Arsenic-Induced miRNA-199 and mriRNA-214 Deplete Mitochondrial DNA for the Generation of Cancer Stem-Like Cells

砷诱导的 miRNA-199 和 mRNA-214 消耗线粒体 DNA 以生成癌症干细胞样细胞

基本信息

  • 批准号:
    10463263
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 27.15万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-09-20 至 2023-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

We have shown that consecutive treatment of the human bronchial epithelial cells with the environmentally relevant concentration of As3+ (0.125 – 0.25M), an environmental metalloid metal, for six months, induces transformation of the human bronchial epithelial cells, some of which possess characteristics of the cancer stem-like cells (CSCs), such as tumor sphere formation in vitro, self- renewal in vivo, increased expression of the stemness genes, including Oct4, Sox2, KLF4, and c-myc. In addition, these cancer stem-like cells exhibited a pronounced increase in the expression of several microRNAs, most notably, the miR-214, miR-199, miR-10b, miR-34b, etc. Furthermore, integrated transcriptomic and metabolomic analyses demonstrated a higher rate of glycolysis and lower levels of mitochondrial metabolism due to mitochondrial DNA (mtDNA) depletion among these As3+-induced CSCs. Lastly, a unique glycolytic feature that is different from naïve embryonic stem cells (ESCs) and cancer cells was found in these As3+-induced CSCs. Both ESCs and cancer cells direct glycolysis for lactate production. In contrast, the As3+-induced CSCs show increased conversion of the glycolytic intermediates into the subsidiary pathways for the generation of N-acetylglucosamine important for O- GlcNAcylation of the stemness genes and the S-adenosyl methionine (SAM) that contributes to DNA and histone methylation. Accordingly, the goal of this application is to determine: (1) is As3+-induced miRNAs, esp. miR214/199, responsible for the depletion of mtDNA and the consequent inhibition of mitochondria; (2) if so, how miRNAs induced by As3+ impairs the integrity and function of mtDNA and mitochondria; and (3) how the impaired function of mitochondria contributes to the generation of the CSCs induced by As3+. We hypothesize that As3+-induced JNK-dependent pSTAT3S727 and miR-214/199 switch mitochondrial OXPHOS to glycolysis for the formation of CSCs. To test this hypothesis, the following three specific aims are proposed: Specific Aim 1: As3+-activated JNK and pSTAT3S727 enforce expression of miR-214 and miR-199 that down-regulate mitochondrial transcription factor A (TFAM) in BEAS-2B and other lung cells for the generation of CSCs. We will focus on the transcriptional regulation of the miR-214/199 cluster with emphases on promoter DNA methylation and transcription factor binding in cellular response to As3+ and its down-stream signaling; Specific aim 2: Understand how As3+-induced JNK, miR-214/199 and mitochondrial dysfunction contribute to the formation of CSCs with an emphasis on metabolic reprogramming from OXPHOS to glycolysis. Specific Aim 3: Defining the causal roles of As3+-induced JNK- and miR-214/199-dependent metabolic reprogramming in the changes of epigenetics related to chromatin structure and accessibility that linked to self-renewal and/or differentiation of the As3+-induced CSCs through high-throughput profiling. We will identify metabolite- dependent epigenetic and chromatin changes in non-transformed cells, As3+-induced transformed cells and CSCs, which will be further verified through overexpressing or CRISPR-Cas9-based knockdown of the key genes in the related metabolic pathways and monitoring the self-renewal and differentiation status of the CSCs. The high-throughput approaches will include ChIP-seq to map H3K9me3, H3K27me3, and H3K4me3, and RNA-seq to profile transcription of the genes, esp. for those contributing to the pluripotency, self-renewal and differentiation of the CSCs. We anticipate that the results from the proposed studies will unravel importance of As3+-induced miR-214/199 on the generation of CSCs and lead to emerging of new concepts of As3+ carcinogenesis by emphasizing the capability of As3+ in CSC induction. Moreover, we believe that the date generated from this project will help us in developing novel therapeutic strategies by targeting JNK, miR-214/199 and CSCs through utilizing our unique mouse orthotopical lung cancer model in NOD/SCID mice in a separate research project.
我们已经证明,连续处理人支气管上皮细胞 As3+ 的环境相关浓度 (0.125 – 0.25μM),一种环境准金属,用于 六个月,诱导人支气管上皮细胞转化,其中一些细胞具有 癌症干细胞样细胞(CSC)的特征,例如体外肿瘤球形成、自身 体内更新,增加干性基因的表达,包括 Oct4、Sox2、KLF4 和 c-myc。 此外,这些癌症干细胞样细胞的几种表达显着增加 microRNA,最值得注意的是 miR-214、miR-199、miR-10b、miR-34b 等。此外,整合 转录组学和代谢组学分析表明糖酵解率较高,糖酵解水平较低 As3+ 诱导的线粒体 DNA (mtDNA) 耗竭导致线粒体代谢 最后,CSC 具有不同于幼稚胚胎干细胞 (ESC) 的独特糖酵解功能和 在这些 As3+ 诱导的 CSC 中发现了癌细胞,ESC 和癌细胞都直接进行糖酵解。 相反,As3+诱导的CSC显示糖酵解转化增加。 中间体进入生成 N-乙酰氨基葡萄糖的辅助途径,对于 O- 很重要 干性基因的 GlcNA 酰化和对 DNA 有贡献的 S-腺苷甲硫氨酸 (SAM) 因此,本申请的目的是确定:(1) 是 As3+ 诱导的。 miRNA,尤其是 miR214/199,负责 mtDNA 的消耗和随后的抑制 线粒体;(2) 如果是这样,As3+ 诱导的 miRNA 如何损害 mtDNA 的完整性和功能 线粒体;以及(3)线粒体功能受损如何促进线粒体的产生 As3+ 诱导的 CSCs 是由 As3+ 诱导的 JNK 依赖性 pSTAT3S727 和 miR-214/199。 将线粒体 OXPHOS 转换为糖酵解以形成 CSC。 提出了三个具体目标: 具体目标 1:As3+ 激活的 JNK 和 pSTAT3S727 强制执行 下调线粒体转录因子 A (TFAM) 的 miR-214 和 miR-199 的表达 BEAS-2B 和其他肺细胞用于 CSC 的生成 我们将重点关注转录调控。 miR-214/199 簇的结构,重点是启动子 DNA 甲基化和转录因子 细胞对 As3+ 的反应及其下游信号传导的结合;具体目标 2:了解如何进行 As3+ 诱导的 JNK、miR-214/199 和线粒体功能障碍有助于 CSC 的形成 强调从 OXPHOS 到糖酵解的代谢重编程。具体目标 3:定义 As3+诱导的JNK和miR-214/199依赖性代谢重编程在 与染色质结构和可及性相关的表观遗传学变化与自我更新和/或 通过高通量分析对 As3+ 诱导的 CSC 进行分化,我们将鉴定代谢物。 非转化细胞、As3+ 诱导的转化细胞中依赖的表观遗传和染色质变化 和CSC,将通过过表达或基于CRISPR-Cas9的敲除进一步验证 相关代谢途径中的关键基因并监测自我更新和分化 高通量方法将包括 ChIP-seq 来定位 H3K9me3, H3K27me3 和 H3K4me3 以及 RNA-seq 来分析基因的转录,特别是那些基因的转录。 有助于 CSC 的多能性、自我更新和分化。 拟议研究的结果将揭示 As3+ 诱导的 miR-214/199 对 CSCs 的产生,并通过强调 As3+ 致癌的新概念的出现 此外,我们相信该项目生成的数据将具有 As3+ 在 CSC 诱导中的能力。 通过靶向 JNK、miR-214/199 和 CSC,帮助我们开发新的治疗策略 在一项单独的研究中,在 NOD/SCID 小鼠中利用我们独特的小鼠原位肺癌模型 项目。

项目成果

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