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Nature | 肿瘤转移的帮凶!--棕榈酸

2022-01-20  MITOMMY
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脂肪酸摄取和代谢改变是肿瘤转移的重要特征之一,然而,其潜内在生物学证据,以及所有饮食来源脂肪酸能否促进肿瘤转移仍缺乏相关证据。本研究发现饮食来源棕榈酸(不是油酸或亚油酸)能有效促进小鼠口腔癌和黑素瘤转移。同时,短期喂养富含棕榈油食物的老鼠体内肿瘤或在体外短暂暴露于富含棕榈酸环境中的肿瘤细胞,即使连续移植后仍保持高效转移特性。西班牙巴塞罗那科学技术研究院的Salvador Aznar Benitah、Gloria Pascual团队和美国西北大学的Ali Shilatifard团队合作,揭示了饮食代谢物(棕榈酸)通过诱导转录过程和染色质变化,导致持续刺激和肿瘤转移。该成果发表于《Nature》。

01 OSCC细胞转移特性受棕榈酸水平调控

研究人员分别将棕榈酸(PA)、油酸(OA)或亚油酸(LA)与人口腔鳞状细胞癌(OSCC)细胞共培养4天(棕榈酸300uM,在人血液生理浓度范围内;油酸和亚油酸均为50uM,以避免脂毒性),然后将这些细胞原位接种到小鼠体内。三种脂肪酸对肿瘤产生并无显著影响,但PA却能够有效增加肿瘤转移灶的外显率和大小,并诱导CD36表达,而OA或LA则没有显著影响作用。PA的促转移作用是否需要持续高水平脂肪酸刺激?采用PA刺激OSCC细胞4天,将PA从细胞培养基去除,在标准培养基中再培养14天,然后将其原位接种到小鼠体内。与对照组相比,经过棕榈酸刺激后仍具有强大的促转移能力,而当棕榈酸结束刺激14天后,CD36膜表达量才恢复到最初水平。同时,油酸自身有益作用并不能消除棕榈酸的促转移能力。即使是较低水平棕榈酸(50 μM)也能刺激细胞产生转移能力,而其他饱和脂肪酸(如硬脂酸)则不具备这种能力。因此,短时间暴露于高浓度棕榈酸(而不是普通膳食中的含量)能诱导OSCC细胞产生“转移记忆”。

饮食来源棕榈酸是否也具有促肿瘤转移能力?研究者将原发OSCC细胞移植到小鼠体内,然后分别喂棕榈油、橄榄油和标准饮食10天,之后换成标准饮食。小鼠死后将癌细胞纯化进行二次移植并进行标准饮食,结果显示只有棕榈油喂养小鼠的癌细胞仍具有强大转移能力,而橄榄油或标准饮食无明显转移。黑色素瘤细胞亦是如此。如果敲除CD36或者中和CD36则会抑制肿瘤转移。

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图1. OSCC细胞的转移特性受棕榈酸水平的调控

02 棕榈酸诱导OSCC细胞中H3K4me3染色质发生持续变化

肿瘤细胞的表观基因组是否受棕榈酸含量的影响?研究人员采用棕榈酸或油酸处理口腔癌细胞4天,之后撤除棕榈酸培养14天,进行染色质免疫沉淀和测序(ChIP-seq)分析,其中包括启动子(组蛋白H3K4me3)、增强子(组蛋白H3K4me1)、活性转录(H3K27ac)、多梳介导的抑制(组蛋白H3K27me3)和非多梳抑制(H3K9me3)。如图2所示,研究者发现无论是PA还是OA处理后,特定基因启动子H3K4me3都有稳定变化,但与OA相比,PA干预下受影响的基因数量显著增加。重要的是,H3K4me3标记的基因在体外使用PA干预或体内使用棕榈油干预后的变化规律均具有统计学意义,这也说明在生理层面体内外研究的相关性。通过ChIP-seq分析,未观察到棕榈酸诱导的H3K4me1和H3K27ac持续变化,而通过precision run-on sequencing (PRO-seq)分析,也没有观察到增强子中H3K4me1和H3K27ac的初始转录现象。这些结果表明,虽然PA引起不同的染色质标记变化,但这些变化主要是通过具有新标记的H3K4me3启动子基因和丢失H3K9me3抑制性标记的特定区域基因而得以稳定维持。

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图2. 棕榈酸诱导OSCC细胞中H3K4me3染色质发生持续变化

03 EGR2和甘丙肽调节棕榈油饮食诱导的肿瘤转移效应

GO分析发现棕榈酸诱导的H3K4me3持续变化与神经产生和重塑相关功能有关。油酸干预下,相同神经类别相关的基因中H3K4me3水平下调。在口腔癌、前列腺癌、乳腺癌和胰腺癌以及其他类型癌症中,神经周围侵袭和肿瘤神经支配是预后不良的最佳预测因子。然而,神经周围侵袭和肿瘤神经支配对肿瘤侵袭性影响机制仍不清楚。如图3所示,这些神经细胞含有棕榈油源而非橄榄油源的肿瘤体内转移效应。这些神经在转录层面具有功能上的相关性。在体内棕榈油饮食相关和神经相关的OSCC细胞中,启动子的转录因子结合分析显示EGR2结合位点处于强烈富集状态。作者在上述一系列肿瘤模型中也都观察到棕榈酸诱导的体内神经信号改变,EGR2消耗能够有效阻止肿瘤细胞获得稳定的神经信号传递效果并显著降低棕榈油饮食建立的OSCC体内转移能力。H3K4me3与甲基转移酶MLL/COMPASS家族有关,包括MLL1, MLL2, Set1A和Set1B。在敲除Set1B后,棕榈酸导致的癌细胞“转移记忆”被抑制。

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图3. EGR2和甘丙肽调节棕榈油饮食诱导的肿瘤转移效应

04 棕榈酸诱导产生转移能力的肿瘤细胞呈现特定细胞外基质成分

肿瘤维持 “转移记忆”的主要神经特征是否影响肿瘤间质组成和功能,特别是神经成分相关?

施万细胞又称神经胶质细胞,可以分泌细胞外基质蛋白,进而形成神经元网络(perineuronal net)。当研究者破坏了施万细胞外基质成分,PA诱导的增强转移能力的现象就消失了,也验证了研究者们的猜想。

通过对纯化后肿瘤基质的细胞成分进行特异性表征。在红细胞、血管细胞、淋巴内皮细胞、平滑肌细胞和肿瘤相关的施万细胞(Schwann cells,神经胶质细胞)这五种细胞类型中,与肿瘤相关的施万细胞和淋巴内皮细胞在棕榈酸诱导下以CD36水平依赖方式呈现出最显著基因表达变化(如图4所示)。研究表明,饮食中的棕榈酸不仅刺激转移行为,而且还通过干预肿瘤内神经细胞的转录状态以维持细胞的持续转移能力。这种转移能力仅被肿瘤细胞所保留,而不被肿瘤间基质所保留。

施万细胞对周围神经的保护以及受损后的恢复至关重要。尽管刺激施万细胞的因素及其促进转移的机制尚不清楚,但肿瘤内施万细胞的存在却与许多癌症的转移特性有关。研究表明,被饮食中棕榈酸刺激发生转移的细胞激活肿瘤内施万细胞形成呈现了一种与特殊外基质分泌有关的促再生状态,这种状态在一定程度上通过与CD36分泌的神经肽甘丙肽相互作用而发生。研究者发现在不同类型肿瘤中棕榈酸诱导的CD36转移特征和神经元网络成分的表达之间存在显著正相关。这种转移状态一部分是通过转录因子EGR2所建立,并由CD36下游的甲基转移酶Set1A/COMPASS进行稳定。因此,目前一种假设认为转移细胞干扰了CD36天然的脂肪传感功能,而这种功能通常是由特殊细胞及其相关的神经和胶质细胞相互作用而介导,从而建立了涉及脂肪代谢和信号传递的特定表观遗传状态,不过这种猜测需要进行大量工作来进一步验证。

研究表明,不同肿瘤的转移特性与特定的脂肪酸存在相关性。在原位肿瘤模型中,OA可抑制口腔癌和黑色素瘤转移扩散,但它却促进了宫颈癌和胃癌转移。此外,通过淋巴系统入侵的转移性黑色素瘤细胞通过暴露于淋巴结中的高浓度OA获得强转移能力。而不同的肿瘤也通过消耗棕榈酸来促进肿瘤自身生长和发展。然而,抛开脂肪酸种类不谈,抑制脂肪酸代谢有望成为临床肿瘤治疗的新手段。

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图4. 具有棕榈酸诱导转移能力的肿瘤细胞呈现特定细胞外基质成分

总结

原发肿瘤的转移和生长不仅由基因决定,与一些非遗传因素(如饮食习惯)有密切联系。本研究中,作者揭示了饮食中棕榈酸诱导的转录过程和染色质变化会导致持续的刺激和肿瘤转移,而该转移过程与肿瘤中激活的神经胶质细胞再生状态有关。同时,作者发现饮食中所含的棕榈酸不仅会刺激肿瘤转移,而且还会通过一种持续而稳定基因突变使这种转移能力为肿瘤细胞所保留。不过,不同的肿瘤类型显示出了不同的脂肪酸类型偏好,因此抑制脂肪酸的代谢有望成为临床肿瘤治疗的新手段,为肿瘤治疗提供了新靶点。

参考文献

Dietary palmitic acid promotes a prometastatic memory via Schwann cells. Nature. 2021.

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