2021.12.13 杨梅分享“衰老诱导的甲基丙二酸积累促进肿瘤进展”的故事首先介绍一下本研究的通讯作者为康奈尔大学的John Blenis 教授,其实验室主要研究细胞如何感知和整合信号以维持细胞内环境平衡。特别是了解这些机制是如何被癌细胞“劫持”来促进肿瘤发生和耐药性。而其实验室研究细胞如何感知和整合信号以维持细胞内环境平衡。特别是了解这些机制是如何被癌细胞劫持来促进肿瘤发生和耐药性。而Ana P. Gomes是Blenis 教授实验室的一位博后,也是本研究的第一作者。 有临床统计分析表明,65岁以上的患癌风险和死亡率都会上升。那么衰老和癌症之间究竟有什么关系?随着年龄的增长,由于环境因素和内在因素导致的基因突变不断累积,罹患癌症的风险也会逐渐增加。大多数致癌物质都来源于环境中,但你是否想过有一些致癌物质是由我们自己产生的?我们知道,老年人更容易得癌症,因为老年人的体抗力下降,免疫系统杀死出错细胞的能力下降,如今,科学家们又发现,除了容易得癌症外,老年人得了癌症后,癌细胞也也往往更具侵略性,它们会更容易转移,且癌细胞的抵抗力也更强,这可能与血液有关。当我们的身体将食物转化为能量时,它们会产生一些代谢产物,并随着年龄的增长而累积。最新的研究表明,某些代谢产物可能在癌症的发展中可能具有致命作用。这篇文章正是做了一个相关的有趣的研究。发现老年人血清更容易促进癌症发生发展,这与老年人血清中显著上升的某个代谢物息息相关。 这是本研究的概念图,简单就此图给大家介绍一下这个有趣的故事。这篇文章的研究发生老年人的血液中含有的大量甲基丙二酸(MMA)会刺激癌细胞转移,还能让肿瘤对常见的化疗更具抵抗力,其主要是通过激活TGFβ通路导致转录因子SOX4上调,对细胞的转录进行重编程,影响肿瘤微环境,进而促进肿瘤的转移和耐药等。 接下来,让我们看看作者是怎么进行研究的? 1. An age-induced circulatory factor promotes cancer aggression. 首先,作者研究了 30 岁以下或 60 岁以上的健康人血清处理后的肿瘤细胞的改变。结果发现年轻人的血清处理后,癌细胞大多没有显著变化;但是在老年献血者血清处理后,癌细胞大多开始表现出上皮-间质转化(EMT)的表型(使用老年人和年轻人的血清培养非小细胞肺癌A549和乳腺癌HCC1806)。 接下来,作者通过进行western-blot验证发现,与上皮性质相关的E-cadherin蛋白等显著下调,而与侵袭迁移相关的MMP2等蛋白是显著上调的,说明老年人血液培养的细胞并获得了更强的迁移和侵袭能力,体内动物实验也发现老年人血清极大地增强了肺转移瘤的形成能力。D图是作者在用老年人和年轻人的血清处理MDA-MB-231细胞10天后,发现其转移侵袭相关蛋白marker确实上调,然后进行尾静脉注射到小鼠体内,通过小动物成像结果也可以明显看到,老年人血液培养过的细胞的肺转移定植能力更强。 此外,作者发现60 岁以上的健康人血清处理后的肿瘤细胞对两种常用化疗药物的耐药性,紫杉醇和卡铂。 从以上的实验。作者惊人的发现,老年人的血清可以促进癌症的发展。 2. MMA induces aggressive traits of cancer cells 那么是为什么老年人的血清可以促进癌症的进展呢?考虑到许多炎症因子可能与衰老和肿瘤相关,于是作者进行了分析发现,促炎因子并无明显差异也不可解释老年人血清促进癌症发展的现象。我们知道,饮食、运动和热量限制等代谢变化是有很大可能影响癌症发生发展的,于是作者分析了供体血清的代谢成分,分析了老年供体的血清中相关179个代谢物,其中只有10个是显著上调的,但是只有三种代谢物持续增加:磷酸烯醇丙酮酸(QA),喹啉酸酯(PEP)和甲基丙二酸(MMA)。进一步通过实验发现,只有 MMA 能显著增加肿瘤的进展和侵袭性。接下来,作者又检测了60个血清样本中的MMA含量,发现在年轻人血清当中MMA含量在0.1~1.5μm, 而老年人血清中MMA的含量在15~80μm,此外,前面我们知道老年人和年轻人血清培养细胞时候,各有5个血清样本培养的表型出现离群现象,其血清中MMA的含量也是和表型相符的。 为了更好地理解MMA增强癌细胞的侵袭性,作者用MMA处理HCC1806、A549和MCF-10A细胞(这些都是EMT研究的常见模型)。1 mM及以上浓度足以诱导EMT相关表型和侵袭相关蛋白的表达。此外,由于MMA是一个酸,于是作者就找了许多结构和pka值与MMA相似的其他酸处理细胞,发现除了MMA以外,其他的酸类物质并不能引起类似的表型变化。随后,作者用MMA处理乳腺癌细胞MDA-MB-231, 同样进行尾静脉注射发现可以显著增强其侵袭转移以及肺转移定植的能力。 此外,作者建立小鼠结直肠癌原位模型,通过每日进行腹腔注射MMA人为提高小鼠体内MMA水平,发现MMA处理的小鼠原位瘤荧光更强,转移灶也表现出很强的荧光。从实验结果也可以看出,MMA处理也会明显缩短小鼠的生存期。 与直接使用老年人血清处理相似,MMA处理后的肿瘤细胞对两种常用化疗药物紫杉醇和卡铂的耐药性也是明显增强。对细胞干性也有一定的提高,包括CD44的增加和CD24的减少。 以上的实验可以说明,老年人血清促进肿瘤发生发展是代谢副产物MMA在捣鬼,那么研究到这里,下一步应该进行机制研究,看MMA是如何发挥促癌作用的。 3. MMA triggers pro-aggressive transcriptional reprogramming by activation of TGFβ signaling and consequent induction of SOX4. 进一步研究机制,作者通过将MMA处理过10天的细胞送转录组测序,分析发现MMA 控制着一系列的遗传过程,其通过重塑肿瘤细胞和微环境以促进癌症的进展。 基因富集分析显示 MMA 可能通过调控基因转录来发挥作用,且上调的基因都是编码与胞外基质,微环境和细胞粘附相关的蛋白。 MMA作为一个转录的调节者,作者试图探究参与转录调节的转录因子,于是用MMA处理3天的细胞进行转录组测序,发现有439个基因发生显著变化,其中转录因子有11个,其中的9个通过q-PCR验证,转录因子 SOX4 的表达上调最为显著。此外,MMA直接培养细胞和用血清培养,均可以导致SOX4蛋白上调。先前已有大量的研究表明,SOX4 可以促进癌症的进展和转移,与患者预后不良相关。 SOX4诱导转录的基因和MMA处理诱导转录增加的基因进行一个overlap,发现有199个重叠,并且与细胞粘附,血管生成相关,与TGFβ相关系。在干扰 SOX4 表达后,作者发现 MMA 的促癌作用完全消除。 在干扰 SOX4 表达后,作者发现 MMA诱导的对卡铂和紫杉醇的耐药表型逆转。 以上研究我们知道,MMA通过诱导SOX4进行转录重编程来影响肿瘤进程,接下来作者想探究,MMA是如何影响SOX4表达水平的。 之前有许多文章报道,TCA循环当中的一些代谢物通过表观遗传修饰影响癌症的发生发展,于是作者也是通过western-blot进行验证,发现MMA并不能明显改变组蛋白修饰。而我们知道SOX4的上游是受TGF-β调节的,并且在RNA-SEQ的数据里面可以看出TGFβ信号通路是上调的,包括TGFβ2,于是作者进行了q-PCR验证,发现MMA处理1天便可以使TGFβ2的RNA水平明显上调,此外其蛋白水平也相应的上调。 为了确定TGFβ信号通路的激活导致SOX4的上调,作者使用TGFβ受体的抗体以及抑制剂处理,发现两种处理方式都会是MMA诱导导致的SOX4上调以及转移相关的marker变化折损。 以上实验说明MMA诱导SOX4上调是通过激活TGFβ通路实现的,这个过程导致转录重编程来使癌细胞获得转移侵袭和耐药的特性,促进癌症进展故事讲到这里就基本完整和结束了,大家有没有觉得还有什么没有做? 4. Methylmalonic acid delivery is regulated by lipidic structures (LSs) in the sera of old donors 从作者前面的研究,我们知道无论是年轻人还是老年人的血清中,MMA的含量都是μm级别的,最高也仅仅不到100μM, 而作者体外使用MMA处理细胞却要MMA浓度在1 mM以上需要在体外诱导癌细胞的侵袭性特征,而老年供体血清中测量的MMA浓度远低于此,所以这个浓度是否合理,是否具有临床参考意义?如何验证? 作者在用老年人血清或5mm MMA处理后的4小时内,细胞内MMA浓度明显不同。 而5 mM MMA在48小时后产生的细胞内浓度与用老年人血清处理4小时后观察到的浓度相似。此外,一个细胞通透性更好的MMA(甲酯MMA)可以在低浓度,约10-50 μM的诱导促转移效应。 于是作者怀疑是否是血清当中的某些蛋白或者脂质大分子导致血清中的MMA更容易进入细胞内?于是作者就将血清样本中3KDa大分子物质和脂质物质以后培养细胞,发现之前老年人血清的促转移表型消失。说明确实是血清中的脂质分子包裹使MMA更容易进入胞内。 同时作者也将血清中分离出的脂质结构物质和人工合成的脂质结构物质与MMA混合,发现在低浓度的时候就可以诱导出与老年人血清直接处理细胞的相似的表型。 为了更进一步验证这个假设,作者将老年人和年轻人的血清中的脂质成分,以及年轻人的脂质成分结合MMA来处理细胞,发现老年人的脂质结构以及年轻人的脂质结构和MMA形成复合物处理的表现出明显的促转移表型。 以上的实验更严谨的将这个有趣的故事画上了句号,老年人血清当中积累的MMA,通过和血清当中的脂粒结合进入胞内,使胞内MMA水平显著上升,并通过激活TGF-β2受体,激活该通路导致转录因子SOX4表达上调,使下游分子转录重编程,进而重塑肿瘤微环境,促进癌症的进程。 以上就是本研究的主要内容,John blenis教授实验室目前正在研究为什么老年人体内MMA会持续上升和积累,以及有无相关药物可以降低或者抑制MMA 的生成,进而实现预防和治疗癌症。
|