脂肪酸代谢与雌激素受体阴性乳腺癌的关联：新发现与机制探索

《SCIENCE ADVANCES》：A metabolic shift to the serine pathway induced by lipids fosters epigenetic reprogramming in nontransformed breast cells

为探究雌激素受体阴性乳腺癌（ERneg BC）病因，研究人员研究脂肪酸代谢，发现其可致代谢改变，意义重大。

　　雌激素受体阴性乳腺癌（ERneg BC）严重威胁女性健康，尽管乳腺癌整体死亡率因治疗进步和早期检测有所下降，但全球乳腺癌发病率仍在上升，尤其是 ERneg BC。目前针对它的预防策略存在不足，现有研究表明，肥胖、特定基因变异等与 ERneg BC 相关，但这些因素无法完全解释其发病机制。为了更好地理解 ERneg BC 的发病原因，找到潜在的预防靶点，来自国外的研究人员开展了一系列研究，相关成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究人员主要运用了单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）、靶向代谢组学、葡萄糖 13C 追踪等关键技术。研究样本来自接受缩乳术的女性和预防性乳房切除术的 BRCA1 突变携带者。

研究结果如下：

1. 辛酸（OA）使代谢向从头合成丝氨酸途径转变：通过 RNA 测序推断的代谢通量，研究发现 OA 可驱动许多代谢反应，包括丝氨酸 - 一碳 - 甘氨酸（SOG）和蛋氨酸途径。U13C - 葡萄糖追踪实验表明，OA 暴露使葡萄糖摄取、糖酵解和磷酸戊糖途径通量降低，1C - THF 重新定向到蛋氨酸循环，增加了 DNA 甲基化通量。此外，OA 处理的细胞中癌症指数、非经典三羧酸循环（TCA）指数和 TCA 指数增加。研究还发现，磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）在这一代谢转变中起关键作用，它是从头合成丝氨酸途径的限速酶，OA 暴露增加了丝氨酸、S - 腺苷蛋氨酸（SAM）、谷胱甘肽（GSH）和甜菜碱的产生，而阻断 PHGDH 可阻止这些增加。
2. OA 诱导的 SAM 增加全局 DNA 甲基化：研究人员使用 Illumina Infinium Methylation EPIC Beadchip 阵列对暴露于载体、OA 或 OA 加 PHGDH 抑制剂 CBR - 5884 的 MCF - 10A 细胞进行全基因组 DNA 甲基化分析。结果显示，OA 处理后，CpG 甲基化水平中位数升高，但经多重检验校正后，载体和 OA 处理细胞之间无统计学显著差异，这表明 PHGDH 可能通过 DNA 甲基化独立机制调节基因表达程序。
3. OA 诱导的 SAM 和 2 - 羟基戊二酸（2 - HG）产生通过组蛋白甲基化驱动神经样转录程序：OA 处理显著诱导了主要甲基供体 SAM 的产生，同时 2 - HG 增加，2 - HG 可抑制 α - 酮戊二酸（αKG）依赖性双加氧酶，如组蛋白去甲基化酶。研究人员通过 CUT&RUN 技术分析 H3K27me3 和 H3K4me3 的甲基化情况，发现 OA 处理后，H3K27me3 的 12 个峰在对照组中差异富集，与 OA 中基因表达增加相关；H3K4me3 在 OA 处理细胞中有 661 个差异峰显著富集。Homer 基序分析揭示了与上皮 - 间质转化（EMT）、神经功能、神经元损伤、丝氨酸途径和应激反应相关的转录因子结合位点的过表达。此外，研究人员还通过实验验证了抑制从头合成丝氨酸途径和 H3K4 三甲基化对 OA 诱导基因表达变化的影响。
4. OA 暴露的 MCF - 10A 细胞在特定培养条件下呈现神经样表型：鉴于上述研究中观察到的神经样分化信号，研究人员将 OA 暴露的 MCF - 10A 细胞培养在聚 - d - 赖氨酸 / 层粘连蛋白包被的板上，发现细胞呈现神经样表型，包括神经突生长和多边形细胞体。在 ERneg 基底样细胞系MCF10ADCIS.com中也观察到类似现象。
5. 细胞通过抗氧化防御控制活性氧（ROS）浓度：研究人员推测 OA 暴露会增加 ROS，同时通过增加蛋氨酸循环通量 / 转硫途径活性驱动补偿性 GSH 产生。通过监测 ROS 诱导的氧化还原变化，研究发现 OA 暴露 5 分钟后，线粒体和细胞核中的 ROS 显著增加，15 分钟达到峰值，随后逐渐下降，与 GSH 产生的时间一致，表明 OA 暴露导致细胞部署抗氧化防御以减轻 ROS 浓度的增加。
6. OA 暴露导致 DNA 断裂：OA 暴露导致 ROS 和 d - 2 - HG 增加，研究人员通过碱性彗星试验发现 OA 和外源性 2 - HG 显著增加彗星尾巴，表明存在 DNA 损伤。添加 PHGDH 抑制剂未减少彗星尾巴，可能是由于抑制 PHGDH 导致 GSH 减少，ROS 增加。此外，研究人员还通过实验探讨了 OA 诱导的 d - 2 - HG 增加是否导致同源重组（HR）缺陷，但未观察到 OA 对 HR 的显著影响，可能需要更高浓度的 2 - HG 才能损害 HR。
7. OA 影响乳腺微结构的细胞组成：研究人员对来自 12 名捐赠者的乳腺微结构进行研究，通过 RT - qPCR 测量 OA 诱导的基因表达，并对两名野生型捐赠者的乳腺微结构进行 scRNA - seq 分析。结果发现，OA 显著影响了许多细胞亚型的比例，如上皮细胞中的基底细胞（BSL1）、激素感应细胞（HS1）和管腔祖细胞（LP3）的比例增加，而 HS2、LP1 和 LP4 的比例下降；内皮细胞中血管生成尖端细胞比例下降，静脉内皮细胞比例增加。
8. OA 调节乳腺微结构中的基因表达：研究发现 OA 在每个细胞亚群中调节基因表达，约 58% 在乳腺微结构中 OA 诱导的基因与 MCF - 10A 细胞中 OA 诱导的基因重叠，约 4% 的基因具有 H3K4me3 峰。在 BSL1、LP3 和 HS1 中，OA 诱导了与脂质滴、表皮生长因子受体（EGFR）信号、丝氨酸、甘氨酸和叶酸代谢、内质网应激、氧化应激以及神经和癌症相关基因的表达，同时抑制了谱系标记物的表达。Reactome 通路分析显示，OA 暴露后神经元系统相关术语上调。
9. OA 暴露改变细胞间通信景观：研究人员使用 CellChat 探索 OA 对细胞间通信的影响，发现 OA 中富集的配体 - 受体对与载体中不同，OA 中高度活跃的信号通路包括生长因子 Midkine（MK）、表皮生长因子（EGF）、生长分化因子（GDF）和成纤维细胞生长因子（FGF）等，而胶原蛋白途径在载体中的细胞间通信中贡献最大。这表明 OA 暴露改变了细胞亚型之间的整体相互作用，增加了分泌信号，减少了细胞外基质 - 细胞相互作用和细胞 - 细胞粘附。
10. Compass 算法预测 OA 影响的代谢系统：研究人员使用 Compass 算法分析 scRNA - seq 数据，预测了 OA 和载体处理之间不同的代谢反应。结果显示，OA 对 BSL1、LP3 和 HS1 细胞的影响不同，OA 暴露使这些细胞对甘氨酸、丝氨酸、丙氨酸和苏氨酸代谢的依赖性增加，增强了丝氨酸代谢中的关键酶，如 PHGDH、磷酸丝氨酸转氨酶 1（PSAT1）和磷酸丝氨酸磷酸酶（PSPH）的活性。此外，OA 还影响了 ROS 解毒和 GSH 代谢，以及酪氨酸代谢和神经递质合成相关的代谢反应。

研究结论表明，OA 在模拟人体血浆的培养基中，可使非转化乳腺细胞和乳腺组织的代谢从糖酵解转变为 SOG 和蛋氨酸途径，产生 SAM、GSH 和 2 - HG。这一过程通过 PHGDH 的关键作用，导致代谢重编程、表观遗传改变、氧化应激和细胞表型变化，与癌症的多个特征相关，为理解 ERneg BC 的发病机制提供了新的视角，也为开发潜在的预防和治疗策略奠定了基础。然而，该研究也存在一定的局限性，如仅使用了一种饱和脂肪酸进行实验，scRNA - seq 分析的样本量有限等。未来研究可进一步拓展研究范围，深入探讨脂肪酸代谢与 ERneg BC 之间的关系。