單羧酸轉運蛋白 （MCT） 是蛋白質溶質載體家族 （SLC16） 的成員，由 14 種亞型組成。MCT在許多不同的組織中表達，并參與基本細胞過程的調節(jié)（如糖酵解和脂肪酸穩(wěn)態(tài)），也成為許多不同類型癌癥的生物標志物。在多項腫瘤研究中發(fā)現，MCT2活性增加可能對疾病的臨床病程產生有利影響，但MCT2在體內腫瘤特性及腸道免疫中的作用尚不清楚。

2021年9月，密蘇里大學哥倫比亞分校醫(yī)學院的Khalyfa團隊在International Journal of Molecular Sciences (IF 6.208)雜志上發(fā)表題為“Monocarboxylate Transporter-2 Expression Restricts Tumor Growth in a Murine Model of Lung Cancer: A Multi-Omic Analysis”的研究，通過對MCT2敲除（MCT2 KO）和對照組小鼠注射肺癌TC1細胞，利用16S rDNA測序、非靶代謝和轉錄組測序對小鼠糞便、血清及腫瘤相關巨噬細胞（TAM）進行了檢測，揭示了 MCT2 在宿主對 TC1 肺癌反應中發(fā)揮重要作用，這可能與腸道菌群、全身代謝改變、以及TAM 相關的代謝途徑相關。這些發(fā)現為新的腫瘤免疫療法提供了理論基礎。
 

 研究材料

左側腹注射肺癌TC1細胞的MCT2 KO鼠和對照組CO鼠，n=6

糞便；血漿；腫瘤相關巨噬細胞（TAM）

 

 技術路線

步驟1：腫瘤生長情況及指標統(tǒng)計發(fā)現MCT2 KO小鼠腫瘤生長及侵襲更嚴重；

步驟2：腫瘤相關巨噬細胞（TAM）的轉錄組測序發(fā)現免疫相關的代謝通路發(fā)生顯著變化；

步驟3：糞便微生物群落分析發(fā)現腸道菌群多樣性發(fā)生顯著改變；

步驟4：糞便和血漿的代謝組發(fā)現肌醇磷酸代謝通路發(fā)生顯著變化；

步驟5：代謝途徑歸納及基因網絡構建肌醇磷酸代謝和色氨酸代謝高度相關的基因。
 

 研究結果

1. 腫瘤生長情況及指標統(tǒng)計

作者通過免疫印跡和電子顯微鏡，觀察到MCT2 KO小鼠其MCT2表達量降低，與CO小鼠相比表現出腫瘤重量增強，線粒體基質增多、線粒體腫脹、嵴破裂等線粒體變化。以上現象表明MCT2表達降低促進了腫瘤生長及區(qū)域侵襲性的增加，還可能造成腫瘤細胞通過線粒體氧化磷酸化產生ATP的能力降低。

圖1 MCT2 KO小鼠腫瘤生長及侵襲更嚴重

 

2. 腫瘤相關巨噬細胞（TAM）的轉錄組測序

作者從MCT2 KO 和 CO 小鼠的腫瘤中分離純化巨噬細胞TAM，并進行RNA-seq。差異基因GO、KEGG及GSEA分析結果顯示，乙酰輔酶A代謝，免疫應答激活，B細胞活化和分化，cAMP介導的信號傳導，葡萄糖和谷氨酸代謝，T細胞分化和對氧化應激的響應等生物學通路發(fā)生顯著變化。

圖2 腫瘤相關巨噬細胞（TAM）的差異基因分析及通路匯總

 

3. 糞便微生物群落分析

利用16S rRNA測序的方法分析兩組樣品中的糞便菌群組成。腸道菌群多樣性發(fā)生顯著改變，主要在厚壁菌門 (40%)、擬桿菌門 (14%)、放線菌門 (2%)、變形菌門 (1%)、變形菌門 (1%) 和疣微菌門 (1%)。兩組樣本糞便中的主要細菌類群是厚壁菌門和擬桿菌門，最豐富的科是瘤胃球菌科、毛桿菌科和毛螺菌科。
 

圖3 糞便微生物群落鑒定及差異菌群

 

4. 糞便和血漿的LC-MS代謝組

為了鑒定糞便和血漿代謝組特征，研究者對MCT2 KO和CO樣品進行了非靶向代謝組學檢測。糞便樣本中共檢測到1738種化合物，其中129種代謝物豐度存在顯著差異。血漿樣本中共鑒定了1858種化合物。Two-way ANOVA分析發(fā)現113種共有代謝物與樣本來源（血漿與糞便）和處理方式（MCT2 KO與CO）存在顯著差異。在樣品中的113種代謝物中，我們基于two-way ANOVA分析和箱形圖鑒定了兩種具有顯著受試者相關差異的代謝物（C4H7NO2和C5H11NO2）。
 

圖4 糞便與血漿LC-MS代謝組學分析

 

5. 糞便和血漿的GC-MS代謝組

此外，作者還通過GC-MS分析血漿和糞便樣品的代謝物變化情況。血漿中共檢測到74種極性代謝物，有四種差異表達的代謝物，其中兩種：肌醇參與肌醇磷酸鹽代謝，而D-（+）-葡萄糖參與淀粉和蔗糖代謝。在41種鑒定到的非極性代謝物中，3種代謝物顯著不同，其中一種具有已知的代謝功能（膽固醇）。糞便鑒定出174種極性代謝物和126種非極性代謝物，22種極性代謝物和13種非極性代謝物在KO與CO中表現出統(tǒng)計學意義。分層聚類分析顯示KO和CO小鼠明顯分離。

圖5 血漿與糞便GC-MS代謝組學分析

 

6. 代謝途徑歸納及基因網絡構建

在血漿樣本中找到了兩種代謝途徑，即肌醇磷酸代謝和淀粉-蔗糖代謝；在糞便樣本中發(fā)現了11種代謝途徑，包括谷胱甘肽代謝、核苷酸糖代謝、嘌呤代謝、乙酰基向線粒體的轉移、色氨酸代謝和酪氨酸代謝，以及纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸降解�？傊�，肌醇磷酸代謝是血漿和糞便樣本之間的常見途徑。最后，作者用String軟件構建了PPI調控網絡，篩選到與肌醇磷酸代謝和色氨酸代謝高度相關的基因。

圖6 基因調控網絡分析

 

小結

本研究采用轉錄組學+代謝組學+16S的多組學聯合模式，證明MCT2在宿主對腫瘤的反應中有益，并在腫瘤生長和腫瘤侵襲中通過調節(jié)乳酸或單羧酸鹽濃度來發(fā)揮作用。此外，MCT2表達變化會誘導腸道微生物群改變，從而使糞便和血漿代謝物發(fā)生實質性變化，并在腫瘤生物學和免疫反應中發(fā)揮作用。

 

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