上皮組織靠干細(xì)胞自我更新維持功能，干細(xì)胞通路突變易致腫瘤。在腸道中，WNT（配體蛋白質(zhì)Wnt和膜蛋白受體結(jié)合激發(fā)的一組多下游通道的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑）信號(hào)是干細(xì)胞狀態(tài)的關(guān)鍵開關(guān)（調(diào)節(jié)因子），要是這個(gè) “開關(guān)” 被瘋狂按下（過度激活），就會(huì)推動(dòng)腫瘤發(fā)生。結(jié)直腸腫瘤保留部分起源組織結(jié)構(gòu)，存在“領(lǐng)導(dǎo)型的”癌干細(xì)胞（CSCs）和“下屬型”癌分化細(xì)胞（CDCs）。CSCs具有高WNT活性和強(qiáng)增殖能力，可分化為CDCs。CSCs在腫瘤生長(zhǎng)中的作用明確，但CDCs的作用未知，其廣泛存在暗示對(duì)結(jié)直腸癌（CRC）進(jìn)展有重要貢獻(xiàn)。CDCs去分化為CSCs的細(xì)胞可塑性在CSCs耗盡時(shí)被觀察到，可恢復(fù)腫瘤生長(zhǎng)潛力。這些過程在體內(nèi)和體外類器官中均存在，由腫瘤細(xì)胞協(xié)調(diào)，但其對(duì)治療耐藥性和復(fù)發(fā)的影響及調(diào)控機(jī)制尚未明確。此前研究發(fā)現(xiàn)腸細(xì)胞有獨(dú)特代謝表型，乳酸可在細(xì)胞間交換，但腫瘤細(xì)胞代謝表型及其對(duì)細(xì)胞命運(yùn)的影響尚不清楚。
基于此，荷蘭烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Maria J. Rodríguez Colman實(shí)驗(yàn)室等在Cell Metabolism發(fā)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(diào)控因子MYC和BRD4，通過抑制分化和激活CDCs回歸CSC狀態(tài)，增加CSCs群體，表明乳酸是維持CSC群體和調(diào)控MYC影響腫瘤發(fā)展的關(guān)鍵因子。
研究思路圖
研究結(jié)果
1. CSCs和CDCs顯示出不同的乳酸代謝
先前研究發(fā)現(xiàn),小鼠腸道干細(xì)胞和分化細(xì)胞存在代謝差異，人類結(jié)腸和結(jié)腸腫瘤中也存在類似代謝差異，免疫染色顯示分化細(xì)胞比干細(xì)胞表達(dá)更高水平的MCT4，提示其更具糖酵解性。腫瘤細(xì)胞中，CDCs的MCT4水平更高，表明腫瘤內(nèi)細(xì)胞代謝存在差異。對(duì)60個(gè)腫瘤樣本進(jìn)行單細(xì)胞RNA測(cè)序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞存在干細(xì)胞樣、TA樣、腸上皮細(xì)胞樣和分泌細(xì)胞樣等類型，其中分化腸上皮細(xì)胞樣細(xì)胞糖酵解評(píng)分升高，TA樣細(xì)胞線粒體代謝評(píng)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(qiáng)，提示兩者存在代謝互作。這些結(jié)果表明，CSCs和CDCs在代謝上存在差異，CDCs的乳酸產(chǎn)生和CSCs的乳酸攝取可能在腫瘤發(fā)展中發(fā)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(dǎo)去分化來(lái)增加CSC
腫瘤微環(huán)境的特征包括低葡萄糖和高乳酸，結(jié)果1已經(jīng)表明，CDCs和CSCs通過乳酸相互作用。因此，作者進(jìn)一步研究乳酸在腫瘤發(fā)展中的作用。
研究發(fā)現(xiàn)，高水平乳酸和低水平葡萄糖培養(yǎng)細(xì)胞，能顯著增加CSC群體，降低分化標(biāo)志物表達(dá)，增加干細(xì)胞標(biāo)志物表達(dá)，且在TPO3中更明顯。而單獨(dú)降低葡萄糖無(wú)法重現(xiàn)該表型；而抑制MCT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)乳酸積累，也增加CSC數(shù)量，表明細(xì)胞外和內(nèi)源性乳酸均促進(jìn)CSC特性。
4D成像顯示，對(duì)照條件下，類器官中CSC比例隨時(shí)間減少；而乳酸條件下，細(xì)胞分化減少50%，去分化顯著增加。細(xì)胞的周期延長(zhǎng)，類器官大小無(wú)顯著差異（乳酸增加了增殖性，CSC數(shù)量平衡了生長(zhǎng)率）。在穩(wěn)態(tài)下，腸道干細(xì)胞對(duì)稱分裂，乳酸使不對(duì)稱細(xì)胞命運(yùn)頻率增至18.3%，主要是姐妹細(xì)胞去分化。這些結(jié)果表明，乳酸通過抑制分化、誘導(dǎo)CDCs回歸到增殖性CSC狀態(tài)來(lái)促進(jìn)CSCs，揭示了乳酸水平升高在腫瘤發(fā)展中的重要作用。
圖2. 乳酸通過抑制分化和誘導(dǎo)去分化來(lái)增加CSC
3. 乳酸重塑代謝并獨(dú)立于線粒體丙酮酸轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)干性
為了探究乳酸誘導(dǎo)干細(xì)胞特性的內(nèi)在機(jī)制，作者研究分析了乳酸對(duì)代謝組的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，乳酸處理后，代謝組發(fā)生變化，糖酵解中間產(chǎn)物減少，TCA循環(huán)中間產(chǎn)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(jìn)線粒體活性。
研究也發(fā)現(xiàn)，丙酮酸、DCA等處理可增加乙酰輔酶A水平和CSC數(shù)量，抑制細(xì)胞分化，增強(qiáng)去分化，誘導(dǎo)不對(duì)稱細(xì)胞命運(yùn)，這些作用與乳酸類似。
此外，雖然線粒體活性對(duì)誘導(dǎo)癌癥干性很重要，但阻斷線粒體丙酮酸載體（MPC）并不能逆轉(zhuǎn)乳酸等誘導(dǎo)的CSC增加，說(shuō)明乳酸可獨(dú)立于線粒體丙酮酸轉(zhuǎn)運(yùn)支持線粒體呼吸和誘導(dǎo)干性。
綜上，乳酸通過驅(qū)動(dòng)代謝重編程，增加線粒體呼吸作用和TCA循環(huán)中間體水平，從而誘導(dǎo)癌癥干細(xì)胞特性，且線粒體活性在這一過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
圖3. 乳酸通過重編程代謝并誘導(dǎo)干細(xì)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(qiáng)了MYC位點(diǎn)的組蛋白乙酰化和染色質(zhì)可及性
轉(zhuǎn)錄重編程在調(diào)控細(xì)胞類型特異性中起關(guān)鍵作用。對(duì)腫瘤類器官RNA測(cè)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(hào)通路、細(xì)胞增殖、遷移以及與染色質(zhì)重塑相關(guān)等類別。
染色質(zhì)重塑因子活性受底物和輔因子可用性調(diào)控。組蛋白乙酰化分析顯示，乳酸、丙酮酸和DCA處理增加了多個(gè)組蛋白殘基（H3pan、H3K27、H3K9）的乙酰化水平，且這種作用依賴于乙酰轉(zhuǎn)移酶活性。免疫熒光和FRET報(bào)告基因分析顯示，CSCs中的組蛋白乙酰化水平高于CDCs，抑制組蛋白乙酰化可抵消乳酸和DCA增加CSC的作用。
ATAC分析表明，乳酸改變了652個(gè)基因的染色質(zhì)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(zhuǎn)錄因子。誘導(dǎo)MYC表達(dá)可模擬乳酸誘導(dǎo)的表型，表明乳酸對(duì)干性的調(diào)節(jié)依賴于對(duì)MYC表達(dá)的表觀遺傳調(diào)控。
圖4. 乳酸增強(qiáng)了MYC位點(diǎn)的組蛋白乙酰化和染色質(zhì)可及性
5. 乳酸誘導(dǎo)的干性和可塑性依賴于MYC
分析兩個(gè)RNA數(shù)據(jù)集（290和96個(gè)腫瘤樣本），發(fā)現(xiàn)MYC特征與糖酵解、氧化磷酸化正相關(guān)。單細(xì)胞水平上，MYC特征評(píng)分在不同細(xì)胞類型間有差異，TA樣細(xì)胞評(píng)分最高，CDCs糖酵解評(píng)分更高，且MYC與糖酵解特征無(wú)相關(guān)性。乳酸誘導(dǎo)的“MYC激活”狀態(tài)由糖酵解型CDCs等細(xì)胞創(chuàng)造的高乳酸環(huán)境支持，促進(jìn)氧化型、增殖型CSCs發(fā)生。
乳酸對(duì)MYC及干細(xì)胞特性的影響受表觀遺傳調(diào)控。BRD4抑制劑可改變基因表達(dá)，抑制MYC及其特征基因，阻止乳酸和DCA增加CSC群體。4D活細(xì)胞成像顯示，BRD4抑制部分挽救乳酸誘導(dǎo)的分化抑制，顯著阻止去分化至CSC狀態(tài)，逆轉(zhuǎn)不對(duì)稱細(xì)胞分裂，阻止細(xì)胞周期延長(zhǎng)。
使用MYC抑制劑和MYC敲低細(xì)胞系，發(fā)現(xiàn)二者均部分逆轉(zhuǎn)乳酸誘導(dǎo)的CSC增加和去分化，降低不對(duì)稱細(xì)胞命運(yùn)頻率，減少克隆大小，延長(zhǎng)細(xì)胞周期。誘導(dǎo)MYC表達(dá)對(duì)CSC增加有加成作用但不顯著。因此乳酸通過表觀遺傳調(diào)控影響腫瘤發(fā)展的關(guān)鍵方面，包括增殖、干細(xì)胞特性和癌細(xì)胞可塑性。
圖5. 乳酸誘導(dǎo)的干性和可塑性依賴于MYC
小結(jié)
通過人源腫瘤類器官及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，乳酸作為代謝信號(hào)可維持癌干細(xì)胞（CSC）干性并驅(qū)動(dòng)癌分化細(xì)胞（CDC）逆分化。機(jī)制上，乳酸通過誘導(dǎo)組蛋白修飾激活BRD4-MYC信號(hào)軸，以此增強(qiáng)CSC特性及腫瘤細(xì)胞可塑性。鑒于BRD4是該調(diào)控通路的核心節(jié)點(diǎn)，研發(fā)靶向BRD4的小分子藥物有望精準(zhǔn)抑制CSC干性，為阻斷腫瘤復(fù)發(fā)提供新策略。
參考文獻(xiàn)
Lactate controls cancer stemness and plasticity through epigenetic regulation. Cell Metabolism. 2025
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