PNAS：高代谢状态与小鼠和人类癌细胞的昼夜节律紊乱有关

• 在胰腺癌（PDA）小鼠模型中，只有在糖酵解和氧化磷酸化（OxPhos）水平较低的癌细胞中才能检测到强有力的昼夜节律循环。

• 在一组源自人类患者的黑色素瘤细胞系中，代谢活动与昼夜节律循环强度之间存在显著的负相关。

  研究背景：

代谢和昼夜节律之间的相互联系是多细胞生命的基本组成部分，这种相互联系的中断可能与疾病有关。生物钟通过控制不同代谢途径中限速酶的表达来协调哺乳动物关键生理过程的时间。细胞生物钟本身是由一系列转录激活剂和抑制剂组成的转录/翻译反馈回路驱动的。反过来，由生物钟控制的过程，如糖酵解和线粒体代谢，通过消耗和产生代谢物（如烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）、乙酰辅酶A和活性氧）来调节昼夜节律。基本细胞生理学和昼夜节律之间的相互影响对健康成体细胞的正常功能至关重要，但在疾病状态下，这种相互调节可能会产生反馈回路，导致昼夜节律紊乱。然而，许多癌症维持了生物钟功能。在不同的癌细胞类型中，是什么在维持或破坏昼夜节律尚未可知。

癌症往往会进行代谢重编程，而疾病相关的代谢重编程与肿瘤发生和恶性进展有关。这种重编程由细胞对炎症和缺氧性肿瘤微环境的反应驱动，包括通过增加葡萄糖摄取、上调限速糖酵解酶和驱动丙酮酸转化为乳酸，来增强糖酵解和抑制OxPhos的转录程序。

为了探究代谢对独立于遗传变异的昼夜节律调节的贡献，研究人员从来源于KRAS和p53突变诱导的PDA小鼠模型的同源肿瘤细胞克隆库中生成了昼夜节律报告细胞系。首先使用液相色谱-高分辨质谱法（LC-HRMS）进行了代谢组学分析，以区分不同代谢表型。研究人员利用丙酮酸与乳酸的相对水平来评估细胞系的糖酵解和氧化代谢活性。丙酮酸到乙酰辅酶A的转化，推动了三羧酸（TCA）循环产生电子传递链和OxPhos功能所需的电子供体；因此，丙酮酸/乳酸比率高表明对OxPhos的依赖性增加。与此相反，癌症相关的代谢重编程会刺激糖酵解和丙酮酸到乳酸的转化。因此，丙酮酸/乳酸比率低，表明对糖酵解的依赖性增加。PDA细胞系出现了四种不同的代谢表型：丙酮酸和乳酸水平较低的低代谢系（6419）、丙酮酸和乳酸水平较高的高代谢系（6499）、乳酸水平相对于丙酮酸水平较高的糖酵解系（6556）和丙酮酸水平相对于乳酸水平较高的高OxPhos系（2699）。这些品系之间的相对ATP水平也支持这一分类，如：低代谢系（6419）的ATP水平最低，而高代谢系（6499）的ATP水平最高。

研究人员通过荧光霉素转染探究PDA小鼠模型中代谢活动与昼夜节律之间的关联。结果在一组肿瘤细胞克隆的代谢和昼夜节律特征中显示出相当大的多样性。在这些细胞系中，增强OxPhos会削弱昼夜节律循环，而仅在开始时糖酵解水平较低的单一细胞系中抑制OxPhos则增强昼夜节律循环。

此外，在一组人类患者衍生的黑色素瘤细胞系中，研究人员观察到代谢活动与昼夜节律循环强度之间存在显著的负相关，例如，ATP生成水平和基础糖酵解水平最高的细胞系表现出相对较弱的昼夜节律振荡。

综上所述，该研究结果揭示，在小鼠和人类癌症模型中，糖酵解和氧化代谢对昼夜节律有直接和独立的控制。这些发现为癌症中昼夜表型的多样性提供了解释，对了解癌症的进展和治疗具有重要意义。