Cell Metabolism重磅：睡眠不足致癌，脂肪酸氧化为幕后推手
学术
2024-12-23 07:02
北京
昼夜节律紊乱是现代生活方式的一个显着特征。越来越多的证据表明，昼夜节律紊乱预示着癌症预后不佳，但睡眠不足（SD）如何促进癌症发展仍不清楚。今天，小编要和大家分享一篇2024年5月发表在Cell Metabolism（IF：29）上的文章，揭示了脂肪酸氧化（FAO）作为一种昼夜节律传感器，将SD与肺部肿瘤的发生联系起来，并为患有SD相关癌症的患者提供了一种很有前途的β-内啡肽时间治疗策略。
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图1.脂肪酸氧化感知睡眠不足引起的昼夜节律紊乱以增强肿瘤发生更贴合临床的生信分析定制
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昼夜节律通过环境明暗周期、行为进食-禁食和睡眠-觉醒周期来同步，以维持生理稳态。睡眠不足会扰乱昼夜节律，引发多种病理过程，包括免疫功能障碍、代谢紊乱，甚至过早死亡。越来越多的证据表明，SD会刺激肿瘤生长、癌症转移和免疫逃逸。此外，哺乳动物的新陈代谢具有昼夜节律性的特点。在癌症进展过程中，昼夜节律紊乱会改变许多代谢过程的振荡，包括葡萄糖、谷氨酸、胆汁酸和脂质代谢。然而，代谢重连如何感知节律破坏以决定 SD 增强的癌症发展仍不清楚。为了检查SD对肺生理节律的影响，作者分析了对照（Ctrl）和SD治疗4周的C57BL/6J小鼠肺组织的转录组和代谢组（图1A）。RNA-seq结果显示3,284个基因在SD 处理后失去了昼夜振荡，对这些昼夜节律紊乱基因的基因本体（GO）分析揭示了脂质代谢相关生物过程的富集，特别是在FAO中（图1D）。为了进一步研究SD对FAO节律的影响，作者对Ctrl和SD小鼠的肺组织进行了时程UHPLC-MS分析，发现SD肺中有47脂质代谢物的振荡，其中游离脂肪酸 （FFA）所占比例最大（图 1G）。这些数据表明，FAO在基因表达和代谢功能水平上感知到 SD 引起的生理条件节律破坏（图 1J）。![]()
接下来，作者研究了SD诱导的FAO节律破坏是否在肺癌的发展中发挥作用。首先，作者通过气管内腺相关病毒 (AAV)-绿色荧光蛋白 (GFP)-Cre 注射手术诱导 Kras LSL-G12D/WT小鼠肺部肿瘤，注射后2天对小鼠进行Ctrl或SD处理。最后显微计算机断层扫描、H&E以及IHC结果显示SD促进了肺肿瘤形成和发展。作者进一步对 Kras LSL-G12D/WT小鼠的肺肿瘤进行了转录组测序，发现827个基因被SD显着上调。GO分析显示，这些SD上调的基因很大程度上属于脂肪酸代谢过程，尤其是FAO（图2H），这与无肿瘤生理条件下一致。肺部肿瘤的脂质代谢组分析一致表明，SD治疗后脂肪酰肉碱(FA-肉碱)增加，FFA减少（图 2I）。此外，FAO的最终产物，包括乙酰辅酶A和ATP，在KrasLSL-G12D/WT 肺癌中增加（图 S2I 和 S2J）。总体而言，这些数据表明，FAO在多种肺癌模型中感受到了SD诱导的基因表达和代谢节律破坏。为了证实FAO介导SD诱导的肿瘤发生和癌症干性，作者将FAO抑制剂依托莫克西（ETO）递送给接受SD的KrasLSL-G12D/WT小鼠，逆转了SD增强的肿瘤发生（图 2L）。此外，对连续稀释的 LLC1原代肿瘤细胞进行再植入测定、极限稀释分析(ELDA)和二次球体形成实验均表明，FAO感应昼夜节律紊乱是SD增强肺癌干细胞性的基础（图 2O）。![]()
3.ACSL1合成的PA-CoA有助于SD增强肺癌干细胞样特征接下来，作者确定了SD诱导的FAO节律破坏的关键分子。通过比较 WT C57BL/6J小鼠肺组织中昼夜节律被破坏的FAO基因和 KrasLSL-G12D/WT小鼠肺肿瘤中上调的FAO基因，再结合RT-qPCR和WB验证，作者确定了ACSL1是与SD引起的致癌FAO节律破坏最相关的基因（图3A-D）。为了证实ACSL1在SD增强的肺肿瘤发生和癌症干性中的作用，作者建立了 KrasLSL-G12D/WT Acsl1fl/fl 小鼠并通过气管内注射AAV-GFP-Cre诱导肺癌和Acsl1 缺陷 (A1 −/−）（图3E）。 结果表明，Acsl1 的消融逆转了SD促进的肺癌进展以及乙酰辅酶A和ATP的增加。为了确定ACSL1在SD条件下促进肺癌干性的代谢物，作者分析了可能充当 ACSL1底物和产物的长链（12-20 个碳）FAO 代谢物，发现人体内最主要的饱和脂肪酸PA及其代谢物PA-CoA介导了S条件下肺部肿瘤的发生。机制上，SD 扰乱了ACSL1节律，从而过度激活其将 PA转化为 PA-CoA 的能力，进一步激发了FAO 促进肺肿瘤生长和干细胞样特征（图 3O）。![]()
图4. ACSL1合成的PA-CoA有助于SD增强肺癌干细胞样特征4.ACSL1感知SD诱导的CLOCK心律失常以增强肺部肿瘤发生接下来，作者的目的是确定 SD 扰乱 ACSL1 节律以促进肺部肿瘤发生的机制。作者通过沉默多个核心时钟基因，筛选出了转录调节ACSL1表达的CLOCK蛋白。![]()
图5. ACSL1感知SD诱导的CLOCK心律失常以促进肺部肿瘤发生5.ACSL1通过抑制泛素化依赖性降解来稳定CLOCK蛋白作者进一步研究了在SD引起的昼夜节律紊乱下维CLOCK持续高水平的机制。有趣的是，ACSL1的敲除反过来又降低了CLOCK蛋白水平，而不影响CLOCK mRNA水平，这表明 ACSL1 在维持 CLOCK 蛋白稳定性方面发挥着关键作用。由于ACSL1催化的PA-CoA 作为蛋白质棕榈酰化的底物，作者进一步探索并证实了ZDHHC介导了CLOCK S-棕榈酰化棕榈酰化，CLOCK S-棕榈酰化通过抑制蛋白酶体降解来抑制泛素化以维持CLOCK稳定性（图 5）。![]()
图6. ACSL1通过抑制泛素化依赖性降解来稳定CLOCK蛋白6.β-内啡肽可恢复SD扰乱的CLOCK/ACSL1节律，从而改善肺癌干性由于睡眠失调会扰乱内分泌振荡，因此激素节律异常在SD相关癌症中起着至关重要的作用。作者进一步从14种与睡眠相关的激素中筛选出β-内啡肽（Endor）能够显着下调CLOCK和ACSL1 mRNA在肺癌细胞系 NCI-H460 中的表达（图 6A）。作者随后在小鼠模型上验证了Endor 的时间药理学补充可挽救Endor、CLOCK和ACSL1的SD扰乱节律，从而呈现出有希望的抗肿瘤作用。![]()
图7. β-内啡肽振荡的恢复可恢复SD扰乱的CLOCK/ACSL1节律7.肺癌患者睡眠质量和β-内啡肽水平与CLOCK/ACSL1表达及不良预后呈负相关为了评估作者研究结果的转化潜力，作者进行了前瞻性和回顾性研究（图7A）。在前瞻性研究中，招募了肺癌患者，以研究血清 Endor 水平、睡眠质量和肺癌发展之间的临床相关性。结果显示Endor 和睡眠质量之间存在正相关，并表明血清Endor水平是癌症发展的潜在预测因素。为了评估肺癌患者血清Endor、生化参数和预后因素之间的相关性，作者对62例既往肺癌病例进行了回顾性分析。结果表明SD、Endor、CLOCK和ACSL1可能是肺癌的独立预后因素。![]()
图8. 肺癌患者的睡眠质量和β-内啡肽水平与CLOCK/ACSL1表达和不良预后呈负相关在本研究中，作者通过对表明，FAO 感知到昼夜节律紊乱会加剧 SD下的肺部肿瘤发生。此外，SD扰乱了核心昼夜节律基因CLOCK的节律振荡，导致ACSL1 过度反式激活，加速了FAO增强癌症干性和肿瘤生长。作为正反馈，ACSL1合成的PA-CoA在Cys194处诱导ZDHHC5介导的CLOCK S-棕榈酰化，从而通过抑制泛素蛋白酶体降解来稳定CLOCK蛋白。β-内啡肽节律的恢复可恢复受损的CLOCK和ACSL1振荡，从而逆转SD促进的FAO紊乱和癌症干性。总而言之，作者的研究结果表明，FAO是一种昼夜节律感应机制，将SD与肺部肿瘤的发生联系起来，并为患有SD相关癌症的患者提供了一种很有前途的β-内啡肽时间治疗策略。更贴合临床的生信分析定制
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生信人
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