卜鹏程等Cell子刊警示：健身利器肌酸促癌转移(附2700字专访) | 热心肠日报

今天是第1776期日报。

今天日报的头条，我们特别报道中科院生物物理研究所卜鹏程、301医院陈纲、中科院大连化学物理研究所朴海龙与研究团队，2021 年 4 月 2 日，在国际著名学术期刊 Cell Metabolism 发表的题为 Creatinepromotes cancer metastasis through activation of Smad2/3 的最新研究，首次表明补充膳食肌酸可增强癌症转移，并揭示了背后的分子机制。我们特别附上对该研究共同通讯作者卜鹏程教授的专访，以飨读者。

卜鹏程等Cell子刊突破：膳食补充剂肌酸如何促进癌症转移

Cell Metabolism[IF:21.567]

① 在原位肿瘤小鼠模型中，补充肌酸促进结直肠癌（CRC）和乳腺癌的转移，缩短生存期；② 甘氨酸脒基转移酶（GATM，肌酸合成的限速酶）在CRC和乳腺癌转移组织中高表达，且GATM表达越高，患者预后越差，高表达GATM促进CRC发生肝转移；③ 补充膳食肌酸，或由GATM介导的肌酸从头合成，能够通过单极纺锤体1激酶（MPS1，而非TGF-β受体）活化Smad2/3，上调肿瘤细胞中Snail和Snug的表达，从而促进CRC和乳腺癌的转移、缩短小鼠生存期；④ 敲低GATM、抑制GATM酶活或抑制MPS1活性，能够抑制小鼠肿瘤的转移。

Creatine promotes cancer metastasis through activation of Smad2/3
04-02, doi: 10.1016/j.cmet.2021.03.009

【主编评语】肌酸是一种营养补充剂，能够辅助为肌肉和神经细胞提供能量，尤其在健身爱好者和运动员中被广泛使用。中科院生物物理研究所卜鹏程团队、301医院陈纲团队与中科院大连化学物理研究所朴海龙团队合作，在Cell Metabolism发表的最新研究中却发现，体外补充或者体内合成肌酸可增强癌症转移。该研究通过细胞实验、多种小鼠模型实验以及分析患者样本充分证实，由外源性补充或由GATM介导的内源性合成所引起的肿瘤内肌酸水平升高，可经MPS1活化Smad2/3来上调Slug和Snail的表达，从而促进肿瘤转移。这些发现不仅警示癌症患者或高危人群应谨慎使用肌酸补充剂，也为预防由肌酸介导的癌症转移提供了潜在的干预靶点。（@mildbreeze）

卜鹏程，博士，中科院生物物理研究所、中科院生物大分子科教融合卓越中心研究员，博士生导师，海外高层次人才。近年来以第一作者或通讯作者在 Cell Metabolism（2018，2021）、Cell Stem Cell（2013，2016）、Advanced Science (2021)、Nature Communications（2015），Molecular Systems Biology（2017）、eLife（2016，2018）等杂志发表多篇研究论文，研究结果被包括 Cell Stem Cell、Cancer Discovery 和 Nature Reviews Endocrinology 等杂志专门评论。

问：祝贺卜老师与团队的这项重要研究在 Cell Metabolism 发表！可否请您先介绍一下这项研究的背景由来和团队成员的分工？

在康奈尔大学和杜克大学从事博士后训练期间，我主要研究结直肠癌的发生，尤其关注结直肠癌干细胞不对称分裂调控的机制及其对结直肠癌发生发展的影响。回国后，我把研究方向拓展到结直肠癌的转移方面。因为，结直肠癌极易发生肝转移，且临床上缺乏有效的靶向结直肠癌转移的靶点和药物，所以结直肠癌转移是造成患者死亡的主要原因，也是结直肠癌治疗的困难所在。此外，在所有结直肠癌的病例中，除了 15％病例归因于明确定义的遗传外，高达 85％的结直肠癌是由于饮食等环境因素引起，所以我着重关注营养代谢对结直肠癌转移的影响。

肌酸是一种流行的膳食补充剂，能够有效增加肌肉的质量和力量，因此被运动员和健身爱好者广泛使用。基于肌酸的这一功效，肌酸一度被讨论进入临床试验，以期增强肿瘤患者体质，改善患者的生活质量和治愈率。此外，利用皮下注射小鼠模型，肌酸还被证明能够抑制包括结直肠癌等多种肿瘤的生长。由于该小鼠模型不能有效的研究结直肠癌的转移，所以肌酸对结直肠癌转移的影响还不清楚。总之，肌酸一直以来被认为是一种潜在的对肿瘤患者有益的补充剂和代谢产物。

为了进一步研究肌酸对肠癌转移的影响，我们建立了肠癌的原位小鼠模型，该模型中，我们将肠癌细胞注射在小鼠盲肠壁内，肠癌细胞在小鼠盲肠形成肿瘤，进而转移到肝脏，因此能够较好的模拟肠癌的发生发展过程。我们发现补充肌酸能够在一定程度上抑制小鼠原位肠癌的生长，然而却显著地促进肠癌的转移、缩短了荷瘤小鼠的存活时间。这一现象在乳腺癌的原位小鼠模型中得到了进一步的验证。

肌酸除了可以通过体外补充，还可以在体内合成。进一步利用临床组织和小鼠模型，研究发现肌酸合成的限速酶 GATM 在肝转移的肠癌组织中高表达；抑制 GATM 的表达或者酶活能够显著地抑制肠癌的转移，延长荷瘤小鼠的存活时间。

机制上，我们发现肌酸能够通过激活 TGF-β 下游效应分子 Smad2/3，上调 Slug/Snail 的表达，促进肿瘤细胞的浸润和转移。有趣的是肌酸对 Smad2/3 的激活并不依赖 TGF-β 受体，而是依赖于单极纺锤体 1 激酶 MPS1。肌酸增强 MPS1 的自磷酸化，进而激活 Smad2/3，上调了 Snail 和 Slug 的表达；而靶向 MPS1 能够显著抑制 Smad2/3 通路和肿瘤的转移，并延长小鼠的存活时间。

这个工作的绝大部分实验是由我的博士研究生张丽雯同学完成的，所以她是这个论文的唯一第一作者。此外，感谢301医院陈纲主任为我们提供了必要的临床样本，使得该研究有很好的临床相关性。这个研究中需要对肌酸和甘氨酰胺进行定量，市面上虽然有肌酸测定的试剂盒，但不够灵敏，而甘氨酰胺只能用质谱测定。所以，感谢中科院化学与物理研究所的朴海龙研究员为我们测定肌酸和甘氨酰胺提供强有力的帮助。

问：您们这项研究表明，对于癌症患者而言，较高的肌酸水平可能促进癌症转移，并揭示了相关的分子机制。可否请您从研究者的角度分享一下，这项研究中有哪些重要/有意思的发现？这些发现为现实生活和临床实践带来哪些启示？健康人和非癌症患者补充肌酸会有健康风险吗？

一直以来，肌酸被认为是一种安全的、有益的膳食补充剂，健身爱好者和运动员几乎每天摄取大量的肌酸来提高肌肉的质量和力量。这个研究中我们发现了肌酸坏的一面，即肌酸的从头合成或者体外补充能够促进肠癌的转移，扩展了肌酸抗肿瘤生长的传统认知。我们发现补充肌酸对于健康人群和肿瘤患者有着截然相反的影响，即肌酸能够改善健康人群肌肉质量，然而能够促进肿瘤患者肿瘤的转移。所以，这个研究的第一个意义是对日常补充肌酸的人群起到一个警示作用，尤其对一些试图通过补充肌酸来增强体质的肿瘤患者来说，补充肌酸实际上是在促进肿瘤的进一步恶化。

此外，该研究还提出 MPS1 可能成为潜在的肿瘤转移靶点。临床上，80%的微卫星不稳定性（MSI）肠癌中 TGF 受体 II 基因是突变的，而大多情况下，TGF 受体突变的肠癌细胞中 Smad2/3 处于激活状态。目前临床上还缺乏靶向 TGF 受体突变肠癌的有效药物，而 MPS1 抑制剂能够不依赖于 TGF 受体，通过抑制 Smad2/3 的活性抑制肠癌的转移。因此，MPS1 抑制剂可能是 TGF 受体突变的肠癌有效药物。

问：您课题组 2018 年在 Cell Metabolism 发表的另一项研究中，揭示了果糖代谢促进结直肠癌发生肝转移的现象和机制。这两项研究从不同的角度，揭示了肿瘤代谢在癌症转移中的重要作用，可否请您对此展开谈谈？

对肠癌转移的研究需要理解肠癌细胞如何脱离原发灶，转移到远端组织如肝脏；同时需要理解肠癌细胞转移后，如何在肝脏中定植、生长。2021 年 Cell Metabolism 的工作主要回答了第一个问题，而 2018 年 Cell Metabolism 的工作主要回答了第二个问题。两个工作的共同点是不合适的营养代谢促进结肠癌的转移。

2018 年的工作中，我们利用临床样本和小鼠模型，结合转录组学和代谢组学发现肝脏微环境上调了果糖二磷酸醛缩酶 B（ALDOB，果糖代谢的限速酶）在肝转移肠癌细胞中的表达，使得肝转移肠癌细胞能够利用肝脏中的果糖作为能源供其生长。高果糖饮食能够显著促进肠癌的转移，而无果糖饮食、靶向 ALDOB 能够抑制肠癌的转移，延长小鼠的生存时间；靶向果糖代谢结合化疗药物能够进一步改善肠癌的治疗。

这个工作的一个意义是发现肝脏微环境能够通过重编程肠癌细胞的果糖代谢通路，帮助肠癌细胞在肝脏中定植和生长。很多日常饮食含有大量的果糖，如可乐、果汁、甜点等。人们之前知道高果糖饮食能够引发肝损伤、促进肥胖和糖尿病，但高果糖饮食如何影响肿瘤的发生发展并不清楚，我们的工作发现了高果糖饮食能够促进肠癌的转移及其分子机制。此外，我们正在和医院合作，探索在术前和术后特定时期内给予肠癌患者无果糖饮食，使患者获益的可能性。

问：可否讲讲您课题组的后续研究计划？

上述工作中我们发现，结直肠癌和其转移灶微环境改变了结直肠癌细胞中特定基因的表达，使得这些细胞的代谢发生变化，进而促进结直肠细胞的转移和在转移灶中的定植和生长。然而，这些基因表达的调控机制还不清楚。

我们利用肠癌的原位小鼠模型，获得原位肠癌和肝转移肠癌。随后，对原位和转移肠癌细胞进行了 RNA-seq、ATAC-seq 和 ChIP-seq 的整合分析，发现肝脏微环境通过表观修饰调控了一系列肠癌细胞基因的表达，提示肝脏微环境通过表观修饰调控重编程了肠癌细胞。接下来，我们将进一步深入研究调控这些基因表达的分子机制；并利用 CRISPR/dCas9-KRAB 和 CRSPR/dCas9-HDAC 系统改变这些基因的表观遗传修饰状态，确认这些基因通过表观遗传修饰调控肠癌细胞在肝脏中的生长。我们还将从内因（基因表达对肠癌细胞的影响）和外因（微环境细胞对肠癌细胞的影响）两方面，研究这些基因表达的变化影响肠癌细胞转移和生长的分子机制；结合临床样本和数据，确定基因表达异常的临床意义。

此外，我们在前期的研究中发现了一些潜在的药物靶点，接下来，我们将和制药公司合作，探索进一步的临床转化。

（采访完，以下是今天日报的其他内容）

Cell子刊：细菌易位促进大肠癌肝转移

Cancer Cell[IF:26.602]

① CRC患者CD31+内皮细胞中的PV-1+细胞比例高于健康人，且癌组织与癌旁组织的PV-1+细胞比例相似；② PV-1高表达与远端转移及更短的无进展生存期相关；③ 原发肿瘤中可检测到PV-1+细胞的患者的肝转移灶中有更多细菌，定殖于SOX9+高增殖癌细胞附近；④ CRC小鼠中，肝脏菌群与结肠菌群的相似度高于健康小鼠，且大肠杆菌富集；⑤ 大肠杆菌C17通过毒力调节因子VirF驱动小鼠GVB损伤，到达肝脏以促进PMN形成，而抗生素可抑制GVB损伤，以减少CRC的肝转移。

Gut vascular barrier impairment leads to intestinal bacteria dissemination and colorectal cancer metastasis to liver
04-01, doi: 10.1016/j.ccell.2021.03.004

【主编评语】原发肿瘤产生的因子促进“转移前生态位”（premetastatic niche，PMN）的形成，后者可促进肿瘤的转移。Cancer Cell上发表的一项最新研究发现，结直肠癌（CRC）原发灶中的特定细菌（如大肠杆菌）可破坏肠道血管屏障（GVB），并散播至肝脏促进PMN的形成，以增强对转移癌细胞的招募。在结直肠癌患者中，癌组织与癌旁组织的PV-1（GVB损伤标志物）表达水平均显著升高，并与细菌的肝脏易位、结直肠癌的远端转移及更短的无进展生存期相关。该研究揭示了肠道屏障受损及肠道细菌易位在结直肠癌转移中发挥的重要作用。（@szx）

Nature子刊：全基因组测序深度挖掘转移性大肠癌的分子图谱

Nature Communications[IF:12.121]

① 429例转移性结直肠癌（mCRC）在开始新的全身性治疗前完成活检，进行全基因组测序；② 利用基因组的突变特征可将病人分成3组，原发CRC特征组、既往治疗相关特征组和转移特异性特征组；③ 与原发CRC相比，新鉴定出一些（非编码）驱动基因，其突变频率增加，并鉴定出一些易于被微卫星不稳定性影响的特定基因；④ CRC特定的1Kb-10Mb缺失在常见的脆弱位点富集，LINC00672突变通常与治疗反应有关，FBXW7突变与EGFR靶向治疗的疗效较差有关。

Whole genome sequencing of metastatic colorectal cancer reveals prior treatment effects and specific metastasis features
01-25, doi: 10.1038/s41467-020-20887-6

【主编评语】Nature Communications近期发表的文章，通过对429名转移性结直肠癌（mCRC）患者的活检样本进行全基因组测序，发现mCRC的基因组图谱与原发性CRC具有明显的变化，其受到既往治疗的影响，同时包含与临床治疗相关的特征，或可有助于对mCRC患者的精准医疗。（@爱的抉择）

结直肠肿瘤的化学预防：AGA最新建议

Gastroenterology[IF:17.373]

① 一般风险人群（预期寿命＞10年、有CVD风险但无出血高风险且＜70岁），应使用小剂量阿司匹林来降低结直肠癌（CRC）的发生和死亡，但不应使用非阿司匹林NSAIDs（有心血管和胃肠道不良事件的重大风险）和他汀预防CRC；② 有CRC病史者，考虑使用阿司匹林（不能用他汀）来预防复发性结直肠肿瘤；③ 2型糖尿病和CRC患者，考虑使用二甲双胍来预防前者的结直肠肿瘤发生和降低两病合并的死亡率；④ 不应使用钙或维生素D、叶酸来预防结直肠肿瘤。

AGA Clinical Practice Update on Chemoprevention for Colorectal Neoplasia: Expert Review
02-09, doi: 10.1016/j.cgh.2021.02.014

【主编评语】Gastroenterology近期发表了美国胃肠病协会（AGA）的专家评述，通过对文献的回顾性研究，总结了结直肠肿瘤化学预防的药物使用的临床实践经验，提供了药物使用的最佳实践声明，但缺乏对证据的质量或建议的准确性进行正式的系统审查和评级，临床上应用需谨慎对待。（@爱的抉择）

免疫治疗对哪些患者无效？新方法鉴定肠道菌群标志物

Clinical Cancer Research[IF:10.107]

① 采用综合计算方法，重新分析近期发表的5项免疫检查点抑制剂（ICI）研究（n=303名患者）中16S rRNA扩增子和宏基因组测序数据；② 鉴定到一组和有ICI临床反应（R）和无反应（NR）相关的新型细菌信号，R富集人罗斯拜瑞氏菌，NR富集小韦荣球菌等；③ 基于菌群信号生成整合微生物组预测指数；④ 通过随机效应模型、敏感性和特异性分析发现，NR相关的综合指数显示其信号强度和一致性最好，并且这一结论在三种癌症人群（n=105）中得到验证。

A uniform computational approach improved on existing pipelines to reveal microbiome biomarkers of non-response to immune checkpoint inhibitors
02-16, doi: 10.1158/1078-0432.CCR-20-4834

【主编评语】尽管免疫检查点抑制剂（ICI）通过产生持久的抗肿瘤反应而彻底改变了癌症的治疗，但只有10-30%的患者有反应，并且较难预测患者的临床益处。研究表明肠道微生物组可能是一个新的肿瘤反应率的生物标志物，但影响ICI反应的特定细菌或细菌群落在研究人群中是不一致的。Clinical Cancer Research近期发表的文章，通过设计一种新的综合分析方式，揭示出对ICI无反应的患者的肠道菌群生物标志物，或提出一种新的方法来确定哪些患者将受益于肠道菌群干预措施，提高ICI反应率。（@爱的抉择）

肠隐窝细胞如何参与化疗耐药性

Cancer Research[IF:9.727]

① 在肠上皮中靶向表达肠干细胞/祖细胞标志物MSI1，能增强其对化疗药物5-氟尿嘧啶（5-FU）诱导的细胞毒性的恢复能力；② MSI1表达增加时，Lgr5high干细胞对5-FU仍然敏感，而Lgr5low祖细胞则重编程为耐药表型；③ 这导致表达MSI1的细胞亚群的扩增，提高了对DNA损伤的抵抗力和解毒能力，这是休眠癌症干细胞（CSC）的典型特征，而休眠CSC在化疗后可以重新激活；④ 分析结直肠癌患者显示，MSI1表达水平与肿瘤分级、肿瘤干细胞表型和化疗耐药性相关。

Deciphering the role of intestinal crypt cell populations in resistance to chemotherapy
03-19, doi: 10.1158/0008-5472.CAN-20-2450

【主编评语】肠道隐窝中Lgr5high干细胞负责体内稳态更新，但其他细胞也可转变为干细胞样表型维持上皮的完整性，两者都可认为是结直肠癌（CRC）细胞的来源。肠道干细胞/祖细胞标志物MSI1在肠道稳态中有重要作用，常常在CRC患者中过表达。Cancer Research近期发表的文章，揭示了MSI1在促进损伤后肠道再生的重要性，同时也发现MSI1在化疗耐药性的肠癌干细胞中的新功能。（@爱的抉择）

GPR35如何为大肠癌生长提供“温床”

Gut[IF:19.819]

① 在自发性结肠癌和结肠炎相关结直肠癌（CAC）的小鼠模型中，巨噬细胞中缺失Gpr35可显著抑制肿瘤生长、减少血管生成；② GPR35通过Na/K-ATPase依赖性离子泵和Src活化，促进新生血管生成和基质金属蛋白酶MMP2活性，而用GPR35特异性蛋白肽阻断Gpr35能使CAC小鼠的肿瘤缩小；③ 携带GPR35T108M突变（增加PSC和UC风险）的巨噬细胞，能分泌更多的血管生成因子IL-8和VEGF以及MMP2，其上清液能诱导人微血管上皮细胞形成小管。

Activation of the GPR35 pathway drives angiogenesis in the tumour microenvironment
03-23, doi: 10.1136/gutjnl-2020-323363

【主编评语】原发性硬化性胆管炎（PSC）在70%的病例中与炎症性肠病有关。孤儿G蛋白偶联受体GPR35的T108M突变，可增加患PSC和溃疡性结肠炎（UC）的风险，并导致病情向炎症相关的肝癌和结肠癌发展。在自发性和结肠炎相关的癌症小鼠模型中，缺乏GPR35可减少肿瘤数量。Gut近期发表的文章，发现GPR35通路的激活通过两种不同的途径促进肿瘤生长，一种是通过直接增强表达受体的上皮细胞的增殖，另一种是通过协调巨噬细胞的能力来创造一个允许肿瘤生长的环境——促进新生血管生成。（@爱的抉择）

线粒体自噬蛋白PINK1抑制结肠癌的生长

Cell Death and Differentiation[IF:10.717]

① 与正常大肠相比，人类结直肠癌（CRC）组织中PINK1表达下调；② 两种结肠炎相关CRC模型中，缺失PINK1增加结肠肿瘤生成；③ 小鼠结肠癌细胞中过表达PINK1激活p53信号，促进有丝分裂吞噬和线粒体呼吸，减少糖酵解，而缺失PINK1则减少细胞凋亡和线粒体呼吸，增加糖酵解，p53信号；④ PINK1过表达上调细胞凋亡，抑制小鼠中结肠癌生长，且肿瘤中乙酰-CoA显著降低，这与PDHK1-PDHE1α轴的激活部分相关；⑤ PINK1缺失则促进肿瘤生长和乙酰-CoA的产生。

Mitophagy protein PINK1 suppresses colon tumor growth by metabolic reprogramming via p53 activation and reducing acetyl-CoA production
03-15, doi: 10.1038/s41418-021-00760-9

【主编评语】代谢的重编程是癌症的早期标志，线粒体产生的能量较少，糖酵解产生的能量增加。线粒体自噬蛋白PINK1是有丝分裂吞噬的关键调节因子，通过自噬选择性清除受损的线粒体。有丝分裂吞噬功能的缺陷与大肠癌等多种疾病具有相关性。Cell Death and Differentiation近期发表的文章，发现线粒体自噬蛋白PINK1是一种肿瘤抑制因子，可以调节细胞代谢，促进结直肠癌细胞死亡。机制上，PINK1通过激活p53和减少乙酰-CoA的产生，进行代谢重编程来抑制结肠肿瘤的发生。（@爱的抉择）

多吃水果和蔬菜降低大肠癌发病的机制

Redox Biology[IF:9.986]

① 分别采集11名回肠造口患者食用300g覆盆子前、后的回肠液，在体外进行粪便发酵培养；② 发酵后回肠液中花青素等（多）酚类物质明显减少，而酚酸类和芳香族代谢产物的含量增多；③ 9名回肠造口患者来源的覆盆子后的回肠液发酵产物显著减少DNA损伤（约30%）；④ 覆盆子回肠发酵物质调控氧化应激细胞保护的Nrf2-ARE通路的基因表达；⑤ 分别检测四种酚类代谢产物的作用，发现均可在10-100μM生理相关范围内减轻DNA损伤和调节Nrf2-ARE通路关键基因。

Ex vivo fecal fermentation of human ileal fluid collected after raspberry consumption modifies (poly)phenolics and modulates genoprotective effects in colonic epithelial cells
01-12, doi: 10.1016/j.redox.2021.101862

【主编评语】富含水果和蔬菜的饮食与结直肠癌（CRC）发病率的降低有关，部分原因是生物活性（聚）酚类成分及其肠道菌群代谢物的功能。Redox Biology近期发表的文章，收集回肠造口患者食用覆盆子前、后的回肠液进行体外发酵，发现覆盆子回肠发酵物质可调控氧化应激细胞保护通路Nrf2-ARE的基因表达，显著减少DNA损伤。即结肠可利用的覆盆子（聚）酚类及其微生物衍生的分解代谢产物可能在体内对大肠癌起保护作用。（@爱的抉择）

感谢本期日报的创作者：mildbreeze，szx，花开，临床营养陈彬林，大月半，爱的抉择，高压锅里的水母

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