Nature Communications | 肿瘤微环境中的细胞代谢差异

2020-03-17 04:46:58, 麦特绘谱麦特绘谱生物科技(上海)有限公司

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肿瘤细胞增殖需要大量能量和物质基础，并依赖于各种代谢途径，例如糖、核酸、氨基酸、脂质代谢等。肿瘤细胞通过代谢重编程以满足肿瘤细胞的生长需求、维持氧化还原平衡的细胞环境和细胞之间的“通讯”。不同类型的非肿瘤细胞围绕在肿瘤细胞周围共同构成了肿瘤微环境，例如成纤维细胞、免疫细胞、内皮细胞、巨噬细胞等。每种细胞类型都有独特的代谢需求，使其具有特定的功能。由于不同的肿瘤存在差异（肿瘤间异质性），同一肿瘤内部的细胞之间也存在差异（肿瘤内异质性），肿瘤内的细胞会改变自己的代谢模式来适应这种差异，这种代谢的改变称为“代谢重编程”。因此，肿瘤内的每个细胞都可能有不同的代谢状态。美国杜克大学医学院的Jason W. Locasale等研究人员解析了两种典型人类肿瘤（黑色素瘤和头颈部鳞状细胞癌（HNSCC））微环境内细胞代谢特征。相关结果发表在国际知名期刊《Nature Communications》。

细胞类型特异性代谢重编程

研究团队开发了一个用于分析单细胞水平代谢基因表达谱的分析流程（图1a），每个数据集涵盖了来源于不同基因型和表型背景的人类肿瘤中分离出来的肿瘤和非肿瘤细胞（图1b, c），可以深入研究每种细胞类型中代谢基因和通路的表达。研究前期工作发现肿瘤细胞中代谢基因的表达在很大程度上是由患者特异性因素决定。来自同一患者体内肿瘤的肿瘤细胞之间代谢基因表达谱的相关系数（平均斯皮尔曼相关系数=0.91）高于来自不同患者的肿瘤细胞之间的相关系数（平均斯皮尔曼相关系数=0.79），来自相同基因型背景的细胞也比来自不同基因型背景的细胞表现出更高的相似性（图1f, g）。相比之下，非肿瘤细胞在肿瘤微环境中的代谢没有明显的患者间异质性（图1h, i）。因此，肿瘤细胞表现出较高的代谢可塑性，这可能导致肿瘤微环境中癌细胞特异性代谢重编程。

为了确定不同细胞类型，特别是肿瘤和非肿瘤细胞之间代谢通路差异的总体特征，研究人员量化每个代谢通路的活性值，结果显示不同细胞类型的代谢通路活性存在显著差异，表明大多数代谢通路的活性是由细胞类型决定的。黑色素瘤和HNSCC的肿瘤细胞代谢通路中上调变化最多（图2a, b），包括细胞代谢的不同通路，如中心碳代谢、一碳代谢、蛋氨酸代谢、类固醇合成和β-丙氨酸代谢。因此，与非肿瘤细胞相比，肿瘤细胞的代谢活性经历了整体上调。有趣的是，两种肿瘤的肿瘤细胞、T细胞、内皮细胞和巨噬细胞之间代谢特征高度一致，而B细胞和成纤维细胞的代谢通路活性在这两种肿瘤之间的相关性较弱，表明这些细胞类型的代谢对环境因素和免疫细胞的效应状态更为敏感。

此外，研究人员对单肿瘤细胞的转录组图谱是否与常用肿瘤组织样本一致进行了对比，研究人员将测序数据与来自癌症基因组图谱（TCGA）的RNA-seq数据进行了比较。单肿瘤细胞和块状样本中通路活性分析表明，不同类型的细胞之间通路活性的变化高于块状肿瘤和正常组织之间的差异（图2f），并且单肿瘤细胞的代谢活性和变异性高于块状肿瘤。这些结果表明单细胞水平的代谢检测具有更强的分辨率。

肿瘤细胞的瘤内代谢异质性

肿瘤细胞代谢重编程还受到特定位置、营养供应波动和与邻近细胞相互作用的影响，为了确定肿瘤细胞瘤内代谢异质性的主要贡献者，研究人员进行了主成分分析（PCA）和基因集富集分析（GSEA），以解释肿瘤细胞之间的代谢差异（图3a）。结果发现，OXPHOS通路和TCA 循环对多个肿瘤代谢异质性有很大贡献，强于其他的代谢途径（图3b,c），表明线粒体活性的变化是导致肿瘤细胞瘤内代谢异质性的主要原因。

此外，该研究还对肿瘤细胞中线粒体活性与氧气和其他环境因素之间的关系进行探讨。结果发现，在黑色素瘤和HNSCC中，糖酵解活性与缺氧特征高度相关（图3d, e），这与以往研究结果一致，即缺氧会增加糖酵解活性。值得注意的是，OXPHOS与糖酵解和缺氧反应有显著的相关性（图3d, e）。因此，线粒体OXPHOS是瘤内代谢异质性重要贡献者，OXPHOS与糖酵解可以适应肿瘤微环境中不同氧供应而提供能量且两者相互不排斥。

非肿瘤细胞的瘤内代谢异质性

对非肿瘤细胞进行同样的研究分析，发现OXPHOS和TCA循环也是所有非肿瘤细胞代谢异质性的主要因素（图4a, b）。在非肿瘤细胞线粒体活性与氧气关系研究中，与肿瘤细胞相似，几乎所有类型细胞（除HNSCC的巨噬细胞）的糖酵解、OXPHOS和缺氧都存在显著相关性（图4c, d）。而面临更严重缺氧的细胞倾向于上调糖酵解和线粒体呼吸，这可能有助于细胞可以更有效地与其他细胞竞争有限资源。

非肿瘤细胞亚型的代谢特征

非肿瘤细胞如免疫细胞和基质细胞，是肿瘤微环境的重要组成部分。这些细胞可以分化成不同亚型而具有不同作用，这一过程包括代谢重编程，以满足细胞自主代谢需求以及与其他细胞相互作用。例如，分离CD8⁺ T细胞和CD4⁺ T细胞（图5a），将CD4⁺ T细胞进一步分为调节性T细胞（Tregs）和T辅助性细胞（Ths）。结果发现OXPHOS是区分T细胞亚型的最重要代谢通路：在黑色素瘤和HNSCC中，CD4⁺ T细胞OXPHOS水平均显著高于CD8⁺ T细胞（图5b, c）。与Ths相比，Tregs除了OXPHOS外，还表现出糖酵解上调（图5d, e）。因此，肿瘤微环境中免疫细胞的亚群体具有不同于其在正常组织中的代谢特征。

在HNSCC的肿瘤相关纤维细胞（CAFs）或肌成纤维细胞两种成纤维细胞亚型分析中发现（图5g），磷酸肌醇代谢是肌成纤维细胞中唯一上调的代谢通路，表明CAFs比肌成纤维细胞更具代谢活性。CAFs糖酵解通路增强，可能会产生多余乳酸可被邻近肿瘤细胞利用来支持生长。值得注意的是，其他几条代谢通路在CAFs中上调，包括会产生炎症介质的花生四烯酸代谢和亚油酸代谢、多糖合成和降解的相关通路。这些通路的上调可能支持CAFs分泌小分子化合物和蛋白质以重塑肿瘤微环境。综上所述，CAFs的代谢表型的变化有助于维持它们与其他类型细胞相互作用和调节肿瘤微环境。

小结

本研究比较了肿瘤微环境中不同细胞类型、不同细胞亚型的代谢特点和代谢通路的异质性，揭示了肿瘤代谢异质性在单细胞水平上表现出的与组织水平上的显著区别，表明单细胞水平上的研究对于深入理解肿瘤微环境的代谢异质性至关重要。在肿瘤微环境中，不同患者来源的肿瘤细胞拥有不同的代谢基因表达特征，但不同类型非肿瘤细胞的代谢基因表达并不受患者来源的影响，且不同细胞类型具有各自独特的代谢特征。随着组学技术的迅速发展和更多肿瘤类型和患者的数据积累，对肿瘤细胞代谢特征的全面描述可能在不久的将来就会出现。

参考文献

Zhengtao Xiao et al. Metabolic landscape of the tumor microenvironment at single cell resolution. (2019) 10:3763. https://doi.org/10.1038/s41467-019-11738-0.

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