脂肪酸攝取和代謝改變是腫瘤轉(zhuǎn)移的重要特征之一，然而，其潛內(nèi)在生物學(xué)證據(jù)，以及所有飲食來源脂肪酸能否促進(jìn)腫瘤轉(zhuǎn)移仍缺乏相關(guān)證據(jù)。本研究發(fā)現(xiàn)飲食來源棕櫚酸（不是油酸或亞油酸）能有效促進(jìn)小鼠口腔癌和黑素瘤轉(zhuǎn)移。同時(shí)，短期喂養(yǎng)富含棕櫚油食物的老鼠體內(nèi)腫瘤或在體外短暫暴露于富含棕櫚酸環(huán)境中的腫瘤細(xì)胞，即使連續(xù)移植后仍保持高效轉(zhuǎn)移特性。西班牙巴塞羅那科學(xué)技術(shù)研究院的Salvador Aznar Benitah、Gloria Pascual團(tuán)隊(duì)和美國(guó)西北大學(xué)的Ali Shilatifard團(tuán)隊(duì)合作，揭示了飲食代謝物（棕櫚酸）通過誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄過程和染色質(zhì)變化，導(dǎo)致持續(xù)刺激和腫瘤轉(zhuǎn)移。該成果發(fā)表于《Nature》。
01 OSCC細(xì)胞轉(zhuǎn)移特性受棕櫚酸水平調(diào)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(xì)胞癌(OSCC)細(xì)胞共培養(yǎng)4天（棕櫚酸300uM，在人血液生理濃度范圍內(nèi)；油酸和亞油酸均為50uM，以避免脂毒性），然后將這些細(xì)胞原位接種到小鼠體內(nèi)。三種脂肪酸對(duì)腫瘤產(chǎn)生并無顯著影響，但PA卻能夠有效增加腫瘤轉(zhuǎn)移灶的外顯率和大小，并誘導(dǎo)CD36表達(dá)，而OA或LA則沒有顯著影響作用。PA的促轉(zhuǎn)移作用是否需要持續(xù)高水平脂肪酸刺激？采用PA刺激OSCC細(xì)胞4天，將PA從細(xì)胞培養(yǎng)基去除，在標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基中再培養(yǎng)14天，然后將其原位接種到小鼠體內(nèi)。與對(duì)照組相比，經(jīng)過棕櫚酸刺激后仍具有強(qiáng)大的促轉(zhuǎn)移能力，而當(dāng)棕櫚酸結(jié)束刺激14天后，CD36膜表達(dá)量才恢復(fù)到最初水平。同時(shí)，油酸自身有益作用并不能消除棕櫚酸的促轉(zhuǎn)移能力。即使是較低水平棕櫚酸（50 μM）也能刺激細(xì)胞產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(shí)間暴露于高濃度棕櫚酸（而不是普通膳食中的含量）能誘導(dǎo)OSCC細(xì)胞產(chǎn)生“轉(zhuǎn)移記憶”。
飲食來源棕櫚酸是否也具有促腫瘤轉(zhuǎn)移能力？研究者將原發(fā)OSCC細(xì)胞移植到小鼠體內(nèi)，然后分別喂棕櫚油、橄欖油和標(biāo)準(zhǔn)飲食10天，之后換成標(biāo)準(zhǔn)飲食。小鼠死后將癌細(xì)胞純化進(jìn)行二次移植并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)飲食，結(jié)果顯示只有棕櫚油喂養(yǎng)小鼠的癌細(xì)胞仍具有強(qiáng)大轉(zhuǎn)移能力，而橄欖油或標(biāo)準(zhǔn)飲食無明顯轉(zhuǎn)移。黑色素瘤細(xì)胞亦是如此。如果敲除CD36或者中和CD36則會(huì)抑制腫瘤轉(zhuǎn)移。
圖1. OSCC細(xì)胞的轉(zhuǎn)移特性受棕櫚酸水平的調(diào)控
02 棕櫚酸誘導(dǎo)OSCC細(xì)胞中H3K4me3染色質(zhì)發(fā)生持續(xù)變化
腫瘤細(xì)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(xì)胞4天，之后撤除棕櫚酸培養(yǎng)14天，進(jìn)行染色質(zhì)免疫沉淀和測(cè)序(ChIP-seq)分析，其中包括啟動(dòng)子(組蛋白H3K4me3)、增強(qiáng)子(組蛋白H3K4me1)、活性轉(zhuǎn)錄(H3K27ac)、多梳介導(dǎo)的抑制(組蛋白H3K27me3)和非多梳抑制(H3K9me3)。如圖2所示，研究者發(fā)現(xiàn)無論是PA還是OA處理后，特定基因啟動(dòng)子H3K4me3都有穩(wěn)定變化，但與OA相比，PA干預(yù)下受影響的基因數(shù)量顯著增加。重要的是，H3K4me3標(biāo)記的基因在體外使用PA干預(yù)或體內(nèi)使用棕櫚油干預(yù)后的變化規(guī)律均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這也說明在生理層面體內(nèi)外研究的相關(guān)性。通過ChIP-seq分析，未觀察到棕櫚酸誘導(dǎo)的H3K4me1和H3K27ac持續(xù)變化，而通過precision run-on sequencing (PRO-seq)分析，也沒有觀察到增強(qiáng)子中H3K4me1和H3K27ac的初始轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象。這些結(jié)果表明，雖然PA引起不同的染色質(zhì)標(biāo)記變化，但這些變化主要是通過具有新標(biāo)記的H3K4me3啟動(dòng)子基因和丟失H3K9me3抑制性標(biāo)記的特定區(qū)域基因而得以穩(wěn)定維持。
圖2. 棕櫚酸誘導(dǎo)OSCC細(xì)胞中H3K4me3染色質(zhì)發(fā)生持續(xù)變化
03 EGR2和甘丙肽調(diào)節(jié)棕櫚油飲食誘導(dǎo)的腫瘤轉(zhuǎn)移效應(yīng)
GO分析發(fā)現(xiàn)棕櫚酸誘導(dǎo)的H3K4me3持續(xù)變化與神經(jīng)產(chǎn)生和重塑相關(guān)功能有關(guān)。油酸干預(yù)下，相同神經(jīng)類別相關(guān)的基因中H3K4me3水平下調(diào)。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(jīng)周圍侵襲和腫瘤神經(jīng)支配是預(yù)后不良的最佳預(yù)測(cè)因子。然而，神經(jīng)周圍侵襲和腫瘤神經(jīng)支配對(duì)腫瘤侵襲性影響機(jī)制仍不清楚。如圖3所示，這些神經(jīng)細(xì)胞含有棕櫚油源而非橄欖油源的腫瘤體內(nèi)轉(zhuǎn)移效應(yīng)。這些神經(jīng)在轉(zhuǎn)錄層面具有功能上的相關(guān)性。在體內(nèi)棕櫚油飲食相關(guān)和神經(jīng)相關(guān)的OSCC細(xì)胞中，啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合分析顯示EGR2結(jié)合位點(diǎn)處于強(qiáng)烈富集狀態(tài)。作者在上述一系列腫瘤模型中也都觀察到棕櫚酸誘導(dǎo)的體內(nèi)神經(jīng)信號(hào)改變，EGR2消耗能夠有效阻止腫瘤細(xì)胞獲得穩(wěn)定的神經(jīng)信號(hào)傳遞效果并顯著降低棕櫚油飲食建立的OSCC體內(nèi)轉(zhuǎn)移能力。H3K4me3與甲基轉(zhuǎn)移酶MLL/COMPASS家族有關(guān)，包括MLL1, MLL2, Set1A和Set1B。在敲除Set1B后，棕櫚酸導(dǎo)致的癌細(xì)胞“轉(zhuǎn)移記憶”被抑制。
圖3. EGR2和甘丙肽調(diào)節(jié)棕櫚油飲食誘導(dǎo)的腫瘤轉(zhuǎn)移效應(yīng)
04 棕櫚酸誘導(dǎo)產(chǎn)生轉(zhuǎn)移能力的腫瘤細(xì)胞呈現(xiàn)特定細(xì)胞外基質(zhì)成分
腫瘤維持 “轉(zhuǎn)移記憶”的主要神經(jīng)特征是否影響腫瘤間質(zhì)組成和功能，特別是神經(jīng)成分相關(guān)？
施萬細(xì)胞又稱神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，可以分泌細(xì)胞外基質(zhì)蛋白，進(jìn)而形成神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（perineuronal net）。當(dāng)研究者破壞了施萬細(xì)胞外基質(zhì)成分，PA誘導(dǎo)的增強(qiáng)轉(zhuǎn)移能力的現(xiàn)象就消失了，也驗(yàn)證了研究者們的猜想。
通過對(duì)純化后腫瘤基質(zhì)的細(xì)胞成分進(jìn)行特異性表征。在紅細(xì)胞、血管細(xì)胞、淋巴內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和腫瘤相關(guān)的施萬細(xì)胞（Schwann cells，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞）這五種細(xì)胞類型中，與腫瘤相關(guān)的施萬細(xì)胞和淋巴內(nèi)皮細(xì)胞在棕櫚酸誘導(dǎo)下以CD36水平依賴方式呈現(xiàn)出最顯著基因表達(dá)變化(如圖4所示)。研究表明，飲食中的棕櫚酸不僅刺激轉(zhuǎn)移行為，而且還通過干預(yù)腫瘤內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)以維持細(xì)胞的持續(xù)轉(zhuǎn)移能力。這種轉(zhuǎn)移能力僅被腫瘤細(xì)胞所保留，而不被腫瘤間基質(zhì)所保留。
施萬細(xì)胞對(duì)周圍神經(jīng)的保護(hù)以及受損后的恢復(fù)至關(guān)重要。盡管刺激施萬細(xì)胞的因素及其促進(jìn)轉(zhuǎn)移的機(jī)制尚不清楚，但腫瘤內(nèi)施萬細(xì)胞的存在卻與許多癌癥的轉(zhuǎn)移特性有關(guān)。研究表明，被飲食中棕櫚酸刺激發(fā)生轉(zhuǎn)移的細(xì)胞激活腫瘤內(nèi)施萬細(xì)胞形成呈現(xiàn)了一種與特殊外基質(zhì)分泌有關(guān)的促再生狀態(tài)，這種狀態(tài)在一定程度上通過與CD36分泌的神經(jīng)肽甘丙肽相互作用而發(fā)生。研究者發(fā)現(xiàn)在不同類型腫瘤中棕櫚酸誘導(dǎo)的CD36轉(zhuǎn)移特征和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)成分的表達(dá)之間存在顯著正相關(guān)。這種轉(zhuǎn)移狀態(tài)一部分是通過轉(zhuǎn)錄因子EGR2所建立，并由CD36下游的甲基轉(zhuǎn)移酶Set1A/COMPASS進(jìn)行穩(wěn)定。因此，目前一種假設(shè)認(rèn)為轉(zhuǎn)移細(xì)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(xì)胞及其相關(guān)的神經(jīng)和膠質(zhì)細(xì)胞相互作用而介導(dǎo)，從而建立了涉及脂肪代謝和信號(hào)傳遞的特定表觀遺傳狀態(tài)，不過這種猜測(cè)需要進(jìn)行大量工作來進(jìn)一步驗(yàn)證。
研究表明，不同腫瘤的轉(zhuǎn)移特性與特定的脂肪酸存在相關(guān)性。在原位腫瘤模型中，OA可抑制口腔癌和黑色素瘤轉(zhuǎn)移擴(kuò)散，但它卻促進(jìn)了宮頸癌和胃癌轉(zhuǎn)移。此外，通過淋巴系統(tǒng)入侵的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤細(xì)胞通過暴露于淋巴結(jié)中的高濃度OA獲得強(qiáng)轉(zhuǎn)移能力。而不同的腫瘤也通過消耗棕櫚酸來促進(jìn)腫瘤自身生長(zhǎng)和發(fā)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(dǎo)轉(zhuǎn)移能力的腫瘤細(xì)胞呈現(xiàn)特定細(xì)胞外基質(zhì)成分
總結(jié)
原發(fā)腫瘤的轉(zhuǎn)移和生長(zhǎng)不僅由基因決定，與一些非遺傳因素（如飲食習(xí)慣）有密切聯(lián)系。本研究中，作者揭示了飲食中棕櫚酸誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄過程和染色質(zhì)變化會(huì)導(dǎo)致持續(xù)的刺激和腫瘤轉(zhuǎn)移，而該轉(zhuǎn)移過程與腫瘤中激活的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞再生狀態(tài)有關(guān)。同時(shí)，作者發(fā)現(xiàn)飲食中所含的棕櫚酸不僅會(huì)刺激腫瘤轉(zhuǎn)移，而且還會(huì)通過一種持續(xù)而穩(wěn)定基因突變使這種轉(zhuǎn)移能力為腫瘤細(xì)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(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
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(xué)華西醫(yī)院助理研究員兼博士后，研究方向?yàn)榇x組學(xué)。
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