單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白 （MCT） 是蛋白質(zhì)溶質(zhì)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(diào)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(xiàn)，MCT2活性增加可能對疾病的臨床病程產(chǎn)生有利影響，但MCT2在體內(nèi)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(zhuǎn)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(xiàn)為新的腫瘤免疫療法提供了理論基礎。
 

 研究材料

左側(cè)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(xiàn)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(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)絡構(gòu)建肌醇磷酸代謝和色氨酸代謝高度相關的基因。
 

 研究結(jié)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(xiàn)出腫瘤重量增強，線粒體基質(zhì)增多、線粒體腫脹、嵴破裂等線粒體變化。以上現(xiàn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)絡構(gòu)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(xiàn)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�；�向線粒體的轉(zhuǎn)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(gòu)建了PPI調(diào)控網(wǎng)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(diào)控網(wǎng)絡分析

 

小結(jié)

本研究采用轉(zhuǎn)錄組學+代謝組學+16S的多組學聯(lián)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(diào)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(zhì)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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