基于转录组学探究凋亡执行者caspase3介导放疗后肿瘤再增殖的分子机制

Tumor repopulation depicts the phenomenon that residual tumor cells surviving radiotherapy rapidly and tenaciously proliferate, acting as one of important causes for failure of radiotherapy. Caspase 3 serves as one of vital executioners in cell apoptosis. Increasing evidence indicates that caspase 3 mediates post-radiotherapy tumor repopulation, whereas the detailed mechanisms of it remain elusive. In this project, we firstly establish the model of post-irradiation tumor repopulation with colorectal cancer cell lines and explore the role of caspase 3 in colorectal cancer cell repopulation after X-ray irradiation. By means of RNA-sequencing and bioinformatics analysis, we then aim at determining and excavating the main downstream signaling pathways and key signaling molecules of caspase 3, which participate in the colorectal cancer cell repopulation after irradiation. Furthermore, by employing techniques in molecular biology, we intend to illustrate the detailed mechanisms of how caspase 3 regulate its downstream signaling pathways or molecules and verify whether those downstream signaling pathways or molecules participate in colorectal cancer cell repopulation. This project attempts to explicate the molecular mechanisms underlying how caspase 3 mediates post-irradiation tumor repopulation; therefore, it may provide more effective therapeutic targets for inhibiting tumor repopulation after radiotherapy, bearing significant theoretical meanings and potential values for clinical application.

肿瘤再增殖是指放疗后残存肿瘤细胞快速增殖的现象，是导致放疗失败的重要原因之一。Caspase 3是重要的凋亡执行者之一。愈多研究显示caspase 3参与放疗后肿瘤再增殖的过程，然而caspase 3介导放疗后肿瘤再增殖的具体机制仍不清晰。在本项目中，我们首先利用结直肠癌细胞系构建X射线辐照后肿瘤再增殖模型，并探索caspase 3在结直肠癌细胞再增殖中的作用。其次，采用RNA-Seq技术和生物信息学分析探索和挖掘caspase 3下游介导X射线辐照后结直肠癌细胞再增殖的主要信号通路和关键信号分子。此外，利用生物学技术手段阐明caspase 3调控下游信号通路或分子的具体机制，并验证这些下游分子是否参与结直肠癌细胞再增殖的过程。本项目从转录组学角度深入探究caspase 3介导放疗后肿瘤再增殖的分子机制，具有重要理论意义和潜在临床应用价值，或可为抑制放疗后肿瘤再增殖提供更多有效的治疗靶点。

肿瘤再增殖指的是治疗（放疗、化疗等）后存活的残余肿瘤细胞不断增殖，最终再次形成肿瘤的过程。肿瘤再增殖是导致肿瘤治疗失败的重要原因之一。阐明肿瘤再增殖的细胞与分子生物学机制或可为提高抗肿瘤治疗有效率、抑制肿瘤复发提供更多有效策略。然而目前肿瘤再增殖的细胞和分子机制仍然不甚清楚。一方面，本项目通过建立的体外肿瘤细胞再增殖模型探索caspase-3介导的肿瘤再增殖的分子机制。在结直肠癌细胞中，通过转录组测序技术筛选了caspase-3下游的介导结直肠癌细胞放疗后再增殖的信号分子。在胶质瘤细胞中，发现COX-2作为caspase-3下游分子介导了X射线辐照后胶质母细胞瘤再增殖。此外，借助临床标本阐明caspase-3/COX-2信号轴在胶质母细胞瘤患者中的临床预后指导价值。另一方面，本项目发现了肿瘤再增殖的新型细胞学机制：多核巨肿瘤细胞（polyploid giant cancer cells，PGCCs）—出芽（neosis）—肿瘤细胞再增殖。研究发现：①X射线一方面可以杀死肿瘤细胞，同时也可以诱导部分肿瘤细胞形成PGCCs。②部分PGCCs表现出增殖的特征。③利用延时显微镜观察和单细胞克隆形成试验，我们观察到具有增殖特征的PGCCs通过出芽（neosis）的方式最终实现了肿瘤细胞再增殖的过程。④更进一步，我们发现濒死肿瘤细胞释放到胞外的HMGB1介导了PGCCs—neosis—肿瘤细胞再增殖的过程。⑤通过抑制HMGB1分子，减弱了PGCCs—neosis—肿瘤细胞再增殖的过程。