【NCB】华人科学家揭示肿瘤细胞外泌体miR-105通过MYC依赖性途径重编程基质细胞的代谢从而促进肿瘤的生长

恶性上皮肿瘤不仅包含转化的上皮细胞，而且包含多种类型的非肿瘤细胞，包括成纤维细胞、内皮细胞和免疫细胞。癌细胞与周围基质之间的相互串扰在肿瘤发生中起重要作用。具体而言，肿瘤将相邻的成纤维细胞（结缔组织中最丰富的细胞类型）转化为癌症相关成纤维细胞（CAFs）。CAFs的特征在于纺锤体形状和标志物的表达，例如α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA），并且已知其促进肿瘤生长。CAFs可促进肿瘤发生的机制包括分泌生长因子和细胞因子，这些因子激活肿瘤细胞中的增殖信号传导途径。这种细胞分泌的蛋白质构成细胞外基质的主要成分，已发现CAFs中的成纤维细胞通过创建促癌组织微环境来促进癌症生长。此外，CAFs可通过分泌诱导形成肿瘤脉管系统的内皮细胞的细胞因子来增强肿瘤血管生成。与这些发现一致，较高水平的CAFs与较大的肿瘤和较短的存活时间相关。

已有报道提出了成纤维细胞可以影响肿瘤细胞代谢的假设。已经提出的一个模型是CAFs可分泌被癌细胞吸收并用作能量的代谢物。为了支持这种模型，已经在CAFs表面上检测到与乳酸外排相关的转运蛋白MCT4的表达，而在乳腺癌细胞表面上观察到与乳酸摄取相关的乳酸受体MCT1。细胞外囊泡越来越被认为是通过转移大分子包括RNA、DNA、蛋白质和脂质进行细胞间通讯的机制。已有研究显示外泌体介导癌细胞-CAF通讯。例如，已经发现慢性淋巴细胞白血病衍生的外泌体重编程周围细胞以呈现CAF样表型。外泌体也与癌细胞的代谢有关。已经发现乳腺癌细胞分泌含有miR-122的外泌体，进而减少周围细胞对葡萄糖的摄取。因此，癌细胞可用的葡萄糖增加，进而能够更好地转移。外泌体也可以从CAFs传播到癌细胞。据报道，CAF衍生的外泌体提供癌细胞可用作能量并抑制癌细胞中线粒体氧化磷酸化的代谢物。

来自加州大学圣地亚哥分校的Shizhen Emily Wang教授团队近日在Nature Cell Biology杂志上发表文章，报道了癌细胞和CAFs通过之前未被认识到的MYC和外泌体依赖性代谢重新连接机制相互作用。该研究显示乳腺癌细胞中的MYC活性导致含有miR-105的外泌体的分泌。当被周围CAFs吸收时，外泌体miR-105激活MYC驱动的代谢程序，CAFs进而通过释放关键代谢物到肿瘤微环境中来促进癌细胞生长。

作者观察到，乳腺癌细胞的胞外囊泡被患者来源的CAFs摄取后诱导了靶细胞中与MYC激活有关的基因表达程序。他们将这一观察结果与MXI1（一种已知的MYC转录活性拮抗剂）的下调联系起来。CAFs中MXI1水平降低导致高MYC活性和已知MYC靶基因（包括糖酵解酶己糖激酶和乳酸脱氢酶）的表达增加。该研究进一步证明了MXI1直接受miR-105抑制，miR-105是一种在乳腺癌细胞来源的外泌体中高表达的microRNA。有趣的是，他们发现miR-105本身通过MYC在癌细胞中诱导，表明通过外泌体miR-105的作用在癌细胞和CAFs之间存在基于MYC的调节轴。

作者提供了多条证据来支持这些观察结论。他们证明了MXI1基因的3'UTR中的序列被miR-105靶向。缺乏3'UTR的MXI1突变体的过表达阻止了CAFs中的MYC激活。总之，通过外泌体miR-105和MXI1，癌细胞中的高水平MYC上调了周围CAFs中的MYC活性（如下图所示）。

图：通过外泌体miR-105介导的CAFs与肿瘤细胞之间的MYC依赖性代谢重新连接模式图

作者然后试图了解CAFs中的MYC活性是否促进肿瘤生长。鉴于许多MYC靶点在调控癌症代谢中的作用已知，作者决定探究MYC如何影响CAFs中的代谢。他们的研究显示，miR-105重编程的CAFs代谢葡萄糖或谷氨酰胺的能力增强。当与标记的葡萄糖或谷氨酰胺一起培养时，与细胞外囊泡预孵育的CAFs细胞内和分泌的代谢物的水平升高，例如乳酸盐和乙酸盐，其可被邻近癌细胞吸收。基因表达谱分析显示miR-105重编程成纤维细胞中负责糖酵解、谷氨酰胺分解和代谢物转运的基因上调，这可能是代谢改变的基础。作者得出结论：miR-105介导的CAFs重编程导致“代谢可塑性”，其有助于葡萄糖或谷氨酰胺的有效消耗，并向邻近细胞提供营养。

此外，重新编程的CAFs也能够消化吸收不属于其通常能量来源的代谢物。例如，如果环境中乳酸盐的含量高，则它们消耗乳酸盐的量增加，这使得细胞外pH值正常化，并且成纤维细胞可以利用其产生乙酸盐、氨基酸和UMP等营养源。有趣的是，miR-105重编程的CAFs也适应于谷氨酰胺消耗和高铵水平的不利条件下，表明其改善了将无机铵转化成氨基酸和分泌谷氨酸的能力。另外，当与谷氨酰胺消耗和高铵条件下的miR-105重编程的CAFs共培养时，乳腺癌细胞也显示存活率的增加。为了提供进一步的体内证据，作者将表达miR-105的乳腺癌细胞与表达anti-miR-105或对照序列的CAFs混合，移植到免疫受损的小鼠中。当与表达对照miRNA的CAFs比较时，表达anti-miR-105的CAFs不能促进共移植的肿瘤细胞的生长。由表达anti-miR-105的CAFs形成的肿瘤代谢注射的标记葡萄糖或谷氨酰胺的能力受损。

最后，作者研究了人类乳腺癌中是否存在类似的MYC活性网络。根据他们的假设，MYC诱导的癌细胞中的miR-105促进周围CAFs中的MYC信号传导，他们发现肿瘤细胞中的MYC活性与基质中的MYC活性之间存在强烈的正相关性。此外，高水平的基质miR-105与低水平的MXI1和高水平的核MYC相关。

先前的研究已经证明了癌细胞与成纤维细胞交流的几种机制，例如通过转化生长因子-β、表皮生长因子和CXC基序趋化因子配体12的分泌。该研究发现的MYC-miR-105-MXI1-MYC途径提供了一种有趣且先前未受重视的机制，通过外泌体miRNA介导的CAFs重编程，以减少靶基因MXI1的表达并激活邻近CAFs中的MYC活性。

已知CAFs通过多种机制促进肿瘤生长，包括分泌生长促进分子和调节细胞外基质的机械性质。在本研究中，作者确定了CAFs向癌细胞提供营养素方面的作用，并赋予它们适应不良代谢条件的代谢灵活性。基于这种独特的支持功能，CAFs允许肿瘤细胞在低或高葡萄糖、低或高谷氨酰胺、以及低或高pH的条件下存活和繁殖。随着肿瘤在不受控制的增殖过程中发展并扩大，营养物质通常被耗尽并且pH水平改变。该研究描述了另一种策略，癌症细胞重新设计并招募周围的细胞来改变它们的微环境，以帮助它们在这些恶劣的条件下生存，甚至茁壮成长。

总的来说，这些发现引发了一些令人兴奋的问题。例如，了解CAFs和肿瘤细胞中MYC活性相关现象是否也适用于其他致癌基因，这一点很有意思。是否存在通过其他癌基因的激活或癌细胞中其他肿瘤抑制因子的失活来调节相邻细胞？该研究发现所提出的通过外泌体miRNA的肿瘤细胞和CAFs之间的串扰的普遍适用性将是进一步研究的有价值的课题。通过外泌体传递的其他miRNA对CAFs重编程同样重要吗？进一步的问题集中于所实现的代谢重编程，例如，人类肿瘤中的CAFs是否将高水平的乳酸、铵或其他代谢副产物解毒以促进癌细胞的存活？目前的工作并没有提供关于肿瘤微环境或正常组织中除了CAFs之外的其他类型的基质细胞是否可能受到所研究的外泌体影响的见解。目前这些发现的转化意义尚不清楚，但了解足够量的外泌体miRNA是否可用于影响人类肿瘤的基质细胞将是有趣的。或者，预防体内肿瘤周围CAFs的MYC活化的策略是否提供了控制肿瘤生长的有效治疗策略？

总之，Shizhen Emily Wang博士的这项工作扩大了我们对CAFs对微环境和癌症生存的贡献的现有知识，并为进一步深入研究打开了许多令人兴奋的途径。

论文摘要：

存在于同一位置的癌细胞和其他细胞采用各种模式进行相互作用来同步和缓冲环境变化的负面影响。胞外miRNAs参与细胞间交流已有报道。该研究展示了一个涉及乳腺癌分泌胞外囊泡包裹miR-105的机制模型，miR-105由癌细胞中的癌蛋白MYC诱导，进而激活肿瘤相关成纤维细胞（CAF）中的MYC信号传导，以诱导一个代谢程序。这导致CAFs显示不同代谢特征以响应代谢环境变化的能力。当营养物质充足时，miR-105重编程的CAFs增强葡萄糖和谷氨酰胺代谢，从而为相邻的癌细胞补充能量。当营养水平低且代谢副产品积累时，这些CAFs将代谢废物转化为富含能量的代谢物，从而清除代谢废物（包括乳酸和铵），达到解毒作用。因此，通过调节共享的代谢环境，miR-105介导的基质细胞代谢重编程有助于肿瘤的持续生长。

通讯作者：

Shizhen (Emily) Wang, Ph.D. 加州大学圣地亚哥分校的Associate Professor。南开大学与内布拉斯加大学联合培养博士，曾在约翰霍普金斯大学和范德堡大学做Postdoctoral Fellow。目前课题组研究兴趣主要为：肿瘤微环境、肿瘤转移、细胞外miRNA、细胞外膜泡。王博士前期发表过多篇高影响因子的外泌体研究文章，如Scientific reports（2014）、Cancer Cell（2014）、Nature cell biology（2015）等。

参考文献：

Yan, W., et al. (2018). "Cancer-cell-secreted exosomal miR-105 promotes tumour growth through the MYC-dependent metabolic reprogramming of stromal cells." Nat Cell Biol. doi:10.1038/s41556-018-0083-6

Coller, H. A. (2018). "MYC sets a tumour-stroma metabolic loop." Nat Cell Biol. doi:10.1038/s41556-018-0096-1

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