医学顾事红蓝融合 中华医学会理事 神经外科教授
作者探究睡眠剥夺(SD)如何影响肺癌的发展。研究发现，SD可以加速肺癌的发生和进展，促进肿瘤细胞的增殖和干性特性。机制上，SD通过上调脂肪酸氧化(FAO)相关基因和代谢物，导致肺肿瘤组织中FAO节奏的紊乱。进一步实验证明，FAO介导了SD增强肺癌干性表型的作用。使用FAO抑制剂能够逆转SD对肺肿瘤生长和干性的促进作用
1、脂肪酸氧化（FAO）意识到睡眠不足增强的肿瘤发生背后的昼夜节律中断
2、 ACSL1驱动ZDHHC5介导的CLOCK-cys194棕榈酰化以稳定CLOCK蛋白
3、 定时内啡肽重置CLOCK/ACSL1节律以逆转睡眠不足增强的肿瘤发生
4、 睡眠质量、内啡肽和ACSL1预测肺癌预后
近日，中山大学刘强等在Cell Metabolism上发表题为: Oncogenic fatty acid oxidation senses circadian disruption in sleep-deficiency-enhanced tumorigenesis的研究性论文。
昼夜节律紊乱预示着不良的癌症预后，然而在睡眠不足增强的肿瘤发生中昼夜节律紊乱是如何被感知的仍是未知的。在睡眠不足增强的肺肿瘤发生过程中，脂肪酸氧化(FAO)作为昼夜节律传感器从时钟中断传递到致癌代谢信号。无偏性转录组学和代谢组学分析均显示，脂肪酸氧化感知到SD诱导的昼夜节律中断，如由长链脂肪酰基辅酶A合成酶1 (ACSL1)催化的棕榈酰辅酶A (PA-CoA)持续增加所示。在机制上，SD失调的CLOCK超激活ACSL1产生PA-CoA，从而以依赖ZDHHC5的方式促进CLOCK-cys194s-棕榈酰化。这种正转录-棕榈酰化反馈回路阻止了CLOCK的泛素-蛋白酶体降解，导致FAO感知的昼夜节律中断，以维持睡眠不足增强的癌症干性。有趣的是，定时β-内啡肽重置节律时钟和Acsl1的表达，以减轻睡眠不足增强的肿瘤发生。睡眠质量和血清β-内啡肽与癌症患者的癌症发展和CLOCK/ACSL1表达呈负相关，提示凌晨补充β-内啡肽是SD相关癌症潜在时间治疗策略。
1、脂肪酸氧化感知睡眠不足对昼夜节律的破坏
图1. 脂肪酸氧化察觉到睡眠不足导致的昼夜节律紊乱
作者采集了野生型小鼠肺组织，对照组(Ctrl)和睡眠剥夺组(SD)在不同时间点进行转录组和代谢组学分析。睡眠剥夺可以导致小鼠觉醒时间增加，NREM和REM睡眠时间减少，验证了睡眠剥夺模型的建立。RNA测序分析发现，有3284个基因在睡眠剥夺条件下丧失了日周节奏，其中以脂质代谢相关生物过程(尤其是脂肪酸氧化， FAO)最为富集。FAO相关基因在对照组显示明显的节奏性，但在睡眠剥夺组中丧失。代谢组学分析也发现，睡眠剥夺条件下肺组织中脂质代谢物的节奏性显著降低，其中游离脂肪酸(FFA)占比最大。对比分析发现，有47种脂质代谢物在睡眠剥夺组中丧失节奏性。综上所述，该研究证实了睡眠剥夺通过影响肺脂肪酸代谢相关基因和代谢物的节奏性，导致肺组织脂质代谢失衡。
2、脂肪酸氧化节律紊乱导致SD诱发的肺癌发病
图2. 脂肪酸氧化节律紊乱导致SD诱发的肺癌发病
作者探究睡眠剥夺(SD)如何影响肺癌的发展。研究发现，SD可以加速肺癌的发生和进展，促进肿瘤细胞的增殖和干性特性。机制上，SD通过上调脂肪酸氧化(FAO)相关基因和代谢物，导致肺肿瘤组织中FAO节奏的紊乱。进一步实验证明，FAO介导了SD增强肺癌干性表型的作用。使用FAO抑制剂能够逆转SD对肺肿瘤生长和干性的促进作用。此外，SD还增加了ATP和acetyl-CoA等FAO终产物在肺肿瘤中的表达，并出现节奏紊乱。总之，该研究阐明了睡眠障碍通过扰乱肺脂质代谢参与肺癌发展的机制。
3、ACSL1感知SD诱导的CLOCK心律失常，促进肺肿瘤发生
图3. ACSL1感知SD诱导的CLOCK心律失常，促进肺肿瘤发生
作者探讨睡眠剥夺(SD)如何通过扰乱ACSL1基因的节奏性来促进肺癌的发展。核心时钟基因CLOCK和BMAL1与ACSL1表达呈正相关，CLOCK可以结合ACSL1启动子上的E-box2位点，转录激活ACSL1的表达。SD处理可以破坏CLOCK基因的节奏性，使其在肺肿瘤组织中持续高表达，而不影响BMAL1的表达。在小鼠肺癌模型中，缺失CLOCK基因可以阻止SD促进肺癌发展和干性增强的作用。敲减CLOCK可以降低细胞的氧消耗速率和干性表型，而过表达ACSL1可以逆转这些表型的变化。综上所述，该研究揭示了SD通过扰乱CLOCK-ACSL1轴来促进肺癌干性和进展的分子机制。
4、β-内啡肽振荡的恢复可恢复CLOCK/ACSL1节律以改善肺癌的病变
图4. β-内啡肽振荡的恢复可恢复SD干扰的CLOCK/ACSL1节律，从而改善肺癌的发病
作者β-内啡肽(Endor)能够显著下调肺癌细胞中CLOCK和ACSL1的mRNA表达。在睡眠剥夺(SD)条件下，每天早上8点给予Endor(ZT8-Endor)能够有效逆转SD促进的肿瘤生长，而晚上8点给药(ZT20-Endor)或持续给药(pump-Endor)的抑瘤作用不如ZT8-Endor。SD干扰了Endor的节奏性，使其保持在较低水平。ZT8-Endor能够更好地恢复SD扰乱的CLOCK和ACSL1节奏，从而有效抑制SD增强的肿瘤干性表型。ZT8-Endor在小鼠肺癌模型和PDX模型中，都能有效逆转SD促进的肿瘤生长和干性增强。总之，该研究提出了时间协同给药Endor的潜在应用价值，为利用生物节奏调控肺癌治疗提供了新思路。
5、睡眠质量和β-内啡肽(Endor)水平与肺癌患者中CLOCK/ACSL1表达和不良预后呈负相关
图5.睡眠质量和β-内啡肽水平与肺癌患者中CLOCK/ACSL1表达和不良预后呈负相关
前瞻性研究中，评估了66名肺癌患者的主观睡眠质量和血清Endor水平，发现Endor水平与更多深睡眠和REM睡眠呈正相关，而与清醒次数呈负相关。60名患者的客观睡眠质量评估(PSQI量表)也显示，血清Endor浓度与睡眠质量评分呈负相关。这些临床数据表明，睡眠障碍与较低的Endor水平和更晚期的肺癌进展相关。Endor高表达组与CLOCK、ACSL1、CD166和Ki-67的表达呈负相关。ACSL1的表达也与CLOCK、CD166和Ki-67的表达呈正相关。Kaplan-Meier生存分析显示，血清Endor高水平和CLOCK、ACSL1、CD166、Ki-67低表达与更好的预后相关。肺癌组织中CLOCK和ACSL1蛋白明显高于正常组织。
综上所述，这些临床证据支持睡眠障碍、Endor、CLOCK和ACSL1作为肺癌独立预后因子的观点，为未来肺癌早期诊断和个体化治疗提供了新思路。
在这里，研究发现，脂肪酸氧化(FAO)可以感知生物钟紊乱，在睡眠剥夺(SD)条件下加重肺癌的发生和进展。SD通过扰乱CLOCK的节奏性，导致CLOCK过度激活ACSL1的转录，进而加速FAO，增强肺癌干性和肿瘤生长。反过来，ACSL1合成的棕榈酰化CoA诱导ZDHHC5对CLOCK蛋白在Cys194位点的S-棕榈酰化，抑制泛素-蛋白酶体降解通路，稳定CLOCK蛋白。恢复β-内啡肽(Endor)的节奏可以修复受损的CLOCK和ACSL1节奏，逆转SD导致的FAO紊乱和肿瘤干性增强。总之，该研究揭示FAO作为一种感知生物钟紊乱的机制，连接睡眠障碍与肺癌发展，为利用Endor时间给药策略治疗SD相关癌症提供了新思路。
参考文献
Peng F， Lu J， Su K， et al. Oncogenic fatty acid oxidation senses circadian disruption in sleep-deficiency-enhanced tumorigenesis. Cell Metab. Published online May 14， 2024.
