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新文速遞丨bioRxiv酪胺會(huì)促進(jìn)結(jié)直腸癌
結(jié)直腸癌（CRC）是全球第三大常見癌癥，也是癌癥相關(guān)死亡的第二大病因。家族性腺瘤性息肉病、飲食和腸道微生物群等因素是促進(jìn)CRC的危險(xiǎn)因素。此外，研究表明大量食用紅肉或加工肉類和脂肪，纖維攝入量低可能會(huì)增加CRC風(fēng)險(xiǎn)。
酪胺在加工肉類中含量很高，在CRC患者的糞便和粘膜組織中也很豐富。目前僅知曉酪胺會(huì)提高血壓，少量研究表明酪胺與細(xì)胞毒性相關(guān)，會(huì)改變結(jié)腸上皮細(xì)胞中DNA損傷和修復(fù)相關(guān)基因的表達(dá)譜。然而，酪胺對(duì)腸粘膜健康和CRC的影響尚不明確。
2023年5月，帝國理工學(xué)院Jia Li教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表題為“Tyramine promotes colon cancer risk and development by inducing DNA damage and inflammation”的研究成果。該研究假設(shè)源自發(fā)酵食品的酪胺或腸道細(xì)菌對(duì)酪氨酸的代謝會(huì)增加CRC風(fēng)險(xiǎn)并促進(jìn)CRC發(fā)展。作者使用HCT116細(xì)胞系和ApcMin/+小鼠驗(yàn)證這一假設(shè)。原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.130893。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
細(xì)胞實(shí)驗(yàn)：用不同濃度的酪胺水溶液（0.2 mM-6.4 mM，pH=7.01）將HCT116細(xì)胞（人結(jié)腸癌細(xì)胞）分別處理24、48、72h，每孔取一定量用于活率、基因毒性、流式細(xì)胞計(jì)數(shù)分析。用0-1000pg/mL的IL-6處理細(xì)胞24、48、72h用以評(píng)估炎性環(huán)境對(duì)酪胺治療的影響。并對(duì)其進(jìn)行細(xì)胞凋亡、細(xì)胞周期、增殖和DNA損傷分析。
動(dòng)物實(shí)驗(yàn)：將6周齡的ApcMin/+和WT小鼠每天用200µL 3.2 mM、pH=7.01 的無菌酪胺溶液或水（對(duì)照）進(jìn)行口服飼喂，持續(xù) 7 周，在小鼠13周齡時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。在整個(gè)研究過程中每周監(jiān)測(cè)小鼠的食物消耗量、水?dāng)z入量和體重。對(duì)小鼠疾病宏觀體征的發(fā)展進(jìn)行盲評(píng)分，并在第4和7周收集小鼠的尿液和糞便，對(duì)收集的樣本進(jìn)行RNA測(cè)序和1H NMR等分析。
研究結(jié)果
酪胺誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡和DNA損傷
用0-6.4mM的酪胺處理HCT-116細(xì)胞24、48、72h，0.8 mM處理24h酪胺表現(xiàn)出細(xì)胞毒性，在濃度高于1.6mM時(shí)毒性作用可維持至72h（圖1A），低濃度的酪胺未表現(xiàn)出細(xì)胞毒性。在酪胺處理后壞死細(xì)胞發(fā)生的頻率以劑量依賴的方式增加；與對(duì)照組相比，高濃度酪胺處理后，壞死細(xì)胞數(shù)量隨著凋亡細(xì)胞數(shù)量的減少而增加，存在劑量依賴性的壞死（圖1B）。
已知細(xì)胞增殖和DNA不穩(wěn)定性增加是腫瘤發(fā)生的危險(xiǎn)因素，因此，作者探究酪胺是否會(huì)影響細(xì)胞增值和誘導(dǎo)DNA損傷。與對(duì)照組相比，用1.2和1.6 mM的酪胺處理24h后，Ki67陽性細(xì)胞占比明顯升高（圖1C），磷酸化組蛋白 H2AX細(xì)胞形成γH2AX的頻率明顯更高（圖1D），表明細(xì)胞對(duì)DNA雙鏈斷裂的誘導(dǎo)有反應(yīng)。此外，作者使用MN試驗(yàn)評(píng)估酪胺誘導(dǎo)的 DNA 損傷，用1.2和1.6 mM的酪胺處理誘導(dǎo)了MN（微核）的形成（圖1E和1F），表明DNA損傷和染色體畸變的增加。作者在酪胺治療后6h計(jì)數(shù)γH2AX 陽性細(xì)胞，酪胺未誘導(dǎo)顯著的基因毒性效應(yīng)。
圖1. 酪胺降低細(xì)胞存活率的主要原因是壞死，并增加微核和雙核細(xì)胞的數(shù)量
作者觀察到1.2和1.6 mM 的酪胺誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯在G2/M期（圖1G），雙核細(xì)胞的數(shù)量增多（圖1H）。酪胺處理后，發(fā)現(xiàn)G2期γH2AX陽性細(xì)胞的數(shù)量顯著增加，提示DNA修復(fù)機(jī)制的激活（圖1I）。培養(yǎng)基的代謝譜分析顯示，酪胺處理的細(xì)胞和未處理的細(xì)胞分別聚集，表明細(xì)胞周期停滯影響細(xì)胞新陳代謝和養(yǎng)分利用。此外，作者的研究數(shù)據(jù)顯示，IL-6不會(huì)加重酪胺誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性和基因毒性。
總體而言，作者發(fā)現(xiàn)酪胺會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞壞死，促進(jìn)細(xì)胞增殖和DNA損傷，這可能會(huì)破壞基因組的穩(wěn)定性，增加結(jié)腸腫瘤發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。
酪胺影響DNA組織和氧化呼吸途徑
為了探究酪胺的作用機(jī)理，作者將對(duì)照組和酪胺處理組（1.2和1.6 mM處理24h）的細(xì)胞進(jìn)行了RNA測(cè)序。基因表達(dá)譜的PCA圖表明這兩組細(xì)胞間存在顯著差異（圖2A），兩種劑量的酪胺誘導(dǎo)了類似的細(xì)胞反應(yīng)模式，但低劑量組的程度較低。與對(duì)照組相比，在1.6 mM和1.2 mM酪胺處理的細(xì)胞中，總共有524個(gè)和241個(gè)差異表達(dá)的基因（圖2B）。熱圖展示了對(duì)照組和酪胺處理組基因表達(dá)的差異，主要是組蛋白基因下調(diào)以及參與氧化/還原反應(yīng)和氧化應(yīng)激反應(yīng)的基因上調(diào)（圖2C）。
對(duì)涉及生物過程的基因本體論（GO）的通路分析表明，1.6 mM酪胺處理組染色質(zhì)組織和組裝網(wǎng)絡(luò)顯著減少，對(duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控和基因表達(dá)的表觀遺傳控制產(chǎn)生影響（圖2D），這與該劑量下MN出現(xiàn)頻率增加的結(jié)果一致。涉及NADP/NAD的氧化和還原反應(yīng)顯著減少，表明影響到線粒體的功能（圖2E）。IPA 分析一致顯示，酪胺處理后出現(xiàn)氧化應(yīng)激反應(yīng)和DNA損傷修復(fù)增強(qiáng)，同時(shí)NAD信號(hào)通路下調(diào)（圖2F）。此外，與結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)移信號(hào)傳導(dǎo)和腫瘤微環(huán)境相關(guān)的過程也得到增強(qiáng)。為了進(jìn)一步支持酪胺在氧化損傷中的作用，基因集富集分析 (GSEA) 顯示活性氧中基因集的過度表達(dá)（圖2G）。
RNA測(cè)序數(shù)據(jù)分析共同表明，酪胺影響DNA結(jié)構(gòu)并導(dǎo)致氧化應(yīng)激，這可能是其基因毒性和細(xì)胞毒性作用的原因。
圖2. 酪胺改變涉及染色質(zhì)構(gòu)象、氧化還原反應(yīng)和CRC信號(hào)傳導(dǎo)的基因表達(dá)譜和通路
酪胺促進(jìn) ApcMin/+小鼠腫瘤的發(fā)生并增加 WT鼠CRC的風(fēng)險(xiǎn)
基于以上研究結(jié)果，作者進(jìn)一步在ApcMin/+小鼠體內(nèi)探究酪胺對(duì)CRC發(fā)展的影響（圖3A）。小鼠的體重、食物攝入、飲水在整個(gè)研究的各組間無顯著性差異（圖3B-D）。與野生型對(duì)照組相比，無論給藥方案如何，ApcMin/+小鼠脾臟重量顯著增加，血細(xì)胞比容顯著降低（圖3E-F）。然而，各組間的肝臟重量相當(dāng)（圖3G）。酪胺給藥的小鼠，ApcMin/+小鼠的腸道比WT小鼠腸道更短（圖3H），表明酪胺和小鼠的遺傳菌株之間存在相互作用導(dǎo)致腸道長(zhǎng)度的這種表型變化。組織學(xué)分析表明，CRC易感小鼠的不典型增生程度相似，與用藥無關(guān)，酪胺給藥不會(huì)導(dǎo)致組織學(xué)變化（圖3I）。
宏觀評(píng)估表明，接受酪胺給藥的ApcMin/+小鼠患腫瘤的數(shù)量往往更高，尤其是在結(jié)腸中（圖4A）。相較于WT型小鼠，ApcMin/+小鼠患腫瘤的數(shù)量和比例均更高，但在ApcMin/+小鼠中是否給藥酪胺，小鼠患腫瘤的數(shù)量沒有顯著差異（圖4B-E）。酪胺對(duì)結(jié)腸中腫瘤的大小有顯著影響，酪胺給藥的ApcMin/+小鼠結(jié)腸中1-3mm的腫瘤更多（圖4F）。
相比于ApcMin/+小鼠的對(duì)照組，給藥酪胺會(huì)有顯著影響，導(dǎo)致Ki67+細(xì)胞數(shù)量增加（圖4G），β-連環(huán)蛋白的水平在各組中相似（圖4H），這些數(shù)據(jù)表明給藥酪胺促進(jìn)了細(xì)胞的增殖，但不影響Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路。在ApcMin/+小鼠中，是否給藥酪胺的兩組小鼠中γH2AX+細(xì)胞數(shù)沒有顯著性差異，但WT型小鼠中給藥酪胺γH2AX+的細(xì)胞數(shù)顯著高于對(duì)照組，說明酪胺可引起體內(nèi)DNA損傷（圖4I-J）。這些數(shù)據(jù)表明，酪胺促進(jìn)腸道腫瘤APC模式腫瘤的發(fā)生，促進(jìn)了WT小鼠DNA的損傷。
圖3. 酪胺給藥的 ApcMin/+和WT小鼠的表型特征
圖 4. 酪胺促進(jìn) ApcMin/+小鼠CRC發(fā)展并增加WT對(duì)照小鼠CRC風(fēng)險(xiǎn)
酪胺影響ApcMin/+小鼠回腸和結(jié)腸中涉及炎癥和細(xì)胞外基質(zhì)的基因通路
小鼠口服酪胺后，并未在其尿液或糞樣中檢測(cè)出酪胺，表明均已被腸道吸收。為了更深入了解酪胺在體內(nèi)腫瘤發(fā)生中的功能，作者對(duì)ApcMin/+和WT的無腫瘤結(jié)腸和回腸組織進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組分析。分析結(jié)果顯示，酪胺炎癥反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)水平上調(diào)。在酪胺給藥組中，結(jié)腸組織IL-17A基因表達(dá)上調(diào)，回腸組織中性粒細(xì)胞顆粒蛋白基因的表達(dá)水平上調(diào)（圖5A-B）。
GSEA通路分析顯示，給藥酪胺后，結(jié)腸組織中參與細(xì)胞外基質(zhì)組織的基因富集，線粒體活性基因表達(dá)降低。相反，回腸中細(xì)胞外基質(zhì)組織通路和膠原蛋白生物合成通路下調(diào)，表明腸道上皮屏障的變化（圖5C-D）。結(jié)腸和回腸中觀察到的差異歸因于它的生理差異及酪胺與腸道內(nèi)相關(guān)受體的結(jié)合差異。在給藥組，包括細(xì)胞外基質(zhì)糖蛋白和基底膜的通路均下調(diào)，表明腫瘤中上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化和骨髓對(duì)周圍基質(zhì)的侵襲。
圖5. 酪胺促進(jìn)周圍健康腸道組織的炎癥環(huán)境，從而促進(jìn)ApcMin/+小鼠中腫瘤的發(fā)生
酪胺影響WT小鼠回腸和結(jié)腸的細(xì)胞周期和上皮屏障功能通路
研究發(fā)現(xiàn)，與未處理的小鼠相比，酪胺給藥的WT小鼠結(jié)腸中細(xì)胞分裂周期基因（Cdc34b）的表達(dá)顯著上調(diào)，同時(shí)，結(jié)腸和回腸中與上皮屏障功能相關(guān)的基因包括防御素和C型凝集素（Defb14 和Clec2）的表達(dá)水平升高（圖6A-B）。
與只經(jīng)過酪胺給藥的 ApcMin/+小鼠相似，與細(xì)胞外基質(zhì)成分相關(guān)通路的基因在酪胺給藥的WT小鼠結(jié)腸中過度表達(dá)，然而，從G1期到S期的細(xì)胞周期控制減弱，表明細(xì)胞增殖控制減少；蛋白質(zhì)翻譯與合成途徑的基因在酪胺給藥組回腸中的表達(dá)上調(diào)，表明細(xì)胞分裂增加（圖6C-D）。與未給藥的對(duì)照組相比，這些觀察結(jié)果與酪胺給藥的WT小鼠和酪胺處理的HCT116細(xì)胞中更高水平的Ki67+細(xì)胞一致。總的來說，研究數(shù)據(jù)表明，酪胺驅(qū)動(dòng)健康腸道組織中的炎癥環(huán)境，正如ApcMin/+小鼠中IL-17A和Ngp基因的上調(diào)所證明的那樣，并且在Apc缺陷和野生型環(huán)境中與細(xì)胞增殖增加和上皮屏障受損有關(guān)。
圖6. 酪胺改變野生型小鼠上皮屏障功能相關(guān)基因的表達(dá)譜
酪胺促進(jìn)腫瘤微環(huán)境中的致瘤免疫反應(yīng)
酪胺已被證明可以增加巨噬細(xì)胞中炎癥基因的表達(dá)，因此，作者使用流式細(xì)胞術(shù)進(jìn)一步研究回腸和結(jié)腸腫瘤中免疫細(xì)胞亞群的功能。作者在結(jié)腸腫瘤浸潤(rùn)淋巴細(xì)胞（TIL）中的淋巴、先天淋巴和骨髓細(xì)胞中觀察到相似的頻率，但NK細(xì)胞和多形核骨髓源性抑制細(xì)胞（PMN-MDSC）除外（圖7A）。與水處理的 ApcMin/+小鼠相比，酪胺給藥的NK細(xì)胞頻率較低，這伴隨著腫瘤微環(huán)境NK細(xì)胞中NKG2D的平均熒光強(qiáng)度（MFI）的降低（圖7B），表明酪胺可能會(huì)在腫瘤發(fā)生的早期階段損害有效的抗腫瘤反應(yīng)。此外，抑制標(biāo)記物PD-1的MFI在CD8+ T細(xì)胞中顯示出較高的頻率，但未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性（圖7C），表明既往細(xì)胞毒性CD8+ T細(xì)胞活化和潛在耗竭。研究結(jié)果表明，酪胺抑制抗腫瘤免疫反應(yīng)，促進(jìn)腫瘤發(fā)展。
圖7. 酪胺抑制結(jié)腸腫瘤的抗腫瘤免疫反應(yīng)
全文總結(jié)
作者的研究報(bào)道了酪胺對(duì)HCT116細(xì)胞具有細(xì)胞毒性和基因毒性，并誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯和細(xì)胞壞死。參與染色體組織和氧化應(yīng)激的基因表達(dá)水平在酪胺處理的HCT116細(xì)胞中上調(diào)。作者在ApcMin/+小鼠的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，酪胺顯著加劇了腫瘤發(fā)生，誘導(dǎo)了促炎反應(yīng)并增加了細(xì)胞增殖（圖7D）。最重要的是，在用酪胺給藥的小部分WT小鼠中，酪胺誘導(dǎo)了更高水平的DNA損傷，伴隨著細(xì)胞增殖和腫瘤發(fā)生增加的趨勢(shì)。
延伸閱讀：結(jié)直腸癌與動(dòng)物模型
結(jié)直腸癌
根據(jù)WHO統(tǒng)計(jì)結(jié)果，癌癥是全世界的一個(gè)主要死因，2020年近1000萬例（或近六分之一）死亡由癌癥導(dǎo)致。最常見的癌癥是乳腺癌（226萬例）、肺癌（221萬例）、結(jié)腸和直腸癌（193萬例）以及前列腺癌（141萬例）。
ApcMin/+小鼠
APC（adenomatosis polyposis coli）基因編碼的蛋白是一種腫瘤抑制蛋白，充當(dāng)Wnt信號(hào)傳導(dǎo)途徑的拮抗劑。APC-β-catenin-TCF主導(dǎo)的Wnt通路失調(diào)是家族腺瘤息肉病發(fā)生的主要途徑。APC蛋白表達(dá)的缺失或降低可能導(dǎo)致β-catenin免于降解，使游離的β-catenin在胞漿內(nèi)集聚并進(jìn)入核內(nèi)，激活相關(guān)靶癌基因，導(dǎo)致細(xì)胞癌變的發(fā)生。APC蛋白還涉及其他生物調(diào)節(jié)過程，包括細(xì)胞遷移和粘附，轉(zhuǎn)錄激活和細(xì)胞凋亡。
APC-Min（Min: multiple intestinal neoplasia）突變小鼠特指APC基因第850位氨基酸出現(xiàn)突變的C57BL/6J小鼠。APC基因第850位氨基酸從Leu突變成終止密碼子，導(dǎo)致翻譯提前終止。APC-Min小鼠品系采用基因編輯技術(shù)制作，該品系純合子不能存活。高脂飲食條件下，雄性和雌性雜合小鼠有明顯的腸道腺瘤且數(shù)量較多，多見于回腸和空腸。因此，APC-Min小鼠模型是理想的腸道腫瘤模型。
APCMin/+小鼠發(fā)病機(jī)制是突變的基因產(chǎn)物,截短APC蛋白導(dǎo)致腸道上皮細(xì)胞胞質(zhì)β-catenin蛋白的積累而后使其入核與TCF4/LEF轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合啟動(dòng)下游基因CyclinD 1等原癌基因的活化，但是其腺瘤發(fā)生、發(fā)展規(guī)律和其他生物學(xué)特性尚未探索清楚。APCMin/+小鼠與人類家族性腺瘤性息肉病（FAP）表現(xiàn)相似，目前是用于FAP藥物開發(fā)的理想模型。
