脂肪酸攝取和代謝改變是腫瘤轉移的重要特征之一，然而，其潛內在生物學證據，以及所有飲食來源脂肪酸能否促進腫瘤轉移仍缺乏相關證據。本研究發現飲食來源棕櫚酸（不是油酸或亞油酸）能有效促進小鼠口腔癌和黑素瘤轉移。同時，短期喂養富含棕櫚油食物的老鼠體內腫瘤或在體外短暫暴露于富含棕櫚酸環境中的腫瘤細胞，即使連續移植后仍保持高效轉移特性。西班牙巴塞羅那科學技術研究院的Salvador Aznar Benitah、Gloria Pascual團隊和美國西北大學的Ali Shilatifard團隊合作，揭示了飲食代謝物（棕櫚酸）通過誘導轉錄過程和染色質變化，導致持續刺激和腫瘤轉移。該成果發表于《Nature》。
01 OSCC細胞轉移特性受棕櫚酸水平調控
研究人員分別將棕櫚酸（PA）、油酸（OA）或亞油酸（LA）與人口腔鱗狀細胞癌(OSCC)細胞共培養4天（棕櫚酸300uM，在人血液生理濃度范圍內；油酸和亞油酸均為50uM，以避免脂毒性），然后將這些細胞原位接種到小鼠體內。三種脂肪酸對腫瘤產生并無顯著影響，但PA卻能夠有效增加腫瘤轉移灶的外顯率和大小，并誘導CD36表達，而OA或LA則沒有顯著影響作用。PA的促轉移作用是否需要持續高水平脂肪酸刺激？采用PA刺激OSCC細胞4天，將PA從細胞培養基去除，在標準培養基中再培養14天，然后將其原位接種到小鼠體內。與對照組相比，經過棕櫚酸刺激后仍具有強大的促轉移能力，而當棕櫚酸結束刺激14天后，CD36膜表達量才恢復到最初水平。同時，油酸自身有益作用并不能消除棕櫚酸的促轉移能力。即使是較低水平棕櫚酸（50 μM）也能刺激細胞產生轉移能力，而其他飽和脂肪酸（如硬脂酸）則不具備這種能力。因此，短時間暴露于高濃度棕櫚酸（而不是普通膳食中的含量）能誘導OSCC細胞產生“轉移記憶”。
飲食來源棕櫚酸是否也具有促腫瘤轉移能力？研究者將原發OSCC細胞移植到小鼠體內，然后分別喂棕櫚油、橄欖油和標準飲食10天，之后換成標準飲食。小鼠死后將癌細胞純化進行二次移植并進行標準飲食，結果顯示只有棕櫚油喂養小鼠的癌細胞仍具有強大轉移能力，而橄欖油或標準飲食無明顯轉移。黑色素瘤細胞亦是如此。如果敲除CD36或者中和CD36則會抑制腫瘤轉移。
圖1. OSCC細胞的轉移特性受棕櫚酸水平的調控
02 棕櫚酸誘導OSCC細胞中H3K4me3染色質發生持續變化
腫瘤細胞的表觀基因組是否受棕櫚酸含量的影響？研究人員采用棕櫚酸或油酸處理口腔癌細胞4天，之后撤除棕櫚酸培養14天，進行染色質免疫沉淀和測序(ChIP-seq)分析，其中包括啟動子(組蛋白H3K4me3)、增強子(組蛋白H3K4me1)、活性轉錄(H3K27ac)、多梳介導的抑制(組蛋白H3K27me3)和非多梳抑制(H3K9me3)。如圖2所示，研究者發現無論是PA還是OA處理后，特定基因啟動子H3K4me3都有穩定變化，但與OA相比，PA干預下受影響的基因數量顯著增加。重要的是，H3K4me3標記的基因在體外使用PA干預或體內使用棕櫚油干預后的變化規律均具有統計學意義，這也說明在生理層面體內外研究的相關性。通過ChIP-seq分析，未觀察到棕櫚酸誘導的H3K4me1和H3K27ac持續變化，而通過precision run-on sequencing (PRO-seq)分析，也沒有觀察到增強子中H3K4me1和H3K27ac的初始轉錄現象。這些結果表明，雖然PA引起不同的染色質標記變化，但這些變化主要是通過具有新標記的H3K4me3啟動子基因和丟失H3K9me3抑制性標記的特定區域基因而得以穩定維持。
圖2. 棕櫚酸誘導OSCC細胞中H3K4me3染色質發生持續變化
03 EGR2和甘丙肽調節棕櫚油飲食誘導的腫瘤轉移效應
GO分析發現棕櫚酸誘導的H3K4me3持續變化與神經產生和重塑相關功能有關。油酸干預下，相同神經類別相關的基因中H3K4me3水平下調。在口腔癌、前列腺癌、乳腺癌和胰腺癌以及其他類型癌癥中，神經周圍侵襲和腫瘤神經支配是預后不良的最佳預測因子。然而，神經周圍侵襲和腫瘤神經支配對腫瘤侵襲性影響機制仍不清楚。如圖3所示，這些神經細胞含有棕櫚油源而非橄欖油源的腫瘤體內轉移效應。這些神經在轉錄層面具有功能上的相關性。在體內棕櫚油飲食相關和神經相關的OSCC細胞中，啟動子的轉錄因子結合分析顯示EGR2結合位點處于強烈富集狀態。作者在上述一系列腫瘤模型中也都觀察到棕櫚酸誘導的體內神經信號改變，EGR2消耗能夠有效阻止腫瘤細胞獲得穩定的神經信號傳遞效果并顯著降低棕櫚油飲食建立的OSCC體內轉移能力。H3K4me3與甲基轉移酶MLL/COMPASS家族有關，包括MLL1, MLL2, Set1A和Set1B。在敲除Set1B后，棕櫚酸導致的癌細胞“轉移記憶”被抑制。
圖3. EGR2和甘丙肽調節棕櫚油飲食誘導的腫瘤轉移效應
04 棕櫚酸誘導產生轉移能力的腫瘤細胞呈現特定細胞外基質成分
腫瘤維持 “轉移記憶”的主要神經特征是否影響腫瘤間質組成和功能，特別是神經成分相關？
施萬細胞又稱神經膠質細胞，可以分泌細胞外基質蛋白，進而形成神經元網絡（perineuronal net）。當研究者破壞了施萬細胞外基質成分，PA誘導的增強轉移能力的現象就消失了，也驗證了研究者們的猜想。
通過對純化后腫瘤基質的細胞成分進行特異性表征。在紅細胞、血管細胞、淋巴內皮細胞、平滑肌細胞和腫瘤相關的施萬細胞（Schwann cells，神經膠質細胞）這五種細胞類型中，與腫瘤相關的施萬細胞和淋巴內皮細胞在棕櫚酸誘導下以CD36水平依賴方式呈現出最顯著基因表達變化(如圖4所示)。研究表明，飲食中的棕櫚酸不僅刺激轉移行為，而且還通過干預腫瘤內神經細胞的轉錄狀態以維持細胞的持續轉移能力。這種轉移能力僅被腫瘤細胞所保留，而不被腫瘤間基質所保留。
施萬細胞對周圍神經的保護以及受損后的恢復至關重要。盡管刺激施萬細胞的因素及其促進轉移的機制尚不清楚，但腫瘤內施萬細胞的存在卻與許多癌癥的轉移特性有關。研究表明，被飲食中棕櫚酸刺激發生轉移的細胞激活腫瘤內施萬細胞形成呈現了一種與特殊外基質分泌有關的促再生狀態，這種狀態在一定程度上通過與CD36分泌的神經肽甘丙肽相互作用而發生。研究者發現在不同類型腫瘤中棕櫚酸誘導的CD36轉移特征和神經元網絡成分的表達之間存在顯著正相關。這種轉移狀態一部分是通過轉錄因子EGR2所建立，并由CD36下游的甲基轉移酶Set1A/COMPASS進行穩定。因此，目前一種假設認為轉移細胞干擾了CD36天然的脂肪傳感功能，而這種功能通常是由特殊細胞及其相關的神經和膠質細胞相互作用而介導，從而建立了涉及脂肪代謝和信號傳遞的特定表觀遺傳狀態，不過這種猜測需要進行大量工作來進一步驗證。
研究表明，不同腫瘤的轉移特性與特定的脂肪酸存在相關性。在原位腫瘤模型中，OA可抑制口腔癌和黑色素瘤轉移擴散，但它卻促進了宮頸癌和胃癌轉移。此外，通過淋巴系統入侵的轉移性黑色素瘤細胞通過暴露于淋巴結中的高濃度OA獲得強轉移能力。而不同的腫瘤也通過消耗棕櫚酸來促進腫瘤自身生長和發展。然而，拋開脂肪酸種類不談，抑制脂肪酸代謝有望成為臨床腫瘤治療的新手段。
圖4. 具有棕櫚酸誘導轉移能力的腫瘤細胞呈現特定細胞外基質成分
總結
原發腫瘤的轉移和生長不僅由基因決定，與一些非遺傳因素（如飲食習慣）有密切聯系。本研究中，作者揭示了飲食中棕櫚酸誘導的轉錄過程和染色質變化會導致持續的刺激和腫瘤轉移，而該轉移過程與腫瘤中激活的神經膠質細胞再生狀態有關。同時，作者發現飲食中所含的棕櫚酸不僅會刺激腫瘤轉移，而且還會通過一種持續而穩定基因突變使這種轉移能力為腫瘤細胞所保留。不過，不同的腫瘤類型顯示出了不同的脂肪酸類型偏好，因此抑制脂肪酸的代謝有望成為臨床腫瘤治療的新手段，為腫瘤治療提供了新靶點。
參考文獻
Dietary palmitic acid promotes a prometastatic memory via Schwann cells. Nature. 2021.
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特約作者
張定坤，四川大學華西醫院助理研究員兼博士后，研究方向為代謝組學。
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