【导读】癌症是一种涉及复杂分子网络的全身性异质性疾病。肿瘤的形成涉及上皮-间充质转化(EMT)， EMT促进肿瘤细胞的转移和可塑性。最近的实验表明，癌细胞可以通过药物的联合作用转化为脂肪细胞。然而，从分子网络的角度来看，这些药物的作用机制仍然难以捉摸。

9月11日，复旦大学与天津中医药大学研究人员合作共同在期刊《Advanced Science》上发表了研究论文，题为“Energy Landscape Reveals the Underlying Mechanism of Cancer-Adipose Conversion in Gene Network Models”，本研究采用系统生物学方法，结合数学建模和分子实验，基于其底层的分子调节网络，识别出四种吸引子，分别对应于上皮细胞(E)、间质细胞(M)、脂肪细胞(A)和部分/中间上皮-间质转化(P)细胞状态的CAC景观。景观和过渡路径结果表明，中间状态在癌症向脂肪转化过程中起着关键作用。通过景观控制方法，识别出两种新的药物组合治疗策略，以促进CAC。这些预测在不同的细胞系中通过分子实验得到验证。计算和实验相结合的方法为探索癌症网络中细胞命运转换的分子机制提供了有力工具。本研究结果揭示了控制CAC的中间细胞状态的潜在机制，并识别出新的潜在药物组合以诱导癌症脂肪生成。

背景知识

01

癌症的形成是一个由多重过渡状态所控制的复杂过程，这些过渡状态受底层基因调控网络的调控。肿瘤细胞会经历上皮-间质转化（EMT）和间质-上皮转化（MET），以实现可塑性和转移。EMT过程增强了癌细胞的可塑性，并被认为有助于癌症转移。有人提出，经历EMT和/或MET的细胞进入一种高度可塑的状态，这可能为治疗干预提供了关键窗口。例如，最近的研究表明，通过特定的治疗方法，癌细胞可以转化为脂肪细胞。然而，目前尚不清楚驱动这种癌症-脂肪转化（CAC）的机制。这促使研究人员探索控制CAC中细胞命运决定的分子调控网络。

动态建模方法为分析生物网络的功能和行为提供了有效的工具，例如用于研究EMT和癌症网络。同时，由于细胞内和作用于细胞的外部波动的存在，需要考虑细胞命运决定的随机描述。基于经典沃丁顿表观遗传景观隐喻的能量景观理论已被开发用于研究基因调控网络的随机动力学，例如在发育和癌变过程中发生的情况。从景观视角来看，细胞类型可以由景观上的吸引力盆地来表征，这反映了不同细胞类型的出现概率。具有较低势能（或较高概率）的状态代表吸引子或具有生物学功能的状态，构成吸引力盆地或稳定状态。从这个角度来看，如肿瘤发生或分化等生物学过程可以被理解为从一个吸引子状态到另一个状态的基因表达状态空间中基因调控网络的过渡。此外，可以通过最小作用路径方法从景观中量化吸引子或细胞类型的动态转换路径。这些方法可以揭示转换过程中基因激活或失活的顺序，并作为探索细胞从癌变到成为脂肪细胞转换机制的强大概念/理论工具。

分子实验验证了联合用药诱导癌细胞成脂的有效性

02

研究人员选取肝癌(Hep3B、Huh-7)、乳腺癌(MDA-MB-231)和结直肠癌(SW480、SW620)侵袭性细胞株建立ZEB1过表达模型进行实验验证。过表达ZEB1后，细胞的体积和增殖率增加。罗格列酮处理24 h后细胞形态趋于圆形。在Hep3B和MDA-MB-231细胞系中克隆形成实验表明，ZEB1过表达促进细胞增殖，罗格列酮处理可抑制其增殖。为了评估脂滴的积聚，研究人员使用油红染色，观察到与ZEB1单独过表达相比，ZEB1过表达和罗格列酮联合处理的脂滴形成增强。

罗格列酮联合过表达ZEB1促进肿瘤细胞向脂肪细胞转化

研究人员通过蛋白质免疫印迹实验和qRT-PCR分析了脂质代谢和脂肪生成标记物，包括PPARγ， C/EBPα和Fabp4，发现ZEB1和罗格列酮一起过表达显著促进脂质代谢和脂肪生成。在肝癌(Huh-7)和结直肠癌(SW480, SW620)细胞中观察到类似的结果。BODIPY脂质染色进一步证实了联合治疗后脂滴的增加。此外，通过划痕实验和迁移实验来探讨对肿瘤细胞侵袭性的影响。结果表明，ZEB1的过表达增强了肿瘤的侵袭性，而随后的罗格列酮治疗显著降低了这种作用，影响了肿瘤细胞的迁移。值得注意的是，研究人员使用的乳腺癌细胞株(MDA-MB-231)是P53突变型细胞株，而肝癌细胞株(Hep3B)是P53野生型细胞株。因此，研究人员的联合药物对有和无P53突变的两种细胞系都有效，这也得到了建模结果的支持。

通过模型预测，研究人员进一步检验了另一种药物组合的影响，即添加罗格列酮和MDM2过表达。值得注意的是，在Hep3B细胞系中，MDM2蛋白水平随着ZEB1的过表达而增加，可能是由于ZEB1通过miR-145间接激活MDM2。MDM2过表达联合罗格列酮促进CAC的作用进一步得到实验证实。BODIPY的免疫荧光阳性染色和BODIPY的流式细胞术检测显示，联合用药后，肿瘤细胞脂滴增加。同时，迁移实验显示过表达MDM2后肿瘤侵袭能力增强，加入罗格列酮后肿瘤细胞迁移能力明显降低。

进一步分析显示，联合用药后SGBS细胞成脂分化(第7天)与我们诱导的细胞相似(MDA-MB-231细胞的相关系数从0.69增加到0.72,Hep3B细胞的相关系数从0.52增加到0.74)，说明联合用药后的癌细胞被诱导成更具有成熟脂肪细胞的特征。综上所述，RNA-seq结果进一步支持研究人员预测的联合药物可以有效诱导癌细胞向脂肪细胞转化。

研究小结

03

综上所述，本研究工作通过基因网络模型提供了对癌症-脂肪转化的全面理解。景观和过渡路径为理解癌症网络中细胞命运决定的潜在机制提供了一个框架，并有助于设计原则，以优化癌症治疗的联合药物策略。

【参考资料】

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新发现！复旦大学/天津中医药大学合作发文：诱导癌细胞转化为脂肪细胞的背后机制