008). The PTEN/PI3K/AKT Signalling Pathway in Cancer, Therapeutic Implications. Current Cancer Drug Targets, 8(3), 187–198. https://doi.org/10.2174/156800908784293659

44. Luan, Y., Zuo, L., Zhang, S., Wang, G., & Peng, T. (2015). MicroRNA-126 acts as a tumor suppressor in glioma cells by targeting insulin receptor substrate 1 (IRS-1). International Journal of Clinical and Experimental Pathology, 8(9), 10345–10354.

45. Chen, S.-W., Wang, T.-B., Tian, Y.-H., & Zheng, Y.-G. (2015). Down-regulation of microRNA-126 and microRNA-133b acts as novel predictor biomarkers in progression and metastasis of non small cell lung cancer. International Journal of Clinical and Experimental Pathology, 8(11), 14983–14988.

46. Lagos-Quintana, M., Rauhut, R., Lendeckel, W., & Tuschl, T. (2001). Identification of Novel Genes Coding for Small Expressed RNAs. Science, 294(5543), 853–858. https://doi.org/10.1126/science.1064921

47. Jiang, X., Hu, C., Arnovitz, S., Bugno, J., Yu, M., Zuo, Z., Chen, P., Huang, H., Ulrich, B., Gurbuxani, S., Weng, H., Strong, J., Wang, Y., Li, Y., Salat, J., Li, S., Elkahloun, A. G., Yang, Y., Neilly, M. B., … Chen, J. (2016). miR-22 has a potent anti-tumour role with therapeutic potential in acute myeloid leukaemia. Nature Communications, 7(1), 11452. https://doi.org/10.1038/ncomms11452

48. Zuo, Q.-F., Cao, L.-Y., Yu, T., Gong, L., Wang, L.-N., Zhao, Y.-L., Xiao, B., & Zou, Q.-M. (2015). MicroRNA-22 inhibits tumor growth and metastasis in gastric cancer by directly targeting MMP14 and SNAIL. Cell Death & Disease, 6(11), e2000–e2000. https://doi.org/10.1038/cddis.2015.297

49. Budd, W. T., Seashols-Williams, S. J., Clark, G. C., Weaver, D., Calvert, V., Petricoin, E., Dragoescu, E. A., O’Hanlon, K., & Zehner, Z. E. (2015). Dual Action of miR-125b As a Tumor Suppressor and OncomiR-22 Promotes Prostate Cancer Tumorigenesis. PLOS ONE, 10(11), e0142373. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0142373

50. Song, S. J., Poliseno, L., Song, M. S., Ala, U., Webster, K., Ng, C., Beringer, G., Brikbak, N. J., Yuan, X., Cantley, L. C., Richardson, A. L., & Pandolfi, P. P. (2013). MicroRNA-Antagonism Regulates Breast Cancer Stemness and Metastasis via TET-Family-Dependent Chromatin Remodeling. Cell, 154(2), 311–324. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.06.026

51. Zhang K, Li XY, Wang ZM, Han ZF, Zhao YH. MiR-22 inhibits lung cancer cell EMT and invasion through targeting SNAIL. Eur Rev Med Pharmacol Sci. 2017;21(16):3598-3604.

52. Ebrahimi, S. O., & Reiisi, S. (2019). Downregulation of miR-4443 and miR-5195-3p in ovarian cancer tissue contributes to metastasis and tumorigenesis. Archives of Gynecology and Obstetrics, 299(5), 1453–1458. https://doi.org/10.1007/s00404-019-05107-x

53. Meerson, A., & Yehuda, H. (2016). Leptin and insulin up-regulate miR-4443 to suppress NCOA1 and TRAF4, and decrease the invasiveness of human colon cancer cells. BMC Cancer, 16(1), 882. https://doi.org/10.1186/s12885-016-2938-1

54. Chen, X., Zhong, S., Lu, P., Wang, D., Zhou, S., Yang, S., Shen, H., Zhang, L., Zhang, X., Zhao, J., & Tang, J. (2016). miR-4443 Participates in the Malignancy of Breast Cancer. PLOS ONE, 11(8), e0160780. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0160780

55. Zuo, X., Sun, H., Fang, H., Wu, Y., Shi, Q., & Yu, Y. (2021). miR‐4443 targets TRIM14 to suppress metastasis and energy metabolism of papillary thyroid carcinoma (PTC) in vitro. Cell Biology International, 45(9), 1917–1925. https://doi.org/10.1002/cbin.11631

56. Bissell, M. J., Rizki, A., & Mian, I. S. (2003). Tissue architecture: the ultimate regulator of breast epithelial function. Current Opinion in Cell Biology, 15(6), 753–762. https://doi.org/10.1016/j.ceb.2003.10.016

57. Cukierman, E., Pankov, R., Stevens, D. R., & Yamada, K. M. (2001). Taking Cell-Matrix Adhesions to the Third Dimension. Science, 294(5547), 1708–1712. https://doi.org/10.1126/science.1064829

58. Kola, I., & Landis, J. (2004). Can the pharmaceutical industry reduce attrition rates? Nature Reviews Drug Discovery, 3(8), 711–716. https://doi.org/10.1038/nrd1470

59. Pammolli, F., Magazzini, L., & Riccaboni, M. (2011). The productivity crisis in pharmaceutical R&D. Nature Reviews Drug Discovery, 10(6), 428–438. https://doi.org/10.1038/nrd3405

60. Paul, S. M., Mytelka, D. S., Dunwiddie, C. T., Persinger, C. C., Munos, B. H., Lindborg, S. R., & Schacht, A. L. (2010). How to improve R&D productivity: the pharmaceutical industry’s grand challenge. Nature Reviews Drug Discovery, 9(3), 203–214. https://doi.org/10.1038/nrd3078

61. Breslin, S., & O’Driscoll, L. (2013). Three-dimensional cell culture: the missing link in drug discovery. Drug Discovery Today, 18(5–6), 240–249. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2012.10.003

62. Yamada, K. M., & Cukierman, E. (2007). Modeling Tissue Morphogenesis and Cancer in 3D. Cell, 130(4), 601–610. https://doi.org/10.1016/j.cell.2007.08.006

63. Tsoukalas N. et al. Epithelial–mesenchymal transition in non small-cell lung cancer //Anticancer Research. – 2017. – Т. 37. – №. 4. – С. 1773-1778. https://doi.org/10.21873/anticanres.11510

64. Jia Z. et al. miR-126 suppresses epithelial-to-mesenchymal transition and metastasis by targeting PI3K/AKT/Snail signaling of lung cancer cells //Oncology letters. – 2018. – Т. 15. – №. 5. – С. 7369-7375.

ПРЕПРИНТ

ИНФОРМАЦИЯ