PLoS ONE: Biologisk Støkiometri i Human Cancer

Abstrakt

Baggrund

En voksende tumor i kroppen kan betragtes som en kompleks økologisk og evolutionær system. En ny øko-evolutionære hypotese ( “Vækst Rate hypotese”, GRH) foreslår, at tumorer har forhøjet fosfor (P) kræver på grund af øget tildeling til P-rige nukleinsyrer, især ribosomalt RNA, for at opfylde de proteinsyntese krav accelereret proliferation .

Metodologi /vigtigste resultater

Vi bestemmes elementært (C, N, P) og nukleinsyre indhold parrede maligne og normale væv fra colon, lunge, lever eller nyre for 121 patienter . Overensstemmelse med GRH, lunge- og colontumorer signifikant højere (ca. to gange) i P-indhold (fraktion af tør vægt), og RNA-indhold og lavere i nitrogen (N): P-forholdet end parret normalt væv, og P i RNA bidrog med en væsentlig større andel af den samlede biomasse P i maligne forhold til normale væv. Desuden blev patientspecifikke forskelle for% P mellem maligne og normale væv positivt korreleret med sådanne forskelle for% RNA, både for de samlede data og inden tre af de fire orgel sites. Imidlertid blev signifikante forskelle i% P og% RNA mellem maligne og normale væv ikke set i lever og nyrer og samlet, RNA bidrog kun ~11% af det samlede væv P-indhold.

Konklusioner /Betydning

data for lunge- og colon tumorer yde støtte til GRH i human cancer. De dobbelte forstærkning af P-indholdet i colon og lunge tumorer kan sætte scenen for potentielle P-begrænsning af deres proliferation, som sådanne forskelle ofte gør for hurtigt voksende biota i økosystemer. Men data for nyre og lever ikke understøtter GRH. For at tage højde for disse modstridende observationer, foreslår vi, at de lokale miljøer i nogle organer vælge for neoplastiske celler, der bærer mutationer stigende celledeling sats ( “r-valgt,” som i colon og lunge), mens forhold andre steder kan vælge for reduceret dødelighed ( “K -Valgte, “som i lever og nyre)

Henvisning:. Elser JJ, Kyle MM, Smith MS, Nagy JD (2007) Biologisk Støkiometri i human Cancer. PLoS ONE 2 (10): E1028. doi: 10,1371 /journal.pone.0001028

Academic Redaktør: Frederick Adler, University of Utah, USA

Modtaget: April 26, 2007; Accepteret: September 17, 2007; Udgivet: 10. oktober 2007

Copyright: © 2007 Elser et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Finansiering:. Dette arbejde blev finansieret af en National Science Foundation /National Institutes of Health tilskud (NSF DMS-0.342.388) til JJE og JDN og af NSF /NIH og NIH tilskud (NSF DMS-0342325 og NIH GM060792) til MSS.

Konkurrerende interesser: forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

på trods af en stærkt udvidet vidensgrundlag, har post-forekomst af kræft overlevelsesrater vist kun beskedne forbedringer i de seneste årtier [1].. Således er der behov for nye fremgangsmåder, der kan integrere de forskellige mængde viden på dette område for at give en bedre forståelse af kræft og forbedre eksisterende behandlinger. Et stadig vigtigere vægt i kræft biologi er at betragte neoplasma og vært som en kompleks økologisk system, hvor genetisk heterogene tumorer i undergår evolutionær forandring [2], [3]. Denne vægt bliver stadig overbevisende i lyset af resultaterne af “kryptisk kræft”, hvor moderne molekylær screening indikerer den udbredte tilstedeværelse af celler, der indeholder kendte onkogen-specifikke mutationer i ellers raske væv [4]. Mens sådanne “precancers” stadig kan mangle vigtige mutationer for komplet onkogen transformation, sådanne bemærkninger foreslår også, at vigtige aspekter af en genetisk divergerende celle miljø kan være kritisk i dens endelige udvikling til en fysiologisk signifikant tumor. Men øko-evolutionære tilgange er, endnu ikke er udbredt, og få forsøg er blevet gjort for at operationalisere de økologiske mekanismer på spil i en tumor-vært økosystem.

Økologisk støkiometri er studiet af balancen mellem energi og flere kemiske elementer i økologiske interaktioner [5]. På det seneste er denne tilgang blevet udvidet til et bredere sæt evolutionære og funktionelle spørgsmål uden økologi; denne udvidede teori er biologisk støkiometri [6]. I denne forbindelse er det for nylig blevet foreslået, at tumorceller præsentere et eksempel på et støkiometrisk syndrom, hvor der er tætte positive associationer mellem vækstraten, biomasse RNA indhold (fraktion af tør masse), og biomasse phosphor (P) -indhold [7] . Disse foreninger opstår, fordi hurtigt prolifererende celler generelt øge deres tildeling til P-rige ribosomale RNA til at opfylde de forhøjede proteinsyntese krav høj vækstrate. Denne “Vækst Rate Hypotese” (GRH herefter) har modtaget betydelig støtte i de seneste undersøgelser med forskellige biota lige fra bananfluer til bakterier [8]. En naturlig følge af denne hypotese er, alt andet lige, P-rige biota skal oftere begrænset af miljø- eller kosten P forsyning [8]. Således GRH forudsiger, at tumorer kan være modtagelige for

in vivo

P-begrænsning af vækst [7]. Vi testede GRH i forbindelse med cancer biologi ved at evaluere nitrogen (N), P, og nukleinsyre (RNA, DNA) indholdet af parrede maligne og tilstødende normalt væv biopsier stammer fra colon, lever, nyre og lunge.

Metoder

Sample Analyser og Database

biopsiprøver blev opnået via Cooperative humant væv Network (CHTN) af National Cancer Institute. Prøver blev opnået næsten udelukkende fra primære tumorer med oprindelse i fire organer (lever, nyre, tyktarm /endetarm, eller lunge). blev opnået ifølge standardprocedurer CHTN procedurer, prøver af tumor og af sunde tilstødende væv, med en del undersøgt af en patolog til diagnose og det resterende materiale lynfrosset i flydende nitrogen og holdt ved -70 ° C indtil forsendelse på tøris til ASU hvor de blev holdt ved -80 ° C indtil videre forarbejdning. For nukleinsyre analyse blev sub-prøver fra hver biopsiprøve afrevet på tøris og 50-100 mg prøver blev straks homogeniseret med 1 ml Trizol (Invitrogen ™). Følgende etablerede ekstraktionsprocedurer [9], efter inkubation i 10 minutter ved stuetemperatur en femtedel volumen chloroform blev tilsat og blandet, hvorefter faserne blev adskilt ved centrifugering ved 12.000 g i 15 minutter ved 4 ° C. Den organiske fase blev genekstraheret, og den puljede vandige fase blev udfældet med isopropanol og centrifugeret ved 12.000 g i 10 minutter ved 4 ° C. Pelleten blev derefter vasket med kold 75% ethanol og re-centrifugeret, jævnfør producentens protokol. Den endelige RNA-produkt blev behandlet med RNAse-fri DNAse anvendelse af DNA-fri reagenser (Ambion). DNA blev ekstraheret fra frosne delstikprøver ved hjælp af QIAamp DNA MINIKIT (QIAGEN ™). Nucleinsyre-koncentrationer af ekstrakter blev derefter kvantificeret under anvendelse af en NanoDrop® ND-1000 spektrofotometer. Eftersom prøver til nukleinsyreanalyse ikke kunne tørres til sammenligning med elementært analyser, for hvert organ vi udviklet en empirisk faktor til at konvertere frisk frosset vægt tørre vægt. At vurdere eventuel RNA-nedbrydning under prøvehåndtering blev alle ekstrakterne også udsat for en kvantitativ realtids-PCR-assay til amplifikation af 177 bp mRNA i hypoxanthin guanin phosphoribosyltransferase 1 (HPRT) housekeeping-genet [10]. Prøver indikerer mulig RNA-nedbrydning blev udelukket fra analysen. Delprøver til grundstofanalyse blev tørret og vejet og derefter analyseret for P ved kolorimetri [11] eller til carbon (C) og N (via en PerkinElmer model