上皮組織靠干細胞自我更新維持功能，干細胞通路突變易致腫瘤。在腸道中，WNT（配體蛋白質Wnt和膜蛋白受體結合激發的一組多下游通道的信號轉導途徑）信號是干細胞狀態的關鍵開關（調節因子），要是這個 “開關” 被瘋狂按下（過度激活），就會推動腫瘤發生。結直腸腫瘤保留部分起源組織結構，存在“領導型的”癌干細胞（CSCs）和“下屬型”癌分化細胞（CDCs）。CSCs具有高WNT活性和強增殖能力，可分化為CDCs。CSCs在腫瘤生長中的作用明確，但CDCs的作用未知，其廣泛存在暗示對結直腸癌（CRC）進展有重要貢獻。CDCs去分化為CSCs的細胞可塑性在CSCs耗盡時被觀察到，可恢復腫瘤生長潛力。這些過程在體內和體外類器官中均存在，由腫瘤細胞協調，但其對治療耐藥性和復發的影響及調控機制尚未明確。此前研究發現腸細胞有獨特代謝表型，乳酸可在細胞間交換，但腫瘤細胞代謝表型及其對細胞命運的影響尚不清楚。
基于此，荷蘭烏得勒支大學醫學中心Maria J. Rodríguez Colman實驗室等在Cell Metabolism發表題為“Lactate controls cancer stemness and plasticity through epigenetic regulation”的研究文章，揭示乳酸依賴表觀遺傳調控因子MYC和BRD4，通過抑制分化和激活CDCs回歸CSC狀態，增加CSCs群體，表明乳酸是維持CSC群體和調控MYC影響腫瘤發展的關鍵因子。
研究思路圖
研究結果
1. CSCs和CDCs顯示出不同的乳酸代謝
先前研究發現,小鼠腸道干細胞和分化細胞存在代謝差異，人類結腸和結腸腫瘤中也存在類似代謝差異，免疫染色顯示分化細胞比干細胞表達更高水平的MCT4，提示其更具糖酵解性。腫瘤細胞中，CDCs的MCT4水平更高，表明腫瘤內細胞代謝存在差異。對60個腫瘤樣本進行單細胞RNA測序，結果發現腫瘤細胞存在干細胞樣、TA樣、腸上皮細胞樣和分泌細胞樣等類型，其中分化腸上皮細胞樣細胞糖酵解評分升高，TA樣細胞線粒體代謝評分最高。類器官模型顯示CSCs的NAD+/NADH比值高于CDCs，CDCs乳酸分泌更多，CSCs乳酸攝取能力更強，提示兩者存在代謝互作。這些結果表明，CSCs和CDCs在代謝上存在差異，CDCs的乳酸產生和CSCs的乳酸攝取可能在腫瘤發展中發揮重要作用。
圖1. CSCs和CDCs顯示出不同的乳酸代謝
2. 乳酸通過抑制分化和誘導去分化來增加CSC
腫瘤微環境的特征包括低葡萄糖和高乳酸，結果1已經表明，CDCs和CSCs通過乳酸相互作用。因此，作者進一步研究乳酸在腫瘤發展中的作用。
研究發現，高水平乳酸和低水平葡萄糖培養細胞，能顯著增加CSC群體，降低分化標志物表達，增加干細胞標志物表達，且在TPO3中更明顯。而單獨降低葡萄糖無法重現該表型；而抑制MCT轉運蛋白導致細胞內乳酸積累，也增加CSC數量，表明細胞外和內源性乳酸均促進CSC特性。
4D成像顯示，對照條件下，類器官中CSC比例隨時間減少；而乳酸條件下，細胞分化減少50%，去分化顯著增加。細胞的周期延長，類器官大小無顯著差異（乳酸增加了增殖性，CSC數量平衡了生長率）。在穩態下，腸道干細胞對稱分裂，乳酸使不對稱細胞命運頻率增至18.3%，主要是姐妹細胞去分化。這些結果表明，乳酸通過抑制分化、誘導CDCs回歸到增殖性CSC狀態來促進CSCs，揭示了乳酸水平升高在腫瘤發展中的重要作用。
圖2. 乳酸通過抑制分化和誘導去分化來增加CSC
3. 乳酸重塑代謝并獨立于線粒體丙酮酸轉運誘導干性
為了探究乳酸誘導干細胞特性的內在機制，作者研究分析了乳酸對代謝組的影響。結果發現，乳酸處理后，代謝組發生變化，糖酵解中間產物減少，TCA循環中間產物增加，丙酮酸和乙酰輔酶 A 水平顯著升高，表明乳酸可促進線粒體活性。
研究也發現，丙酮酸、DCA等處理可增加乙酰輔酶A水平和CSC數量，抑制細胞分化，增強去分化，誘導不對稱細胞命運，這些作用與乳酸類似。
此外，雖然線粒體活性對誘導癌癥干性很重要，但阻斷線粒體丙酮酸載體（MPC）并不能逆轉乳酸等誘導的CSC增加，說明乳酸可獨立于線粒體丙酮酸轉運支持線粒體呼吸和誘導干性。
綜上，乳酸通過驅動代謝重編程，增加線粒體呼吸作用和TCA循環中間體水平，從而誘導癌癥干細胞特性，且線粒體活性在這一過程中發揮關鍵作用。
圖3. 乳酸通過重編程代謝并誘導干細胞特性，且這一過程不依賴于線粒體丙酮酸的攝取
4. 乳酸增強了MYC位點的組蛋白乙?；腿旧|可及性
轉錄重編程在調控細胞類型特異性中起關鍵作用。對腫瘤類器官RNA測序分析顯示，乳酸處理后，差異顯著的基因主要富集于WNT信號通路、細胞增殖、遷移以及與染色質重塑相關等類別。
染色質重塑因子活性受底物和輔因子可用性調控。組蛋白乙?；治鲲@示，乳酸、丙酮酸和DCA處理增加了多個組蛋白殘基（H3pan、H3K27、H3K9）的乙?；?，且這種作用依賴于乙酰轉移酶活性。免疫熒光和FRET報告基因分析顯示，CSCs中的組蛋白乙?；礁哂贑DCs，抑制組蛋白乙?；傻窒樗岷虳CA增加CSC的作用。
ATAC分析表明，乳酸改變了652個基因的染色質可及性，其中90%的基因可及性增加，包括MYC等癌基因和WNT通路的轉錄因子。誘導MYC表達可模擬乳酸誘導的表型，表明乳酸對干性的調節依賴于對MYC表達的表觀遺傳調控。
圖4. 乳酸增強了MYC位點的組蛋白乙?；腿旧|可及性
5. 乳酸誘導的干性和可塑性依賴于MYC
分析兩個RNA數據集（290和96個腫瘤樣本），發現MYC特征與糖酵解、氧化磷酸化正相關。單細胞水平上，MYC特征評分在不同細胞類型間有差異，TA樣細胞評分最高，CDCs糖酵解評分更高，且MYC與糖酵解特征無相關性。乳酸誘導的“MYC激活”狀態由糖酵解型CDCs等細胞創造的高乳酸環境支持，促進氧化型、增殖型CSCs發生。
乳酸對MYC及干細胞特性的影響受表觀遺傳調控。BRD4抑制劑可改變基因表達，抑制MYC及其特征基因，阻止乳酸和DCA增加CSC群體。4D活細胞成像顯示，BRD4抑制部分挽救乳酸誘導的分化抑制，顯著阻止去分化至CSC狀態，逆轉不對稱細胞分裂，阻止細胞周期延長。
使用MYC抑制劑和MYC敲低細胞系，發現二者均部分逆轉乳酸誘導的CSC增加和去分化，降低不對稱細胞命運頻率，減少克隆大小，延長細胞周期。誘導MYC表達對CSC增加有加成作用但不顯著。因此乳酸通過表觀遺傳調控影響腫瘤發展的關鍵方面，包括增殖、干細胞特性和癌細胞可塑性。
圖5. 乳酸誘導的干性和可塑性依賴于MYC
小結
通過人源腫瘤類器官及機器學習技術發現，乳酸作為代謝信號可維持癌干細胞（CSC）干性并驅動癌分化細胞（CDC）逆分化。機制上，乳酸通過誘導組蛋白修飾激活BRD4-MYC信號軸，以此增強CSC特性及腫瘤細胞可塑性。鑒于BRD4是該調控通路的核心節點，研發靶向BRD4的小分子藥物有望精準抑制CSC干性，為阻斷腫瘤復發提供新策略。
參考文獻
Lactate controls cancer stemness and plasticity through epigenetic regulation. Cell Metabolism. 2025
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