《Cell Death Discovery》：Integrative insights into the role of CAV1 in ketogenic diet and ferroptosis in pancreatic cancer
编辑推荐：
胰腺癌死亡率高、治疗手段有限，新兴的生酮饮食或可通过铁死亡（ferroptosis）辅助治疗，但机制不明。研究人员开展胰腺癌生酮代谢与铁死亡分子机制研究，发现 CAV1 是关键分子，多层面调控轴揭示了生酮饮食诱导铁死亡机制，为胰腺癌辅助治疗提供潜在靶点。
胰腺癌，这一被称为 “癌中之王” 的恶性肿瘤，长期以来困扰着医学界。其死亡率极高，几乎与发病率持平，预计到 2030 年，在美国它将成为癌症相关死亡的第二大主因。目前，胰腺癌的主要治疗手段是化疗和手术，但仅有 15 - 20% 的患者在确诊时符合手术条件。代谢异质性靶向治疗虽引发关注，可胰腺癌代谢环境复杂，相关新兴辅助治疗的分子机制仍不明确。
在众多细胞死亡方式中，铁死亡（ferroptosis）作为一种独特的非凋亡细胞死亡形式，依赖 Fe2+且伴随着脂质过氧化，在肿瘤抑制中发挥重要作用。同时，生酮饮食（一种高脂肪、低碳水化合物的饮食模式，可使血液中酮体水平升高）也被报道能增强多种抗肿瘤治疗效果，甚至在癌症恶病质小鼠模型中可诱导肿瘤细胞铁死亡。然而，生酮代谢与铁死亡之间的具体联系及关键调控蛋白仍有待探索。
在此背景下，第四军医大学的研究人员展开了深入研究。他们通过多数据库整合分析、多种算法筛选基因、构建风险模型等一系列操作，旨在揭示胰腺癌中生酮代谢与铁死亡之间的分子机制，并确定潜在治疗靶点。研究成果发表于《Cell Death Discovery》。
研究人员开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。数据层面，从 TCGA 数据库获取胰腺癌（PAAD）肿瘤样本 RNA 测序数据，从 GTEx 数据库获取正常胰腺组织数据，从 GEO 数据库获取单细胞 RNA 测序（scRNA - seq）数据。分析方法上，利用 R 软件及相关 R 包进行差异表达基因（DEGs）分析、基因共表达网络构建（WGCNA）、生存分析、表型评分计算等。实验技术方面，进行细胞培养与处理，运用蛋白质免疫印迹（Western blot）、免疫沉淀（IP）、共免疫沉淀（Co - IP）、定量实时荧光定量 PCR（qRT - PCR）、免疫荧光染色等技术探究分子机制，还构建了小鼠肿瘤模型验证研究结果。
研究结果如下：
- 酮体和铁死亡相关差异表达基因特征相似：研究人员整合数据集后，在 PAAD 和正常胰腺组织间鉴定出 7184 个 DEGs。WGCNA 分析得到 14 个基因表达模块，其中 MEturquoise 模块与 T 和 N 分期关联紧密。进一步分析发现，酮体相关 DEGs 和铁死亡相关 DEGs 在脂质代谢、氧化还原酶活性等生物学过程和信号通路中存在富集，表明二者存在交叉功能和相互作用。
- 生酮代谢和铁死亡基因可预测患者预后：通过单因素 Cox 回归、LASSO 回归等方法，研究人员筛选出与 PAAD 患者预后相关的基因，构建了生酮和铁死亡风险模型。风险模型的受试者工作特征（ROC）曲线下面积（AUC）显示，两个模型在预测患者预后方面都有良好的准确性，且低风险评分患者预后更好。
- 生酮代谢与铁死亡表型内在相关：计算 PAAD 样本的生酮和铁死亡表型评分，发现二者均高于正常组织且呈正相关。免疫浸润分析表明，这两种表型与多种免疫细胞浸润相关。通过构建蛋白质 - 蛋白质相互作用（PPI）网络，确定了 CAV1 在生酮代谢和铁死亡关联中的核心作用，二者通过脂质代谢和 TGF - β 通路相互连接。
- 两种表型在单细胞水平的表达：重新分析 scRNA - seq 数据，发现生酮和铁死亡表型主要在肿瘤细胞中表达，CAV1 也高度富集于肿瘤细胞。通过多重免疫荧光染色证实，CAV1 在 CK18 上皮细胞中高度富集，且 CK18 与 CAV1 表达呈正相关。
- β - 羟基丁酸（Na - OHB）通过下调 CAV1 诱导胰腺癌细胞铁死亡：用不同浓度 Na - OHB 处理胰腺癌细胞，发现 CAV1 蛋白表达下调，细胞死亡增加。加入铁死亡抑制剂 Fer - 1 后，细胞死亡受抑制，证实 Na - OHB 诱导的细胞死亡为铁死亡。过表达 CAV1 的细胞对 Na - OHB 诱导的铁死亡具有抗性。
- CAV1 对铁死亡相关基因的调控作用：CAV1 可通过激活 AMPK/NRF2 通路转录激活铁死亡相关基因，并稳定 SLC7A11 蛋白。Na - OHB 处理后，AMPK/NRF2 通路活性降低，SLC40A1 和 SLC7A11 转录和蛋白水平下降。Co - IP 实验证实 CAV1 与 SLC7A11 相互作用，敲低 CAV1 会增加 SLC7A11 的泛素化和降解。
- CAV1 水平影响胰腺癌细胞铁死亡敏感性：对比野生型、CAV1 过表达和 CAV1 敲低的胰腺癌细胞对铁死亡诱导剂 RSL3 的敏感性，发现 CAV1 过表达增强细胞对铁死亡的抗性，敲低 CAV1 则使细胞更敏感。敲低 CAV1 还会导致细胞内脂质 ROS 水平升高，线粒体膜电位和质量下降。
- 生酮饮食对小鼠肿瘤模型的影响：构建生酮饮食和正常饮食的荷瘤小鼠模型，发现生酮饮食可提高小鼠血液酮体浓度，降低肿瘤负担，减少 CAV1 和 SLC7A11 表达，同时增加肿瘤组织中铁死亡标记物 4 - HNE 和 8 - OHdG 水平。
研究结论和讨论部分指出，该研究确定了 CAV1 是胰腺癌中生酮代谢与铁死亡之间的关键连接分子。多层面调控轴解释了生酮饮食诱导铁死亡的机制，为胰腺癌辅助治疗提供了潜在靶点。生酮饮食在肿瘤治疗中的应用存在争议，可能因肿瘤类型、血清酮体水平等因素而异。CAV1 在不同细胞类型中的表达差异可能反映肿瘤发生或治疗效果的适应性变化，其与肿瘤细胞生酮代谢的关系还需进一步研究。此外，研究存在一定局限性，如 TCGA 中 PAAD 数据集和 GTEx 中正常胰腺组织数据样本来源有差异，可能引入偏差。但总体而言，该研究增强了对胰腺癌中生酮代谢和铁死亡相互作用的理解，为胰腺癌治疗提供了新的理论依据和潜在方向，有望为胰腺癌患者带来新的希望。
下载安捷伦电子书《通过细胞代谢揭示新的药物靶点》探索如何通过代谢分析促进您的药物发现研究
10x Genomics新品Visium HD 开启单细胞分辨率的全转录组空间分析！
欢迎下载Twist《不断变化的CRISPR筛选格局》电子书
单细胞测序入门大讲堂 - 深入了解从第一个单细胞实验设计到数据质控与可视化解析
下载《细胞内蛋白质互作分析方法电子书》
