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研究作者与发表信息

本研究由Ningning Niu、Xuqing Shen、Zheng Wang等学者共同完成，主要通讯作者为上海交通大学医学院附属仁济医院、上海市肿瘤研究所干细胞研究中心的Jing Xue教授。该研究于2024年5月13日发表于 Cancer Cell 杂志（第42卷，第869–884页），论文标题为“Tumor cell-intrinsic epigenetic dysregulation shapes cancer-associated fibroblasts heterogeneity to metabolically support pancreatic cancer”。

研究背景

胰腺导管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC）是一种高度恶性的实体肿瘤，其肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）中大量积聚着肿瘤相关成纤维细胞（cancer-associated fibroblasts, CAFs）。CAFs在肿瘤起始、转移、代谢重编程、免疫逃逸和耐药性中发挥关键作用，并且具有高度的异质性。此前的研究已通过单细胞RNA测序将CAFs分为肌成纤维细胞型CAF（myCAF）、炎症型CAF（iCAF）和抗原呈递型CAF（apCAF）等亚群，但这些分类主要基于KPC小鼠模型和常规人类PDAC样本。肿瘤细胞内在的基因突变和表观遗传失调是否以及如何重塑CAF异质性仍不清楚。

SETD2是一种组蛋白H3K36三甲基转移酶，作为肿瘤抑制因子发挥作用。SETD2突变或缺失在多种肿瘤中常见，包括PDAC。研究团队前期已发现SETD2缺失促进胰腺肿瘤发生和免疫逃逸。然而，SETD2缺失对肿瘤代谢及CAF异质性的影响尚未被系统研究。本研究旨在探究SETD2缺失如何通过表观遗传调控改变CAF亚型，进而代谢性支持胰腺癌生长。

研究流程与实验设计

该研究运用了多种体内外模型和高通量技术，主要工作流程包括以下几个环节。

首先，研究团队利用TCGA-PAAD和QCMG-PAAD两个人类PDAC数据集进行基因集富集分析（gene set enrichment analysis, GSEA），以评估SETD2突变或低表达与氧化磷酸化（oxidative phosphorylation, OXPHOS）等代谢通路的关系。结果显示，SETD2突变或低表达的PDAC中OXPHOS信号显著富集，且该现象不依赖于TP53状态。

其次，研究采用基因工程小鼠模型（genetically engineered mouse models, GEMMs），包括SETD2正常（pdxCre; LSL-KrasG12D, KC）和SETD2缺失（pdxCre; LSL-KrasG12D; Setd2f/f, KSC）小鼠，对10周龄的胰腺肿瘤组织进行单细胞RNA测序（scRNA-seq）。共分析了6190个细胞，识别出6个主要细胞簇，包括腺泡和导管细胞、内皮细胞、成纤维细胞、巨噬细胞、中性粒细胞以及T/NK细胞。进一步对腺泡/导管细胞进行亚聚类，得到3个导管细胞亚群，其中导管#3亚群主要来源于KSC肿瘤，并显著富集OXPHOS、脂肪酸代谢和脂质代谢等特征。通过对分选的肿瘤细胞进行氧耗率（oxygen consumption rate, OCR）检测，证实SETD2缺失肿瘤细胞线粒体呼吸增强。

第三，为了验证OXPHOS对SETD2缺失肿瘤进展的功能贡献，研究团队使用OXPHOS抑制剂gboxin及其体内改造形式s-gboxin处理类器官和小鼠模型。结果显示，来自KSC肿瘤的类器官对gboxin更为敏感，表现为线粒体膜电位下降和干性转录因子（Klf4、Klf5）表达降低。在KSC小鼠中，s-gboxin显著抑制肿瘤生长和肝转移，延长总生存期。在SETD2敲除（Setd2KO）原位移植瘤模型中，s-gboxin也选择性地抑制肿瘤生长和OXPHOS活性。

第四，为明确氧化磷酸化的主要燃料来源，研究者使用不同代谢抑制剂（UK-5099、BPTES、etomoxir）处理分选的肿瘤细胞，发现etomoxir（脂肪酸氧化抑制剂）对SETD2缺失肿瘤细胞的呼吸抑制作用最强，提示脂肪酸氧化（fatty acid oxidation, FAO）是维持其OXPHOS的主要途径。进一步组织学分析显示，SETD2缺失原位肿瘤中存在大量脂滴（lipid droplet, LD）阳性细胞，这些细胞主要表达CAF标志物PDPN而非CK19，表明CAFs是脂质富集基质的主要来源。

第五，研究团队对scRNA-seq中的成纤维细胞进行再聚类，共鉴定出4个CAF亚群（c0–c3）。其中c3亚群主要来源于KC肿瘤，表现出myCAF特征；c2亚群主要来源于KSC肿瘤，高表达Abca8a、Cxcl14和Lpl，并与ABC转运体和脂肪生成通路相关。流式细胞术分析证实，KSC肿瘤中Abca8a+FAP+ CAF比例显著升高，且该亚群含有更多中性脂质和甘油三酯。

第六，为阐明脂质富集CAF形成的分子机制，研究者通过CellChat和CellPhoneDB分析发现BMP信号通路在导管细胞与CAF之间的通讯中起关键作用。具体而言，BMP2在导管#3亚群中高表达，与c2 CAF上的受体（BMPR1α、BMPR2等）相互作用。体外实验表明，Setd2KO肿瘤细胞条件培养基可诱导胰腺星状细胞（pancreatic stellate cells, PSCs）和骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs）发生脂质蓄积，且该作用可被BMP2中和抗体阻断。在体内，敲低BMP2显著抑制Setd2KO肿瘤生长并减少Abca8a+FAP+ CAF形成。此外，敲除BMPR1A也延缓了Setd2KO肿瘤进展。

第七，为验证脂质富集CAF是否通过Abca8a向肿瘤细胞转运脂质，研究者建立了体外脂质脉冲追踪实验。结果显示，来自SETD2缺失肿瘤的CAF能更高效地将荧光标记的长链脂肪酸（BODIPY-C16）转移给肿瘤细胞。过表达Abca8a促进脂质外排和转移，而敲低Abca8a则抑制该过程。进一步将条件培养基按分子量分级发现，10–100 kDa级分（类似高密度脂蛋白颗粒大小）的脂质转移依赖于Abca8a，并且肿瘤细胞摄取该级分脂质需要SR-B1和小窝蛋白相关基因。在体内共接种实验中，敲低Abca8a的永生化PSCs（iPSCs）丧失了对Setd2KO肿瘤生长的促进作用；相反，过表达Abca8a则加速肿瘤生长。此外，在Abca8a敲除小鼠中，Setd2KO肿瘤生长显著减慢。

第八，为揭示SETD2缺失导致BMP2等基因上调的表观遗传机制，研究者进行了H3K27ac和H3K27me3的CUT&Tag测序以及RNA-seq。结果显示，SETD2缺失导致H3K27ac整体水平升高，特别是在基因体区域。整合分析发现339个上调基因同时伴有H3K27ac在启动子和基因体的获得，这些基因富集于ECM受体相互作用、谷胱甘肽代谢、OXPHOS和TGF-β信号等通路。其中BMP2、小窝蛋白相关基因（CAV2、CAVIN2、CAVIN3）、谷胱甘肽代谢基因（IDH1）以及干性相关转录因子KLF4、KLF5等均表现出H3K27ac获得。使用JQ1抑制含溴结构域蛋白可部分抑制SETD2缺失肿瘤的生长、脂质富集基质形成和OXPHOS活性，并降低上述基因表达。

第九，为验证临床相关性，研究者对人类PDAC样本进行了流式细胞术、免疫组织化学染色和患者来源异种移植瘤（patient-derived xenograft, PDX）模型分析。结果显示，H3K36me3低表达的PDAC中Abca8a+FAP+ CAF比例更高，且存在更多脂肪细胞样细胞。在PDX模型中，H3K36me3低表达的PDAC对s-gboxin和JQ1治疗更敏感，而H3K36me3高表达者反应较差。

主要研究结果

该研究获得了以下主要结果。第一，SETD2缺失的胰腺肿瘤中OXPHOS显著增强，且该代谢特征依赖于脂肪酸氧化。第二，SETD2缺失肿瘤中形成一种以Abca8a为标志的脂质富集CAF亚群，该亚群在KSC肿瘤中显著富集，并与肿瘤细胞空间上紧密相邻。第三，肿瘤细胞来源的BMP2通过旁分泌信号驱动CAF向脂质富集表型分化。第四，Abca8a介导脂质富集CAF向肿瘤细胞转运脂质，支持其线粒体OXPHOS和肿瘤生长。第五，SETD2缺失通过异位获得H3K27ac修饰导致包括BMP2在内的多种基因转录重编程，而JQ1可部分逆转这一过程。第六，人类PDAC中H3K36me3低水平与Abca8a+FAP+ CAF比例增加及对OXPHOS抑制剂和JQ1的敏感性增加相关。

结论与意义

本研究揭示了肿瘤细胞内SETD2缺失通过表观遗传重塑CAF异质性的新机制。SETD2缺失导致H3K27ac在基因体区域异位沉积，激活BMP2信号，促使CAF分化为以Abca8a为标志的脂质富集亚群。该亚群通过Abca8a转运体向肿瘤细胞提供脂质，维持其线粒体OXPHOS和肿瘤恶性进展。该发现将CAF异质性与肿瘤细胞表观遗传失调联系起来，揭示了CAF与胰腺癌细胞之间此前未被认识的代谢相互作用。同时，研究提示OXPHOS抑制剂或表观遗传药物可能对SETD2缺失的PDAC患者具有选择性治疗价值。

研究亮点

本研究的亮点包括：第一，首次鉴定出以Abca8a为标志的脂质富集CAF亚群，并将其与SETD2缺失相关联；第二，阐明了肿瘤细胞来源的BMP2信号在CAF脂质分化中的作用；第三，证明了Abca8a在CAF-肿瘤细胞脂质转运中的关键功能；第四，揭示了SETD2缺失通过H3K27ac异位沉积引发转录重编程的机制；第五，在人类PDAC样本和PDX模型中验证了H3K36me3水平与CAF亚型及治疗敏感性的相关性，为SETD2缺陷型PDAC的个体化治疗提供了新的思路。