Cell：跨物种多组学首次证实：慢性代谢应激“预编程”肝细胞癌变

肝脏对慢性代谢应激的适应驱动肿瘤的发生

2025年12月，剑桥麻省理工学院等单位相关研究人员在《Cell》（IF:42.5）上发表了题为“Hepatic adaptation to chronic metabolic stress primes tumorigenesis”的研究论文，首次揭示了高脂饮食（HFD）等慢性代谢应激如何通过影响肝细胞的基因表达和细胞功能，逐步推动肝脏向肿瘤前状态转变，理解这些癌前细胞状态可能为脂肪性肝病患者的早期干预提供了新的科学依据。

亮点概述：

高脂饮食（HFD）降低肝细胞分化和生理输出。
非转化肝细胞在HFD条件下激活应激和再生程序。
这些反应为未来数月后的肿瘤发生埋下伏笔，并可预测生存结局。
确定了代谢和细胞内和细胞间信号传导的关键调控作用。

研究背景：

在高脂饮食（HFD）等慢性应激状态下，细胞必须缓冲外界扰动以维持自身生存，同时维持机体健康所需的组织功能。肝细胞具有广泛的功能和强大的再生能力，然而，在慢性应激条件下这种再生能力可能不足，从而导致进行性组织损伤。例如，长期摄入西方饮食可诱发代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD），可进一步发展成代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH），后者表现为肝脏炎症、纤维化、肝硬化、器官衰竭以及肝细胞癌（HCC）。

虽然流行病学研究显示MASH纤维化程度与HCC风险同步增加，但癌前阶段的突变特征仅在肝硬化患者而非早期纤维化患者中显著增加，且富集于代谢基因而非经典癌基因，提示肿瘤发生可能存在非突变性重塑。鉴于其他器官已有证据表明环境应激可通过非突变机制（如转录或表观遗传改变）促进肿瘤发生，因此推测肝细胞在慢性应激下也可能逐步形成功能失调的细胞状态，这些状态虽不是完全由基因决定，但已经为肿瘤发生做好了准备。

作为慢性应激的典型模型，研究人员构建了一种不涉及外源性遗传或化学损伤的HFD肝脏损伤模型。HFD喂养的C57BL/6小鼠出现了与MASH患者相似的全身性、组织学及功能性共病特征：包括进行性单纯性脂肪变、炎症、纤维化以及自发性HCC的发生。为确定对慢性代谢应激的动态细胞反应，研究人员对HFD和对照饮食（CD）小鼠进行了纵向单细胞转录和表观遗传分析，全面捕获了肝脏各类细胞群体。首先聚焦于MASLD中肝细胞在慢性应激下的渐进性反应，根据基因表达的时间轨迹定义了四类基因表达程序：纵向上调、持续上调、纵向下调和持续下调，分别用于描述基因水平逐渐或持续升高和降低的情况。其中，上调程序分析发现长期代谢应激增加了维持细胞存活和抑制凋亡的基因表达（如Bcl2l1、Cd1d1、Cd59a），且与胆固醇合成和β-氧化相关（如Hmgcr、Hmgcs1、Cpt1a）。而下调程序则包含维持肝细胞身份与稳态功能的核心基因（如Hnf4a、Hmgcs2、Cps1）、分泌蛋白（如补体和凝血因子）和肿瘤抑制因子。有趣的是，尽管上述结果源自非转化肝细胞对慢性代谢应激的渐进性反应，但在饮食诱导的自发性小鼠肝肿瘤中，这些上调和下调程序基因都得到了进一步验证。这部分结果说明长期暴露于HFD等代谢应激下，肝细胞优先保证自身生存而非维持核心功能，揭示了慢性代谢应激驱动肝细胞向肿瘤前状态演化的分子基础。

慢性代谢应激下肝细胞的动态反应

与转录组变化一致，研究人员在蛋白水平上也观察到肝细胞“纵向下调”与“持续性下调”基因的表达显著降低，如HNF4A。同时，还检测到WNT通路靶标GLUL蛋白水平及其阳性肝细胞比例均有所增加。此外，通过将人肝癌细胞HepG2置于富含脂质的培养基中培养的体外实验，独立复现了与体内应激反应一致的转录组改变、脂质积累以及蛋白质合成变化。随后鸟枪法脂质组学分析揭示了肝脏脂质的广泛重塑。结果显示HFD组在6个月和12个月时甘油三酯显著富集，与组织学定量结果一致。甘油三酯总碳数的渐进性增加与延伸酶Hacd1的上调及肝脏再生过程中碳链长度的增加趋势一致。到15个月时，胆固醇和鞘脂相关脂类在HFD组升高最显著。肝脏中胆固醇及胆固醇相关脂质含量的增加，与胆固醇合成限速酶Hmgcr、Hmgcs1以及低密度脂蛋白受体Ldlr的上调，以及Hmgcs2的下调趋势相吻合。此外，鞘脂代谢相关酶Smpd2与Hexa的上调进一步将肝脏的转录状态与代谢重编程联系起来，说明鞘脂不仅可介导MASH进展与肿瘤免疫逃逸，且肿瘤发生前鞘脂的增加可能与非转化肝细胞中参与免疫逃逸的转录响应（如Cd59a和Cd1d1）形成协同作用。

肝细胞代谢应激反应的多模式验证

为明确代谢应激（而非衰老）对肝细胞功能的直接影响，研究人员进一步探究饮食驱动的代谢改变是否足以加剧肝细胞应激反应和肿瘤结局。研究聚焦于HMGCS2的减少，它是酮体生成限速酶，也是“纵向下调”基因表达程序的一部分。结果发现肝细胞HMGCS2表达降低预示HCC患者生存结局更差。为模拟代谢应激驱动的Hmgcs2表达下调，研究人员构建了肝脏特异性敲除小鼠模型（Hmgcs2^fl/fl; Alb-Cre）。发现HFD驱动了不同基因型小鼠诱发脂肪变性，但体重增长与循环血糖水平未受基因型影响。然而，HFD与HMGCS2肝脏敲除的共同作用加剧了肝损伤并升高循环胆固醇水平。随后，通过分析单细胞核RNA测序（snRNA-seq）表达谱，发现HMGCS2缺失显著加速了肝细胞应激反应。HMGCS2肝脏敲除与HFD共同作用下，多种胆固醇合成相关基因（如Hmgcs1、Srebf2、Mvk）表达上调，这与酮体生成和胆固醇合成之间的代谢分支点调控逻辑一致。对人类队列的分析也证实，非转化肝组织中较低的HMGCS2表达预示着未来更高的肝细胞癌风险，这些结果共同支持了代谢重编程在肿瘤启动中的累积效应。此外，公开的人类MASLD/HCC多组学数据分析表明，在人类HCC中“纵向上调”基因表达程序进一步增强，并对HCC患者的生存进行了预后分层，其中高表达预示着更差的预后结局，证实了该组基因程序具有跨物种保守性与临床预后价值。

HMGCS2作为肝细胞应激反应和肿瘤启动调节因子的体内验证

为系统识别调控肝细胞应激反应的转录因子（TFs），研究人员开发了MATCHA计算方法，该方法利用用户指定的基因程序和多组学数据集（可选跨物种）筛选出15个TFs用于后续实验验证。随后在富含脂质的培养基中对人源HepG2细胞进行TFs过表达，并结合单细胞RNA测序（scRNA-seq）、活细胞功能成像和免疫荧光检测进行评估，最终确定了SOX4和RELB在代谢应激反应中的关键作用。体外实验显示，SOX4和RELB过表达能重塑应激相关基因程序，使脂质积累减少但增加ROS和p53水平。临床相关性分析发现，SOX4和RELB表达随MASLD加重而升高，并可预测HCC患者不良预后。随后，通过腺相关病毒介导的SOX4在HFD小鼠肝脏中的过表达进行了体内验证，snRNA-seq结果表明SOX4在体内可驱动并加速肝细胞的转录重编程。SOX4过表达改变了肝细胞应激反应程序并增加了处于活跃增殖状态的肝细胞比例。总之，这部分数据表明肝细胞内在因子足以驱动上述转录应激反应程序，并在饮食诱导的肝应激微环境中增强肝细胞的增殖潜能。

通过人类体外和小鼠体内遗传扰动验证SOX4和RELB 作为肝细胞代谢应激反应调节因子的作用

最后，为将应激反应研究结果拓展至MASH肝硬化组织背景，研究人员对人类MASH肝硬化组织微阵列进行空间转录组学分析，其结果与上述的跨物种多组学分析结果一致。接下来，通过地理回归分析识别疾病相关的细胞间相互作用及多细胞枢纽，发现与极端肝细胞应激反应共定位程度最高的细胞类型是CD9+TREM2+瘢痕相关巨噬细胞。此外，空间信号调控网络分析鉴定出LTB、JAG1和IL32等信号分子是正调控应激反应程序的关键上游因子。这些发现揭示了细胞外在的、空间结构化的信号互作在塑造肝细胞应激反应中的重要作用。