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上课笔记|前列腺癌代谢基因表达的空间模型揭示了广泛的异质性和选择性薄弱点
发布日期:2021-03-23浏览:

 

 

晶能学院近期会陆陆续续为大家解读空间转录组文章,小编把上次直播课的笔记整理出来啦,分享给大家!想要观看回放的老师也可以扫描下方二维码观看回放哦!

 

 






















文章概要

 

文章的题目是:Spatial modeling of prostate cancer metabolic gene expression reveals extensive heterogeneity and selective vulnerabilities,这篇文章发表在Scientific reports202010月刊上

 

文章的题目,直译成中文,是《前列腺癌代谢基因表达的空间模型揭示了广泛的异质性和选择性脆弱点》

 

文章的通讯作者,是华盛顿大学,干细胞与再生医学研究所的Wang Yuliang

 






















研究背景






















实验结果分析

 

实验内容的第一部分,肿瘤内代谢基因和途径的空间变化异质性

作者是生物信息专家,他从网络的公开数据库中下载了一组前列腺癌样本的空间转录组数据进行生物信息学分析。

 

这是一个原发前列腺癌病人的样本中,三个位置的肿瘤组织切片。

 

图中,这三个彩色的长方块是这三个切片在原始样本中所处的位置。这三个切片被分别做了编号,它们的编号分别是:1.22.43.3.

 

作者用spatialDE方法分析了在空间上表达有变化的基因。

 

这三片切片中的恶性肿瘤部分,都分别被用彩色线勾划了出来。这勾划出来的部分,是被用免疫组化和空间转录组数据分析这两种方法所确认的。

这是编号为1.2的切片中,两个基因的空间表达。

 

可以看到ACSL5这个基因,它的表达主要集中在癌变的区域,它被spatialDE算法判定是一个空间表达变异的基因

 

LRP1这个基因在整个切片上各处有不规则的表达,它就被spatialDE算法判定为不是空间表达变异的基因。

 

作者举这两个基因做例子,是要说明SpatialDE这个算法,适合用于识别具有明显区域特征的空间表达变异基因。

作者用spatialDE方法来找到的空间表达变异基因,与t-test方法找到空间表达变异基因是不同的。

 

SpatialDE方法找到的空间表达变异基因,在空间上更具有聚集的结构,也就是在空间上是连续的。

 

例如SpatialED方法找到1.2切片中的COX7A22.4切片中的ACSL3,可以看到这两个基因在空间上的表达,有连片、和成簇的特点

 

t-test方法找到的空间表达变异基因,在空间上是更分散的。

 

例如t-test方法找到的1.2切片中的CYP51A12.4切片中的HSD17B8,可以看到这两个基因在空间上的表达,是分散开的散点

 

因此,作者在后面的研究中,都用了spatialDE之个方法

作者比较了三个切片中,癌组织的空间表达变异基因,发现这三个切片中的空间表达变异基因的重合度很低。也就是说,这三个肿瘤组织,各自发展出了各自独特的生存与增殖模式。

 

右边的维恩图,显示了三者的空间表达变异基因的重合情况。

 

可以看到,在三个切片中都被识别为空间表达变异的基因,只有一个,这个基因是前列腺酸性磷酸酶,简称是ACPPacid phosphatase, prostate

 

ACPP是一个已知的前列腺癌marker基因。

ACPP只在编号为3.3的这个切片中,是富集在癌组织部分的,

 

而在1.22.4这两个切片中,都是富集在非癌症组织的部分的。

 

这突显了marker基因在空间上的表达异质性,

这是代谢途径在三个切片中的富集。

 

1.2这个切片中,空间表达变异基因在花生四烯酸(即类花生酸)和脂肪酸代谢通路上富集

 

而在3.3这个切片中,空间表达变异基因在氧化磷酸化和糖酵解通路上富集

值得注意的是,空间表达变异基因在糖酵解和氧化磷酸化中的平均表达谱在肿瘤周围的区域都很高,而在肿瘤本身的范围内却很低。

 

这与先前的发现一致,就是前列腺肿瘤的组织内部的代谢并没有明显升高,但肿瘤周围的组织代谢升高。

 

这一点是与别的类型的肿瘤不同的地方。

作者接着分析了切片中的过氧化物歧化酶和氧化磷酸化的空间表达。

 

过氧化物歧化酶可以保护线粒体免受活性氧的伤害。

 

最左边的这张图,是氧化磷酸化的酶的表达。可以看到肿瘤区域氧化磷酸化相关的基因表达较少

 

第二张图,NDUFB11,它是参与氧化磷酸化的多个基因中的一个代表,从它的表达情况,也可以看到肿瘤区域氧化磷酸化的活性较低

 

右边这张图,是SOD2,中文全称是过氧化物歧化酶2。可以看到SOD2的空间分布,正好与最左边的氧化磷酸化的空间分布相反。

 

这表明尽管前列腺癌细胞的氧化磷酸化活性较低,但是仍处于是较高的活性氧的应激状态,因此需要较高的SOD2的表达。

 

综合上面的这些幻灯片,说明肿瘤活检中代谢基因的表达存在着显著的空间异质性

 

实验内容的第二部分,活检中肿瘤代谢异质性提供了新的针对半胱氨酸和琥珀酸的治疗肿瘤的选择性代谢靶标

作者用mCADRE方法建立了一个基因组规模的代谢网络,为每个肿瘤部分、和非肿瘤部分都建了空间分辨的代谢模型。

 

mCADRE根据周围环境的转录组数据和输入的通用人类代谢网络来推断组织特定的代谢子网络。

 

如图所示,这里粉红色线勾出的区域,是以SPINK1marker基因的肿瘤区域;

 

黄颜色线勾出的区域,是前列腺上皮内瘤变区域,以NPY基因为marker基因;

 

蓝色线勾出的区域,是正常的腺体。

 

中间的维恩图,展示了这三个区域,空间表达变异基因的重叠情况

接着,作者为每个区域构建了一个基因组规模的代谢网络模型,

 

并系统地用计算机摸拟敲除每个代谢基因,看会如何影响细胞增殖。

 

这样,在计算机模拟中确定了16个基因,把这16个基因在计算机模拟中分别做基因敲低,会有选择地杀死肿瘤细胞。

 

先来看SLC3A2SLC7A11这两个基因,这两个基因都参与细胞从周围环境中摄取氨基酸的过程

细胞有两个取得半胱氨酸的途径,一个是从周围环境中摄取,也就是SLC3A2SLC7A11参与的氨基酸转运的这条通路,

 

另一个是细胞自己合成半胱氨酸,也就是下面这个CBS通路。

 

如果细胞已丧失了自己合成半胱氨酸的能力,再被抑制从周围摄取半胱氨酸的途径,那这个细胞就会被抑制。

 

1.2切片的这个肿瘤模型中,没有CBS这个从周围摄取半胱氨酸的通路,

 

那它对SLC3A2SLC7A11的抑制就会很脆弱。

 

在之前的研究中已经发现,在体外培养中,用柳氮磺吡啶(SSZ)来抑制半胱氨酸-谷氨酸逆转运蛋白xCT引起的半胱氨酸耗竭,可以阻断DU-145PC-3这两种前列腺癌细胞系的生长。

 

因为SSZ已被FDA批准用于治疗风湿性关节炎、溃疡性结肠炎和克罗恩氏病,所以把它重新用于治疗前列腺癌,会是一个很有吸引力的想法。

 

预计把SSZ用在治疗雄激素非依赖性的且CBS低表达的前列腺癌上,可能会更有效。

合成琥珀酰辅酶A有两个途径,一个是依赖GTP的琥珀酰辅酶A合成酶,另一个是依赖ATP的琥珀酰辅酶A合成酶。

 

因为琥珀酰辅酶A在能量代谢中占了绝对核心位置,所以如果上述两条合成途径都断掉,那细胞就会因为没有了能量来源来死掉。

 

因为2.4这个切片模型中依赖ATP的途径是缺失的,

 

所以敲低依靠GTP的这酶,会制造出一个肿瘤细胞脆弱点

琥珀酸酯是三羧酸循环中的关键中间体。

 

琥珀酸酯有2个代谢去向,一个是参与血红素合成,另一个是被琥珀酸脱氢酶和富马酸水合酶代谢掉。

 

作者的模型显示,由于富马酸水合酶和琥珀酸脱氢酶在肿瘤细胞中被选择性地减少,这样,肿瘤细胞易受血红素合成途径的选择性抑制。

 

之前已有研究显示,抑制血红素合成对具有富马酸水合酶突变的肾透明细胞癌具有选择性杀死作用。

 

现在,作者的模型表明,在前列腺癌中,也可以利用这种合成致死作用来杀死癌细胞。

 

实验内容的第三部分,肿瘤微环境中脂肪酸代谢的空间异质性提出了新的选择性靶点

乙酰乙酸辅酶A是合成胆固醇的前体,而胆固醇是细胞膜的重要组成部分。

 

合成乙酰乙酸辅酶A有两个途径。一个是通过乙酰乙酸辅酶A合成酶(AACS),

 

另一个途径是通过乙酰乙酸转移酶2ACAT2

 

作者发现在1.2号切片的肿瘤中,缺失ACAT2途径。

 

所以,作者的模型预测,减少AACS,会造成这个肿瘤的脆弱性。

脂肪分解基因LIPF、和脂肪酸合成基因ACSL51.2号切片的肿瘤区域选择性高表达。

 

通过LIPF脂肪分解产生的游离脂肪酸可能是细胞从外面得到游离脂肪酸的一个潜在来源。

 

合成脂肪酸当然也是一个得到脂肪酸的直接来源。

 

而且这两个来源都不消耗氧气。

与肿瘤中所富含的不需要氧气的脂肪分解和脂肪酸合成酶相反,

 

需要分子氧的脂肪酸代谢基因在肿瘤区域的表达下降了,包括:

 

ACSL1,也就是长链脂肪酸-CoA连接酶1

 

SCD,也就是硬脂酰辅酶A去饱和酶

 

FADS2,也就是脂肪酸去饱和酶2

作者通过在模型中,

 

肿瘤富含的ACSL5反应最大化代谢通量,确定了由肿瘤细胞对从头脂肪酸合成的依赖性所驱动的其他选择性代谢负担。

 

作者确信,有几个从头合成脂肪酸的基因被富集出来。

 

这几个基因是:柠檬酸合成酶(CS)、线粒体柠檬酸转运蛋白(SLC25A1)、ATP柠檬酸裂解酶(ACLY)和脂肪酸合酶(FASN)。

 

作者还确定了其它选择性负担,

 

特别是:长链脂肪酸-CoA连接酶1ACSL1)、胞质苹果酸脱氢酶(MDH1)、碳酸酐酶(carbonic anhydrase)、和硬脂酰辅酶A脱饱和酶(SCD)。

 

之前的研究已说明ACSL1对于前列腺癌细胞中的C16,和C18-辅酶A,甘油三酯和脂质的生物合成很重要,

 

而文献支持敲低ACSL1会阻碍前列腺细胞的增殖和迁移,在体内和体外都有这个效果。

除了敲低ACSL1之外,文献还支持ACSL1还可以被小分子Triacsin C抑制。

 

SCD1从饱和脂肪酸产生单不饱和脂肪酸,并且文献支持它对许多种的癌症的启始、增殖和转移很重要,这其中包括前列腺癌。

 

而且文献还支持SCD1的作用可以被它小分子化合物抑制剂,如CAY10566TOFA所抑制。

 

这样,ACSL1SCD1在癌症中起的作用,都有了文献的支持。

 

实验内容的第四部分,花生四烯酸代谢的空间格局

花生四烯酸是前列腺素和白三烯合成的起点,前列腺素和白三烯都具有免疫调节功能。

 

上图是从花生四烯酸开始合成,一直到白三烯和前列腺素的合成途径。

 

通过空间分析,可以看到在编号为1.2的这个切片中,PTGDS是在肿瘤组织中有富集,HPGD也是有富集的,而MGST是在肿瘤组织中减少。

HPGD2.4的癌组织中有富集

 

PTGS23.3的癌组织中有富集

SLCO2A1,它的作用是把前列腺素H2从细胞内转运到细胞外。

 

经过代谢网络模型的分析,发现这个基因对前列腺素的生成很重要。之前的研究表明,阻断SLCO2A1可以减少结肠癌的发生。

 

SLCO2A1可以被药物苏拉明有效地选择性抑制。而FDA已批准苏拉明可以作为药物使用。

 

所以,SLCO2A1就成为很吸引人的治疗前列腺癌的基因靶标。

 

实验内容的第五部分,精氨酸和尿素代谢的空间格局

分析发现,在1.22.4切片中SLC14A1基因表达被选择性地减低

分析大量前列腺癌症患者的样本,发现其中SLC14A1基因的表达显著降低,

 

与正常前列腺组织相比,前列腺上皮内瘤变(PIN,原位前列腺癌和转移性前列腺癌中,都有SLC14A1的降低。

 

另外,在肺癌、尿路上皮癌中,也有发现SLC14A1基因的下调。

精氨酸被用作原料生成L-鸟氨酸,同时生成尿素。尿素再通过SLC14A1转运出细胞。

 

而精氨酸对于生物合成很重要。这样减少精氨酸,就可能减少细胞的其它生物合成过程。

作者在计算机上模拟,让尿素更多地流出细胞,结果发现细胞的生长速度会降低。

 

另外,有文献报道把SLC14A1基因转染进肺癌细胞系H520,发现会阻断这个细胞系形成细胞克隆。

作者通过模型仿真实验还发现,当有SLC14A1引起的尿素增加外流的时候,细胞要增加45倍的精氨酸摄取量,才能把生长速度弥补回来。;

 

所以,作者的模型就预测了:诱导SLC14A1基因的表达,和让精氨酸耗竭,两者结合可能会杀死癌细胞。

 






















总结


 



 

 

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