《International Journal of Molecular Sciences》：Mechanotransduction-Induced Gene Expression Reveals Activation of TGFβ/SKIL/TAZ Axis and Supports Invasive Phenotype in Triple-Negative Breast Cancer
Rakesh K. Sharma,
Maranda Kramer,
Kenneth Hough,
Tess Vessels,
Lidya Canturk,
Hong Wang,
Reading Ashton,
Mary Kathryn Sewell-Loftin,
Kayla F. Goliwas and
Selvarangan Ponnazhagan
+ 2 authors
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这项研究揭示了驱动三阴性乳腺癌(TNBC)侵袭和转移的关键生物力学机制。研究人员通过施加振荡应变模拟肿瘤微环境(TME)中的机械应力，发现其可显著上调原癌基因SKIL，并激活TGFβ信号通路和Hippo通路效应子YAP/TAZ。该工作阐明了机械应力通过TGFβ/SKIL/TAZ轴促进癌细胞的迁移、上皮-间质转化(EMT)和免疫抑制的分子途径，为针对侵袭性乳腺癌的机械转导通路治疗提供了新的潜在靶点。
机械力在肿瘤微环境(TME)中扮演着关键角色，尤其对于预后较差、治疗方案有限的三阴性乳腺癌(TNBC)。肿瘤生长过程中，成纤维细胞和肿瘤反应性基质的扩张增加了细胞外基质的沉积，产生基质张力并增强机械转导。这种机械力驱动的信号传导通过改变基因表达模式，促进细胞增殖、侵袭和转移潜能。为了探究这些变化背后的分子机制，研究人员对人TNBC细胞(MDA-MB-231)施加了恒定应变或振荡应变，随后进行了全面的转录组学分析。
振荡应变显著改变人乳腺癌细胞的基因表达景观
与恒定应变相比，振荡应变能引起更显著的基因表达变化。研究发现，振荡应变与对照组相比，存在101个基因存在显著性差异表达(调整后p值<0.05)，而与恒定应变或对照组相比，恒定应变未引起统计学上显著的基因表达变化。通过热图和层次聚类对差异表达最显著的100个基因进行可视化，结果显示振荡应变导致了大量基因的强烈上调和下调。通过实时荧光定量PCR(RT-PCR)对SKIL、TGFB1等基因进行验证，结果确认了RNA测序数据的可靠性。
振荡应变诱导与细胞迁移相关的基因上调
对差异表达最显著的100个基因(表达变化≥±1倍)进行基因本体论(GO)分析，结果显示这些基因富集于多个生物学过程。其中，正向调控细胞迁移是最显著富集的生物学过程之一。进一步的蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络分析揭示，与“多细胞生物过程的负调控”、“细胞迁移的正向调控”以及“细胞粘附的负调控”相关的基因网络高度互连。这些上调的基因集合与肿瘤进展、血管发育、TGFβ信号传导等协调的生物学过程相关，凸显了其在调控细胞行为，特别是肿瘤发展、免疫反应和癌症进展中的功能相关性。
振荡应变诱导与TGFβ信号传导相关的基因表达
Reacome通路分析揭示了这些差异表达基因在TGFβ家族成员信号通路中的显著富集。信号转导的PPI网络分析识别出一个包含34个节点和28条边的网络，其中包含了TGFβ家族成员，为涉及SMAD家族和受体酪氨酸激酶(RTK)信号传导的通路提供了全面视角。该网络中的多数成员(如NRP2, FURIN, SKIL, NCOR2等)相互连接，构成了广泛的TGFβ信号网络。这个PPI网络突显了一个以TGFβ信号传导为中心的协调调控模块，在细胞通讯、EMT、免疫调节和致癌信号传导的耐药性中具有重要意义。
振荡应变促进与侵袭性乳腺癌相关基因的上调
为了探究临床相关性，研究人员利用癌症基因组图谱(TCGA)数据库比较了正常乳腺组织与侵袭性乳腺癌中振荡应变介导基因的表达。分析显示，SKIL、SERPINE1、TGFB1、COL1A1、FURIN等众多振荡应变诱导的基因在乳腺肿瘤中显著上调。这表明振荡应变响应基因与侵袭性乳腺癌进展之间存在潜在联系。对这些基因的PPI和通路富集分析显示出与振荡应变诱导通路的高度相似性，包括TGFβ信号、SMAD2/SMAD3:SMAD4转录活性、细胞外基质(ECM)蛋白聚糖、EMT和细胞外基质组织。其中，SERPINE1、COL1A1、FURIN、TGFB、CGN和SKIL之间形成了强PPI网络，突出了它们在振荡应变介导的致癌信号传导中的核心作用。
振荡应变介导原癌基因SKIL的上调
在差异表达分析中，与恒定应变或对照相比，振荡应变显著上调了SKIL、NRP2、PMEPA1和SPTB，而下调了MUC5AC、SYT9、ASB2和RASL11A。其中，SKIL是振荡应变下上调最显著的基因。对TCGA数据的进一步分析表明，与正常乳腺上皮相比，SKIL转录本水平在管腔型肿瘤和TNBC中显著升高。对SKIL相互作用蛋白质的PPI网络分析发现，SKIL与大多数SMAD家族蛋白(如SMAD2, SMAD3, SMAD4等)及其他相互作用因子(NCOR1, SMURF2等)存在相互作用。对这些相互作用蛋白质的生物学富集分析表明，它们与TGFβ信号、SMAD蛋白信号转导、BMP信号传导等多种信号通路相关，其中TGFβ/SMAD信号是SKIL及其互作蛋白调控的最富集通路。
SKIL整合机械信号激活TNBC中的YAP/TAZ信号传导和细胞迁移
RNA测序分析确定SKIL是人TNBC细胞系MDA-MB-231中振荡应变诱导致癌信号传导的关键介质。在另一TNBC细胞系Hs578T中，振荡应变同样上调了SKIL的表达，表明SKIL的应变响应性诱导是这些TNBC细胞系的共同特征。由于YAP/TAZ是机械转导驱动的促肿瘤信号传导的核心调节因子，研究发现振荡应变的应用显著增加了YAP和TAZ的转录本水平。已有报道称SKIL通过上调TAZ促进非小细胞肺癌的肿瘤发生，提示应变诱导的SKIL在TNBC中可能同样作用于YAP/TAZ轴的上游。为了验证这一可能性，研究人员使用小干扰RNA(siRNA)敲低了SKIL的表达，并测量了YAP和TAZ的转录水平。结果显示，SKIL敲低导致MDA-MB-231和Hs578T细胞中YAP和TAZ表达显著降低，支持了SKIL在机械应变下促进YAP/TAZ激活的调控作用。此外，功能实验证实，SKIL沉默显著降低了两种TNBC细胞的迁移能力，表明SKIL是应变增强的细胞迁移所必需的。
振荡应变响应基因的转录因子富集和相互作用网络
为了识别振荡应变响应基因的上游调控因子，研究人员利用ChEA3门户对差异表达最显著的100个基因进行了转录因子(TF)富集分析。根据来自多个数据库的综合评分(MeanRank)，排名前十的转录因子包括ZNF469、SMAD3、TWIST1、ELK1、SNAI2、FOXD1、TWIST2、ATF3、GLI3和PRRX1。这些转录因子在上皮-间质转化(EMT)、细胞外基质重塑和肿瘤进展中均有明确作用。进一步的TF相互作用网络分析显示，TWIST1是连接其他EMT调节因子(如TWIST2、ZNF469)以及发育因子FOXD1和GLI3的中心枢纽。SMAD3作为TGFβ的关键效应子，加强了TGFβ介导的转录程序。此外，应激反应转录因子如ATF3和ELK3的富集，揭示了应激反应共调控机制在此TF网络中的整合。转录因子富集和调控网络共同突显了振荡应变介导的转录架构，该架构促进了细胞可塑性、侵袭和治疗抵抗，与EMT驱动的表型转变和乳腺癌的侵袭性行为相一致。
综合这些发现，研究表明振荡应变通过激活TGFβ信号传导并诱导SKIL表达，进而增强YAP/TAZ活性，从而驱动TNBC的转录重编程，促进肿瘤增殖、侵袭、EMT和干性。转录因子网络涉及SMAD3、TWIST1/2和SNAI2，进一步强化了EMT和免疫抑制程序。同时，MUC5AC、SYT9、ASB2、RASL11A和PDE7B的下调表明了其对细胞骨架可塑性和生存信号的影响。与TCGA数据集的比较分析证实了振荡应变响应基因在侵袭性TNBC中的临床相关性。这些发现共同确立了TGFβ/SKIL/TAZ轴是机械诱导致癌信号传导的核心驱动因素，并突显了SKIL及其下游效应子作为潜在治疗靶点的重要性。
