本文的主要作者包括 Yuqi Wang(王煜棋)、Mangze Hu(胡鋩泽)、Jian Cao(曹剑)、Fengxiang Wang(王凤翔)等多位科研人员,通讯作者为 Xi Wang(王曦)和 Yilong Zou(邹贻龙)。研究工作由 Westlake University(西湖大学)和多家中国及国际研究机构共同完成,文章于 2025 年 1 月 23 日发表在顶级期刊《Cell》上,标题为 “ACSL4 and Polyunsaturated Lipids Support Metastatic Extravasation and Colonization”。
癌症转移是导致癌症相关死亡的主要原因,在肿瘤学研究中占据重要地位。然而,癌细胞成功转移需要突破一系列生物屏障,这其中包括从血液或淋巴循环中逸出并侵入远端组织(即 “外渗”),以及在新环境中成功定殖的过程。尽管脂类代谢和膜构象在这一过程中被认为至关重要,但具体机制尚不完全清楚,特别是脂质组(lipidome)在细胞外渗和定殖中的作用仍存在认知盲区。
本研究通过对癌症细胞系的跨癌种表型大数据挖掘以及体内 CRISPR 筛选,探讨了脂肪酸代谢——特别是多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids, PUFA)的功能,并进一步揭示了一种特定酶 ACSL4(Acyl-Coenzyme A Synthetase Long-chain family member 4)在促进肿瘤外渗、定殖及转移中的关键作用。研究的目标是探索 PUFA 和 ACSL4 在癌症转移中的双重功能,以及可能的抑制靶点,为抗转移治疗提供新策略。
研究共分为五个主要阶段,覆盖癌症代谢特征的筛选、动物模型构建、基因功能验证及深入的代谢机制探究。
跨癌种表型数据挖掘与相关性分析
研究人员利用 MetMap 数据库和 CTRP (Cancer Therapeutics Response Portal) 化合物敏感性数据,对 488 种癌症细胞系跨越肺、肝、脑等5个主要转移器官的转移潜能进行量化分析。同时,结合 ferroptosis(铁死亡)感性化合物(例如 ML210 和 Erastin)的响应,揭示高转移潜能癌细胞往往表现出更高的 ferroptosis 易感性。
原发肿瘤与转移肿瘤细胞的特性实验
收集了来自 10 位卵巢癌患者的 19 个肿瘤样本,涵盖了原发性肿瘤以及腹水及网膜转移部位,通过化学和脂质组学测试发现,转移性肿瘤细胞的 PUFA 含量普遍高于原发性肿瘤,且其抗氧化系统对 ferroptosis 更为敏感。
体内卵巢癌转移模型的建立及基因筛选
使用卵巢癌细胞系 ES-2,通过重复的体内 Clonal Selection(克隆选择)建立了具有增强肝脏和肺部转移能力的小鼠模型。研究随后应用大规模 CRISPR 筛选,发现多种代谢相关基因,尤其是 PUFA 合成酶 ACSL4 与转移外渗显著相关。
ACSL4 机制探讨与功能验证
针对筛选出的 ACSL4,研究进一步验证了其在转移过程中提升膜流动性和细胞侵袭力的作用。通过膜流动性荧光探针实验以及体外侵袭实验,证实 ACSL4 的缺失会显著降低癌细胞的外渗效率。研究还结合基因敲除、药物干预和蛋白质恢复实验,确认了 ACSL4 的特异性致病作用。
PUFA β-Oxidation(β-氧化)依赖性及其治疗可能性
研究揭示 PUFA 高表达的转移细胞不仅需要通过 ACSL4 调控膜流动性来推进外渗,还依赖于特定β-氧化酶(例如 ECI1 和 ECH1)在外围组织中分解 PUFA 以满足能量需求。对双位点靶点(ACSL4 + ECH1)进行通路联合阻断,发现显著抑制了两种转移肿瘤模型的扩展。
高转移潜能与 Ferroptosis 易感性之间的关联
数据显示,在卵巢癌、肝癌等类型中,转移能力越高的细胞系对 ferroptosis 的感性越高。这一特性与 PUFA 的脂质含量直接相关,暗示 PUFA 的积累可能既是癌症转移的关键辅助条件,同时也成为其生存的潜在脆弱点。
ACSL4 促进转移外渗的作用
ACSL4 的作用体现在脑肺转移模型中,通过增强 PUFA 含量提升膜流动性,间接支撑癌细胞成功外渗到新的组织环境。此外,其在调节膜相关信号转导过程中的作用也可能同样重要。
脂质β-氧化途径对高 PUFA 肿瘤的依赖性
包括 ECI1 和 ECH1 在内的关键酶能够加工 PUFA 中的双键,确保脂肪酸降解路径的畅通。CRISPR 筛选结果表明,阻断这些酶的活性会抑制肿瘤细胞在低营养环境中的增殖及生存能力。
联合靶点的抑制效果
在实验验证中,联合敲除 ACSL4 和 ECH1 基因或使用药物干预,展现了较单靶抑制更强的控制转移能力,尤其是在肺转移和肝转移的模型中均看到显著效果。
本研究揭示了 PUFA 脂类在癌症转移过程中承担的双重角色——既参与膜流动性调控,提升外渗效率,也为β-氧化提供能量支持,促进远端定殖与扩展。此外,研究强调了 ACSL4 的重要性,其贯穿了 PUFA 代谢途径的多个环节,并首次将其明确定位为抗转移治疗的潜力靶点。研究表明,针对 PUFA 脂类代谢的多位点联合干预,有可能为治疗高转移性恶性肿瘤开启新的治疗方向。
作者在文末提到,实验主要依赖免疫缺陷小鼠模型,且部分实验使用的植入方式绕过了转移早期的重要环节。未来需要采用更多免疫健全动物模型及自发性转移模型进一步验证。同时,针对 ACSL4 和 PUFA β-氧化路径的高特异性药物仍需开发,以便在模拟临床的条件下评估治疗效果。
本研究为癌症转移机制的深入理解以及抗转移治疗策略的开发提供了重要理论与实验支持,通过新发现的新靶点 ACSL4 及其通路揭开了脂代谢在转移过程中的核心作用。