Int J Mol Sci｜多组学揭示MCT2限制肺癌小鼠模型中的肿瘤生长
2023-04-18
中科新生命
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单羧酸转运蛋白 （MCT） 是蛋白质溶质载体家族 （SLC16） 的成员，由 14 种亚型组成。MCT在许多不同的组织中表达，并参与基本细胞过程的调节（如糖酵解和脂肪酸稳态），也成为许多不同类型癌症的生物标志物。在多项肿瘤研究中发现，MCT2活性增加可能对疾病的临床病程产生有利影响，但MCT2在体内肿瘤特性及肠道免疫中的作用尚不清楚。
2021年9月，密苏里大学哥伦比亚分校医学院的Khalyfa团队在International Journal of Molecular Sciences (IF 6.208)杂志上发表题为“Monocarboxylate Transporter-2 Expression Restricts Tumor Growth in a Murine Model of Lung Cancer: A Multi-Omic Analysis”的研究，通过对MCT2敲除（MCT2 KO）和对照组小鼠注射肺癌TC1细胞，利用16S rDNA测序、非靶代谢和转录组测序对小鼠粪便、血清及肿瘤相关巨噬细胞（TAM）进行了检测，揭示了 MCT2 在宿主对 TC1 肺癌反应中发挥重要作用，这可能与肠道菌群、全身代谢改变、以及TAM 相关的代谢途径相关。这些发现为新的肿瘤免疫疗法提供了理论基础。
研究材料
左侧腹注射肺癌TC1细胞的MCT2 KO鼠和对照组CO鼠，n=6
粪便；血浆；肿瘤相关巨噬细胞（TAM）
技术路线
步骤1：肿瘤生长情况及指标统计发现MCT2 KO小鼠肿瘤生长及侵袭更严重；
步骤2：肿瘤相关巨噬细胞（TAM）的转录组测序发现免疫相关的代谢通路发生显著变化；
步骤3：粪便微生物群落分析发现肠道菌群多样性发生显著改变；
步骤4：粪便和血浆的代谢组发现肌醇磷酸代谢通路发生显著变化；
步骤5：代谢途径归纳及基因网络构建肌醇磷酸代谢和色氨酸代谢高度相关的基因。
研究结果
1. 肿瘤生长情况及指标统计
作者通过免疫印迹和电子显微镜，观察到MCT2 KO小鼠其MCT2表达量降低，与CO小鼠相比表现出肿瘤重量增强，线粒体基质增多、线粒体肿胀、嵴破裂等线粒体变化。以上现象表明MCT2表达降低促进了肿瘤生长及区域侵袭性的增加，还可能造成肿瘤细胞通过线粒体氧化磷酸化产生ATP的能力降低。
图1 MCT2 KO小鼠肿瘤生长及侵袭更严重
2. 肿瘤相关巨噬细胞（TAM）的转录组测序
作者从MCT2 KO 和 CO 小鼠的肿瘤中分离纯化巨噬细胞TAM，并进行RNA-seq。差异基因GO、KEGG及GSEA分析结果显示，乙酰辅酶A代谢，免疫应答激活，B细胞活化和分化，cAMP介导的信号传导，葡萄糖和谷氨酸代谢，T细胞分化和对氧化应激的响应等生物学通路发生显著变化。
图2 肿瘤相关巨噬细胞（TAM）的差异基因分析及通路汇总
3. 粪便微生物群落分析
利用16S rRNA测序的方法分析两组样品中的粪便菌群组成。肠道菌群多样性发生显著改变，主要在厚壁菌门 (40%)、拟杆菌门 (14%)、放线菌门 (2%)、变形菌门 (1%)、变形菌门 (1%) 和疣微菌门 (1%)。两组样本粪便中的主要细菌类群是厚壁菌门和拟杆菌门，最丰富的科是瘤胃球菌科、毛杆菌科和毛螺菌科。
图3 粪便微生物群落鉴定及差异菌群
4. 粪便和血浆的LC-MS代谢组
为了鉴定粪便和血浆代谢组特征，研究者对MCT2 KO和CO样品进行了非靶向代谢组学检测。粪便样本中共检测到1738种化合物，其中129种代谢物丰度存在显著差异。血浆样本中共鉴定了1858种化合物。Two-way ANOVA分析发现113种共有代谢物与样本来源（血浆与粪便）和处理方式（MCT2 KO与CO）存在显著差异。在样品中的113种代谢物中，我们基于two-way ANOVA分析和箱形图鉴定了两种具有显著受试者相关差异的代谢物（C4H7NO2和C5H11NO2）。
图4 粪便与血浆LC-MS代谢组学分析
5. 粪便和血浆的GC-MS代谢组
此外，作者还通过GC-MS分析血浆和粪便样品的代谢物变化情况。血浆中共检测到74种极性代谢物，有四种差异表达的代谢物，其中两种：肌醇参与肌醇磷酸盐代谢，而D-（+）-葡萄糖参与淀粉和蔗糖代谢。在41种鉴定到的非极性代谢物中，3种代谢物显著不同，其中一种具有已知的代谢功能（胆固醇）。粪便鉴定出174种极性代谢物和126种非极性代谢物，22种极性代谢物和13种非极性代谢物在KO与CO中表现出统计学意义。分层聚类分析显示KO和CO小鼠明显分离。
图5 血浆与粪便GC-MS代谢组学分析
6. 代谢途径归纳及基因网络构建
在血浆样本中找到了两种代谢途径，即肌醇磷酸代谢和淀粉-蔗糖代谢；在粪便样本中发现了11种代谢途径，包括谷胱甘肽代谢、核苷酸糖代谢、嘌呤代谢、乙酰基向线粒体的转移、色氨酸代谢和酪氨酸代谢，以及缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解。总之，肌醇磷酸代谢是血浆和粪便样本之间的常见途径。最后，作者用String软件构建了PPI调控网络，筛选到与肌醇磷酸代谢和色氨酸代谢高度相关的基因。
图6 基因调控网络分析
小结
本研究采用转录组学+代谢组学+16S的多组学联合模式，证明MCT2在宿主对肿瘤的反应中有益，并在肿瘤生长和肿瘤侵袭中通过调节乳酸或单羧酸盐浓度来发挥作用。此外，MCT2表达变化会诱导肠道微生物群改变，从而使粪便和血浆代谢物发生实质性变化，并在肿瘤生物学和免疫反应中发挥作用。
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