Cell Metab | 乳酸通过表观遗传机制调控癌细胞命运与可塑性

摘要：正常上皮组织的稳态维持依赖于干细胞的自我更新，而以Wnt信号为代表的信号通路的异常激活可导致细胞过度增殖并最终引发肿瘤。在结直肠癌中，肿瘤组织仍部分保持其起源组织的层级结构，包括癌干细胞(CSC) 和癌分化细胞(CDC) ，其中CSC 具有更高的Wnt活性和增

撰文 | 阿童木

正常上皮组织的稳态维持依赖于干细胞的自我更新，而以Wnt信号为代表的信号通路的异常激活可导致细胞过度增殖并最终引发肿瘤。在结直肠癌中，肿瘤组织仍部分保持其起源组织的层级结构，包括癌干细胞(CSC) 和癌分化细胞(CDC) ，其中CSC 具有更高的Wnt活性和增殖能力，并能分化产生CDC，而CDC在肿瘤中的广泛存在提示其在癌症进展中的潜在关键作用【1】。相比于CSC在肿瘤发生中的明确作用，CDC的功能尚待进一步研究。

细胞多样性是肿瘤生长和转移的核心，而近年来发现的CDC向 CSC 的去分化现象进一步表明，细胞可塑性对维持肿瘤活力至关重要【2】。在体内及类器官模型中，CSC和CDC之间的层级关系及细胞可塑性均得到验证，表明肿瘤细胞能够自主协调这些过程，但相关的调控机制仍不清楚【3】。此外，越来越多的证据表明代谢重构在干细胞分化中起关键作用，尤其是肠道细胞间的乳酸交换现象已有研究证实【4】。不同的肠道细胞类型表现出不同的代谢表型，但在肿瘤环境中是否存在类似的代谢分化及其对细胞命运的影响仍待探索。

近日，乌得勒支大学医学中心Maria J. Rodríguez Colman实验室等合作在Cell Metabolism杂志发表了题为Lactate controls cancer stemness and plasticity through epigenetic regulation的研究文章，揭示了乳酸通过表观遗传调控 MYC 表达，促进癌干细胞（CSC）维持和癌分化细胞（CDC）去分化，从而增强肿瘤可塑性和进展。研究发现CSCs摄取乳酸，而CDCs主要产生乳酸，并且乳酸通过BRD4介导的组蛋白乙酰化调节 MYC癌基因的活性。抑制BRD4阻断了乳酸驱动的CSC扩增，表明靶向乳酸代谢或BRD4可能成为潜在的抗癌策略。

通过分析结肠干细胞和分化细胞，以及肿瘤细胞的代谢差异，作者发现CDCs的单羧酸转运蛋白4 (MCT4) 的表达水平高于CSCs，表明 CDCs 糖酵解活性更强。单细胞测序显示，肿瘤细胞存在与肠道类似的不同细胞类型，且分化细胞样细胞KRT20和MCT4表达较高，而干细胞样细胞中ASCL2 和KI67表达较高。代谢特征分析显示，CDCs 以糖酵解为主，而 CSCs 线粒体代谢（OXPHOS）更为活跃。利用类器官模型，作者发现 CSCs 的 NAD+/NADH 比率高于 CDCs，而 CDCs 乳酸水平更高。抑制 MCT 转运蛋白可导致 CDCs 内乳酸积累，进一步支持 CDCs 糖酵解速率更高的结论。然而，两组细胞葡萄糖摄取量无明显差异，提示 CSCs 可能将糖酵解中间体用于其他代谢途径。此外，线粒体活性对 CSCs 的 NAD+/NADH比率贡献更大。CSCs乳酸摄取能力比CDCs要高，且与基础乳酸水平呈负相关，表明CSCs乳酸摄取受细胞膜两侧的代谢物梯度驱动。总之，作者发现肿瘤细胞存在代谢异质性，CDCs糖酵解活跃并产生更多乳酸，而CSCs线粒体代谢活跃并摄取更多乳酸，且CDCs和CSCs存在潜在的代谢互作。

Warburg 效应导致肿瘤细胞主要依赖糖酵解代谢，从而使肿瘤微环境表现出低葡萄糖和高乳酸水平。继续探讨乳酸对肿瘤发展的影响后，作者发现高乳酸水平（模拟肿瘤微环境）能够显著增加 CSC 数量，抑制细胞分化，并诱导CDC向CSC转化。4D成像分析表明，乳酸通过延长细胞周期，并影响对称/不对称分裂模式，从而促进CDC逆分化。值得注意的是，乳酸并未直接促进细胞增殖，而是通过扩展增殖性CSC 群体，从而抵消细胞周期延长对肿瘤生长的影响。总之，研究表明，乳酸通过抑制分化和诱导去分化增加CSCs数量，揭示了 Warburg 效应中高乳酸水平在肿瘤发展中调控机制。

接下来作者从不同角度探究了乳酸诱导肿瘤细胞干性的调控机制，发现乳酸能够驱动代谢重塑，诱导线粒体呼吸、提高TCA循环中间体、丙酮酸和乙酰CoA等的丰度，促进了干细胞标志物表达并增加了CSC数量。有趣的是，乳酸还能通过表观遗传方式调控MYC癌基因的表达。乳酸及其代谢中间体（丙酮酸、乙酰 CoA）能够显著促进组蛋白乙酰化，尤其是在 MYC、JUN 等基因启动子区域，进而提高了染色质开放性。抑制BRD4 （一种调控MYC转录的关键因子）可阻滞乳酸诱导的CSC增加，抑制 MYC 也能部分逆转去分化和细胞命运不对称性。这表明，乳酸通过 BRD4 依赖的 MYC 调控轴维持 CSC 干性，并提高了 CDC 的可塑性。

此外，基于公共RNA数据集分析，作者发现肿瘤中的MYC表达与糖酵解和线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）呈正相关，而在单细胞水平，MYC主要与增殖和线粒体代谢相关，而非糖酵解。另一方面，糖酵解活跃的CDCs和其他非上皮糖酵解活跃细胞可能产生高乳酸环境，诱导“MYC-on”程序，促进氧化增殖性CSCs的发生。抑制BRD4可阻滞乳酸驱动的去分化，并逆转乳酸诱导的不对称细胞分裂和细胞周期的延长。这进一步支持了CSC 主要依赖氧化代谢，而 CDC 作为糖酵解活跃细胞可提供高乳酸微环境，以支持MYC依赖的CSC增殖。

综上所述，本研究利用人源肿瘤类器官和机器学习追踪技术，揭示了乳酸作为代谢信号，驱动了CSC的干性维持及CDC的逆分化。此外，乳酸通过诱导组蛋白乙酰化，激活BRD4-MYC轴，从而维持 CSC 干性并增强肿瘤细胞的可塑性。由于BRD4是乳酸调控MYC的关键节点，未来研发靶向BRD4的小分子抑制剂，有望成为控制CSC干性、抑制肿瘤复发的潜在治疗手段。

制版人：十一

参考文献

1. Alzahrani, S.M., et al. (2021). General insight into cancer: an overview of colorectal cancer (Review).Mol. Clin. Oncol.15, 271.

2. Heinz, M.C., et al. (2022). Liver colonization by colorectal cancer metastases requires YAP-controlled plasticity at the micro-metastatic Stage.Cancer Res.82, 1953–1968.

3. Punt, C.J.A., et al. (2017). From tumour heterogeneity to advances in precision treatment of colorectal cancer.Nat. Rev. Clin. Oncol.14, 235–246.

4. Rodriguez-Colman, M.J., et al. (2017). Interplay between metabolic identities in the intestinal crypt supports stem cell function.Nature543, 424–427.

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