破解衰老致癌的秘密！西湖大学蔡尚团队揭示抗癌关键，为降低老年乳腺癌风险开辟道路

2024年6月17日，

西湖大学蔡尚团队

在Nature Communications杂志在线发表了以衰老和乳腺癌发生为主题的研究成果“Progressive Senescence Programs Induce Intrinsic Vulnerability to Aging-related Female Breast Cancer”。

这项工作在单细胞层面建立了乳腺干细胞在小鼠全生命周期自然衰老过程中的分子时钟，揭示了衰老干细胞的多态性及渐进性，同时构建了正常细胞经衰老进而癌化的潜在途径，阐明了衰老转化过程中的关键节点，并成功筛选到通过抑制衰老降低癌发几率的小分子抑制剂。该研究对降低衰老人群的乳腺癌发生率提供了理论框架及潜在的干预策略。

随着全球寿命的显著延长，癌症发病率和癌症死亡率的负担迅速增加，成为全球人类健康面临的主要挑战之一。研究显示，年龄是绝大多数癌症类型的最大风险因素，癌症的发生率随年龄的上升呈指数增加的态势。尽管在分子、细胞和机体水平的衰老研究方面取得了广泛进展，癌症发生率与年龄之间的指数依存关系长期以来一直存在，其背后的生物学机制仍然不甚明了。

有观点认为，干细胞在衰老过程中通过细胞分裂累积突变进而导致癌化，依此观点，体型大、细胞数多、预期寿命长的动物应当具有更高的癌发几率，然而数据显示，现实生活中这样的相关性并不存在，这也被称为Peto悖论；另一观点认为，随着年龄的增长而累积的衰老细胞可以通过释放衰老相关因子塑造炎症环境，诱导周边正常细胞癌化，这一观点仍缺乏关键的细胞生物学证据，并且与“癌组织细胞具有显著上升的衰老特征”的现象不符。

因此，衰老如何导致癌症增加的深层原因仍然是亟待解决的重要科学问题。了解生理衰老程序如何影响致癌过程成为了尤其重要且必不可少的研究方向，有助于预防癌症的普遍发生。

为了深入研究生理衰老程序影响致癌的机制，白惠茹等人将研究对象聚焦在长生命周期、高转化潜力的乳腺干细胞群。通过流式细胞术富集不同年龄小鼠全生命周期（从2月到29月）乳腺干细胞并进行单细胞测序，作者构建了干细胞随年龄变化的高时间精度的分子动态时钟（图一a）。

通过伪时序分析，作者发现不同年龄的小鼠乳腺细胞明显遵循了时间顺序，来自年轻小鼠的细胞倾向排列在伪时间的早期阶段，而来自年老小鼠的细胞排列在伪时间的后期阶段（图一b）。基因表达谱分析显示，乳腺干细胞在全生命周期中主要由四种状态的细胞构成: 活跃年轻干细胞（a-Young）,休眠年轻干细胞（q-young），早期衰老细胞（e-Sen）及晚期衰老细胞（l-Sen）（图一c-d）。有趣的是，不论是年轻小鼠，还是年老小鼠，都同时具有这四种状态的细胞，只是相对比例有所差异。这提示了小鼠乳腺干细胞具有衰老的多态性，组织的衰老状态可能决定于细胞类型的相对构成，而不是衰老细胞的有无。同时，对于同一年龄的个体小鼠而言也显示出较大的个体差异，某些年轻小鼠个体的衰老细胞也可能较多，这提示个体小鼠的生物学年龄并不完全代表其衰老状态。

图一

为了进一步表征每种细胞状态的生物学特性，作者进行了通路分析。绘制了每个信号通路在伪时间上的活性，以可视化其时间动态。乳腺干细胞群的信号通路在细胞状态转换过程中呈现出了六种不同的动态模式。其中，与DNA复制修复的通路呈显著下降的趋势，（图二）；而与Stress sensing，Inflammation，Senescence，Oncogenic pathway，Stemness相关的信号通路以不同的模式呈现上升趋势。早期衰老细胞（e-Sen）显示出较强的Stress sensing, Inflammation 以及Senescence的信号，晚期衰老细胞（l-Sen）保持了Senescence信号，但是伴随降低的Stress sensing信号和加强的癌相关以及干细胞相关信号。这一发现提示，衰老细胞具有异质性及渐进性，衰老细胞在后期有明显的癌化倾向，可能突破衰老程序导致的细胞周期阻滞。因此，不同衰老细胞的动态变化及相互转化可能为我们提供解析衰老与癌发关系的钥匙。

图二

更有意思的是，基因调控网络信息熵分析显示，从年轻细胞到早期年老细胞（e-Sen），信息熵变化不大，从早期衰老细胞（e-Sen）到晚期衰老细胞（l-Sen），信息熵急剧增加，提示基因表达的混乱度急剧上升（图三a-b）。根据热力学定律，在没有外部干预的情况下，早期衰老（e-Sen）到晚期衰老（l-Sen）的转化比较容易自发完成，因此，干预衰老过程的关键节点可能存在于年轻细胞到早期衰老细胞（e-Sen）的转化过程。为了确定驱动从q-Young状态到e-Sen状态转变的因素，作者利用转录调控网络公共数据库推断每种细胞状态中的关键转录因子，从38个state-specific的转录因子中最终锁定在年轻到早期衰老（e-Sen）中活性显著下降的转录因子Bcl11b（图三c-e）。通过构建knockout小鼠，作者发现Bcl11b的敲除在分子时钟上显著加快了衰老细胞的富集，并且显著提高了药物诱导的乳腺癌发生率（图三f-g）。

图三

那么，逆转逐步老化过程以减少癌症易感性是否可行？作者通过使用多种信号通路的小分子抑制剂药物筛选，最终发现一种双重NF-kB和Jak-Stat抑制剂：TPCA-1可以显著提高Bcl11b的表达（图四a-b），使乳腺细胞恢复年轻细胞特征，并显著降低了乳腺癌随年龄上升的发生率（图四c-g）。

图四

综上，作者建立了乳腺干细胞高时间精度、自然衰老过程的分子图谱，并阐明了连接乳腺老化和癌症易感性的转录调控网络（图五）。

发现乳腺老化过程是不同步且以渐进方式进行的，由早期衰老程序启动，随后是熵增的晚期衰老程序，伴随着癌症相关通路的增加，使其易于患癌。

干细胞因子Bcl11b通过调控下游信号通路进而影响衰老程序。Bcl11b的缺失加速了乳腺老化，并增强了DMBA诱导的肿瘤形成。最后，作者发现了一种药物TPCA-1，可以使乳腺细胞恢复活力，并显著降低与年龄相关的癌症发生率。

该研究提示，干细胞从年轻到衰老并非二元对立过程，而是多步骤，多细胞状态转化的渐进过程，具有特定的路径，这可能是逆转衰老的难点所在。同时，衰老的细胞周期阻滞并不是终端不变的，在衰老的后期过程中，有可能被突破。这些发现，对我们理解和控制老年人群中的乳腺癌癌症发生具有重要的潜在意义。

图五

西湖大学博士研究生白惠茹和刘肖琴为本论文的共同第一作者。西湖大学博士研究生林美贞和科研助理孟媛对本文的研究工作做出了重要贡献。西湖大学博士研究生唐若兰和郭亚静、西湖大学高性能计算中心李南、斯坦福大学Michael F. Clarke参与了本项研究。西湖大学蔡尚研究员为该论文的通讯作者。课题受到了国家自然科学基金的资助。

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关键词： 乳腺癌 致癌 西湖