今天，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。
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。
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。
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。
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）
