腫瘤轉(zhuǎn)移是指癌細(xì)胞從原發(fā)部位通過(guò)不同途徑轉(zhuǎn)移到身體其它組織器官，并形成新的病灶的過(guò)程。腫瘤轉(zhuǎn)移是大多數(shù)癌癥相關(guān)死亡的主要原因。在卵巢癌病例中，循環(huán)癌細(xì)胞首先從血流、淋巴血管或腹膜液中的流體環(huán)境中滲出，到達(dá)遠(yuǎn)端器官。由于高機(jī)械應(yīng)力等原因，轉(zhuǎn)移性外滲是一個(gè)低效的過(guò)程，只有一小部分癌細(xì)胞成功侵入目標(biāo)組織實(shí)質(zhì)。然而，作為細(xì)胞最基本的、組成成分的脂質(zhì)在支持癌細(xì)胞外滲的特性仍然知之甚少。

2024年11月，西湖大學(xué)鄒貽龍、王曦團(tuán)隊(duì)合作，在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Cell 上發(fā)表了題為：ACSL4 and polyunsaturated lipids support metastatic extravasation and colonization 的研究論文。該研究揭示了多種癌癥的轉(zhuǎn)移潛能和鐵死亡易感性之間的相關(guān)性，轉(zhuǎn)移的癌細(xì)胞具有更高的鐵死亡敏感性和多不飽和脂肪酸脂質(zhì)（PUFA-Lipid）含量。長(zhǎng)鏈酯酰輔酶A合成酶(long-chain acyl-CoA synthetase, ACSLs)屬于多基因家族編碼的酶，是機(jī)體內(nèi)脂肪代謝的關(guān)鍵酶，主要催化12~20個(gè)碳鏈長(zhǎng)度的脂肪酸,三磷酸腺苷和輔酶A形成長(zhǎng)鏈�；�輔酶A。ACSL4是ACSL家族中的一員,參與對(duì)花生四烯酸和二十碳五烯酸的調(diào)控。本研究發(fā)現(xiàn)ACSL4通過(guò)增強(qiáng)膜流動(dòng)性和細(xì)胞侵襲性促進(jìn)轉(zhuǎn)移性外滲，還通過(guò)促進(jìn)多不飽和脂肪酸（PUFA）向�；�輔酶A（acyl-CoA）的酯化發(fā)揮促進(jìn)鐵死亡的作用。該研究還發(fā)現(xiàn)，多不飽和脂肪酸脂質(zhì)在促轉(zhuǎn)移的同時(shí)，依賴ECH1等限速酶，共抑制ACSL4和ECH1，可有效抑制腫瘤轉(zhuǎn)移。這項(xiàng)研究不僅揭示了癌癥轉(zhuǎn)移的新機(jī)制，還為開(kāi)發(fā)靶向腫瘤轉(zhuǎn)移的新型藥物奠定了基礎(chǔ)。

技術(shù)路線圖

1. 腫瘤轉(zhuǎn)移潛能與鐵死亡敏感性之間的相關(guān)性

利用 MetMap 數(shù)據(jù)庫(kù)和 CTRP 數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)評(píng)估癌細(xì)胞系的轉(zhuǎn)移潛能及其對(duì)鐵死亡誘導(dǎo)劑的敏感性之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有高轉(zhuǎn)移潛能的卵巢癌、肝癌和頭頸癌細(xì)胞系對(duì)鐵死亡誘導(dǎo)劑更敏感。進(jìn)一步利用臨床樣本分離原代癌細(xì)胞，通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)來(lái)自腹水或網(wǎng)膜的腫瘤細(xì)胞比原發(fā)腫瘤細(xì)胞對(duì)鐵死亡更敏感。隨后采用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜 (LC-MS/MS) 技術(shù)分析了卵巢癌細(xì)胞中的脂質(zhì)成分，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移性腫瘤細(xì)胞中多不飽和脂肪酸（PUFA）顯著增加，表明脂質(zhì)代謝在腫瘤轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用。

圖1. 腫瘤轉(zhuǎn)移潛能與鐵死亡敏感性之間的相關(guān)性

2. 卵巢癌轉(zhuǎn)移模型構(gòu)建

從MetMap數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出了具有高轉(zhuǎn)移潛能和高鐵死亡敏感性的卵巢癌細(xì)胞系ES-2來(lái)構(gòu)建模型，進(jìn)一步通過(guò)重復(fù)體內(nèi)篩選，從肝臟和肺組織中分離出具有高轉(zhuǎn)移能力的ES-2細(xì)胞克隆，命名為ES-2-MC1-Hep和ES-2-MC1-Lung。鐵死亡誘導(dǎo)劑處理之后發(fā)現(xiàn)，兩種細(xì)胞對(duì)誘導(dǎo)劑的敏感性更高。脂質(zhì)組學(xué)的研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，ES-2-MC1-Lung細(xì)胞中PUFA含量升高，尤其是含有C20:4和C22:6側(cè)鏈的磷脂酰乙醇胺(PEs)。

3. 構(gòu)建體內(nèi)基因篩選模型

通過(guò)兩輪體內(nèi)篩選，從小鼠肝臟中篩選出具有高轉(zhuǎn)移效率的ES-2-MC2-Hep細(xì)胞。利用靶向288個(gè)磷酸酶的CRISPR sgRNA文庫(kù)進(jìn)行了遺傳篩選，成功地識(shí)別了多個(gè)候選的肺臟轉(zhuǎn)移抑制基因(PTPRG和PTPN3)和促進(jìn)基因(PPA1和PPP2R1A)。

圖2. 構(gòu)建卵巢癌高效轉(zhuǎn)移模型

4. NMNAT1和ACSL4是調(diào)控卵巢癌轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵基因

通過(guò)體內(nèi)CRISPR篩選，發(fā)現(xiàn)NMNAT1、HADHB、PTPRG和ATP6V1H與肝臟和肺轉(zhuǎn)移相關(guān)。其中NMNAT1介導(dǎo)NAD生物合成并參與各種原發(fā)癌癥的進(jìn)展，敲除NMNAT1可以抑制卵巢癌肝臟和肺轉(zhuǎn)移。隨后又利用CRISPR-Cas9技術(shù)敲除和回補(bǔ)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ACSL4參與脂肪酸代謝，敲除 ACSL4 可以抑制卵巢癌肺轉(zhuǎn)移。

圖3. NMNAT1和ACSL4是調(diào)控卵巢癌轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵基因

5. ACSL4促進(jìn)癌細(xì)胞外滲

免疫熒光分析顯示，靜脈內(nèi)植入ES-2-MC2-HEP-sgACSL4細(xì)胞形成的轉(zhuǎn)移灶更少、更小。為了進(jìn)一步闡明ACSL4的外滲作用，使用ACSL4藥理學(xué)抑制劑PRGL493對(duì)癌細(xì)胞進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)荷瘤小鼠進(jìn)行持續(xù)治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PRGL493治療可減輕肺實(shí)質(zhì)灌注后的癌細(xì)胞負(fù)荷，說(shuō)明ACSL4在癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移中的外溢出中起重要作用。接下來(lái)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)敲除ACSL4可以降低細(xì)胞膜的流動(dòng)性和細(xì)胞的侵襲能力。通過(guò)ARA（花生四烯酸）預(yù)處理，提高了ES-2-GFP-Luc親代細(xì)胞的PUFA脂質(zhì)含量，增加了靜脈植入后小鼠的腫瘤轉(zhuǎn)移外滲率。表明ACSL4和PUFA可能通過(guò)增強(qiáng)轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞的膜流動(dòng)性和侵襲性促進(jìn)轉(zhuǎn)移性外滲。

圖4. ACSL4促進(jìn)癌細(xì)胞外滲

6. ACSL4的促轉(zhuǎn)移作用不僅僅局限于卵巢癌

除了卵巢癌細(xì)胞系 ES-2-MC2-Hep外，使用了肝癌細(xì)胞系SK-HEP-1和乳腺癌細(xì)胞系4T1也進(jìn)行了體內(nèi)CRISPR篩選，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ACSL4是促進(jìn)肺轉(zhuǎn)移的最重要靶點(diǎn)基因之一，且敲除ACSL4可以抑制SK-HEP-1細(xì)胞的肺轉(zhuǎn)移。通過(guò)ARA提高細(xì)胞中的多不飽和脂肪酸水平可以促進(jìn)SK-HEP-1和4T1細(xì)胞的肺轉(zhuǎn)移。說(shuō)明ACSL4在其他癌癥轉(zhuǎn)移過(guò)程中或具有功能普適性。

圖5. ACSL4的促轉(zhuǎn)移作用不僅僅局限于卵巢癌

7. 富含不飽和脂質(zhì)的癌細(xì)胞依靠ECI1/ECH1在體內(nèi)生長(zhǎng)

通過(guò)體內(nèi)CRISPR篩選，篩選出6個(gè)在皮下腫瘤、肝轉(zhuǎn)移瘤和肺轉(zhuǎn)移瘤中都顯著減少的sgRNA，它們靶向的基因包括MDH1、ABHD6、ECH1、ECI1、ATP5E和B3GNT4。進(jìn)一步敲除ABHD6、ECI1、ECH1或MDH1可以抑制卵巢癌細(xì)胞系ES-2-MC2-Hep和腎癌細(xì)胞系769-P的皮下腫瘤生長(zhǎng)。為了評(píng)估ECI1和ECH1這兩種在UFAs（不飽和脂肪酸）預(yù)降解過(guò)程中所特有的酶是否確實(shí)是脂肪酸β氧化所必需的，進(jìn)行了Seahorse分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)敲除ECI1或ECH1可以抑制ES-2-MC2-Hep細(xì)胞對(duì)ARA的呼吸利用。利用公共數(shù)據(jù)TCGA數(shù)據(jù)集發(fā)現(xiàn)，ABHD6、ECI1、ECH1和MDH1 mRNA的高表達(dá)水平與卵巢癌患者的預(yù)后不良相關(guān)，這表明UFA  β-氧化途徑的促腫瘤作用可能與人類(lèi)癌癥有關(guān)。

圖6. 富含不飽和脂質(zhì)的癌細(xì)胞依靠ECI1/ECH1在體內(nèi)生長(zhǎng)

8. 雙重抑制ACSL4和ECH1抑制腫瘤轉(zhuǎn)移

利用CRISPR-Cas9技術(shù)敲除ACSL4和ECH1基因，構(gòu)建雙敲除 (DKO) ES-2-MC2-Hep細(xì)胞系，發(fā)現(xiàn)靜脈植入DKO細(xì)胞與ACSL4或ECH1單缺失的細(xì)胞相比，在注射后21天的肺轉(zhuǎn)移負(fù)荷更低。并且在敲除ACSL4的ES-2-MC2-Hep細(xì)胞中ECH1蛋白升高。在黑色素瘤細(xì)胞B16-F10細(xì)胞中，ACSL4/ECH1的DKO可以抑制肺轉(zhuǎn)移，表明聯(lián)合靶向UFA的酯化和β-氧化可能是治療轉(zhuǎn)移性腫瘤的有效策略。

圖7. 雙重抑制ACSL4和ECH1抑制腫瘤轉(zhuǎn)移

小結(jié)

控制轉(zhuǎn)移是癌癥治療中一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)，本研究揭示了癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移潛力與鐵死亡敏感性之間的相關(guān)性，通過(guò)在小鼠模型中進(jìn)行的代謝聚焦CRISPR篩選，發(fā)現(xiàn)ACSL4是促進(jìn)血液轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵因素，其通過(guò)增強(qiáng)膜流動(dòng)性和細(xì)胞侵襲性來(lái)促進(jìn)癌細(xì)胞的外滲。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，富含PUFA的癌細(xì)胞在體內(nèi)生長(zhǎng)時(shí)依賴于ECI1/ECH1進(jìn)行β-氧化。這些發(fā)現(xiàn)為未來(lái)的治療干預(yù)提供了新的靶點(diǎn)，有望改善轉(zhuǎn)移性癌癥患者的預(yù)后。

參考文獻(xiàn)

ACSL4 and polyunsaturated lipids support metastatic extravasation and colonization. Cell. 2024.

請(qǐng)掃描二維碼閱讀原文

繪譜幫你測(cè)

脂代謝在各種疾病，尤其是惡性腫瘤、肥胖、糖尿病、慢性腎臟疾病、神經(jīng)退行性疾病和肝病的代謝功能障礙中發(fā)揮重要作用。麥特繪譜靶向脂質(zhì)組學(xué)方法已協(xié)助客戶發(fā)表幾十篇脂質(zhì)組高分文章，涵蓋各類(lèi)疾病結(jié)直腸癌卵巢癌/鐵死亡、NAFLD、急性肝損傷、秀麗線蟲(chóng)脂滴增長(zhǎng)、秀麗線蟲(chóng)脂滴融合、三陰性乳腺癌/鐵死亡、脂質(zhì)代謝與皮膚屏障等領(lǐng)域，包含Science Advances, Advances Science, Theranostics, Journal of Hematology & Oncology, Journal of Biological Chemistry, cell biol toxicolL, cell mol gastroenter, Communications biology等高影響力期刊。近期麥特繪譜脂質(zhì)組學(xué)系列產(chǎn)品三箭齊發(fā)迎來(lái)超強(qiáng)升級(jí)，品質(zhì)更優(yōu)，功能更強(qiáng)，可以針對(duì)客戶關(guān)注的神經(jīng)酰胺亞類(lèi)、鞘氨醇類(lèi)等，支持?jǐn)U容的個(gè)性化定制需求！

麥特繪譜開(kāi)創(chuàng)性地搭建了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域高端代謝組學(xué)技術(shù)平臺(tái)，覆蓋了非靶向-全定量-代謝流等全方位的高端醫(yī)學(xué)代謝組解決方案，同時(shí)全面布局微生物組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等多組學(xué)技術(shù)服務(wù)，已成為全球多組學(xué)研究者的優(yōu)選合作伙伴。麥特繪譜擁有Q1000，Q500、Q300、Q200和膽汁酸、短鏈脂肪酸、色氨酸及吲哚衍生物、多胺和TMAO類(lèi)等各類(lèi)小分子代謝物、非靶向代謝組學(xué)和同位素示蹤代謝流技術(shù)等共40+系列檢測(cè)方法；已為數(shù)百家三甲醫(yī)院、科研院所和企業(yè)提供多組學(xué)解決方案，協(xié)助客戶與合作伙伴發(fā)表SCI文章400+篇，累計(jì)影響因子4000+，平均IF>10，包括Cell, Nature, Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Hepatology, Microbiome等權(quán)威期刊。