CRISPR文库锁定脂代谢基因：癌细胞转移新靶点

CRISPR文库锁定脂代谢基因：癌细胞转移新靶点

癌细胞转移是导致癌症死亡率高的主要原因。为了转移并定植到远端器官，癌细胞可能需要进化出特定的脂质代谢程序，以支持其转移和增殖能力，但是关于癌细胞脂质代谢的调控机制还不清楚。

今天，小源给大家解读一篇发表在顶刊Cell上题为“ACSL4 and polyunsaturated lipids support metastatic extravasation and colonization”的研究论文，该研究结合组学分析以及CRISPR文库筛选方法，揭示了癌细胞转移与多不饱和脂肪酸之间的关联。

文库：人代谢基因敲除文库

筛选方式：体内筛选

筛选策略：

• 1. 两种不同的高转移潜能癌细胞进行体内筛选。
• 2. 经人代谢基因敲除文库一轮筛选后，选取潜在靶基因二次深度筛选。
• 3. 收集癌细胞转移后肿瘤组织，寻找癌细胞转移相关靶点。

1. 癌细胞转移潜能与铁死亡敏感性联合分析

使用MetMap（Cancer Metastasis Map）和CTRP（Cancer Therapeutics Response Portal）数据集联合分析，研究发现具有高转移潜能的癌症类型（如卵巢癌、肝癌和头颈癌）对铁死亡更加敏感。

基于液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）的脂质组学研究发现，与患者的原发性肿瘤细胞相比，转移灶肿瘤细胞表现出更高的多不饱和脂肪酸（PUFA）脂质水平。铁死亡的关键特征之一就是脂质过氧化，而PUFA是脂质过氧化的主要底物。这些结果表明，具有较强转移潜力的卵巢癌细胞可能是由于具有较高水平的PUFA，从而对铁死亡敏感。

图1 联合分析发现铁死亡与癌细胞转移潜能相关

2. CRISPR文库筛选揭示促癌细胞转移基因

代谢适应对于癌症转移是非常重要的，为了寻找促癌症转移相关基因，研究者们使用人代谢基因敲除文库构建了卵巢癌ES-2文库细胞，并进行体内筛选。将ES-2文库细胞皮下注射后，通过对比转移至肝和肺的肿瘤细胞和原位皮下肿瘤细胞之间的差异，发现在肝转移肿瘤和肺转移肿瘤中，一些与膜脂代谢和脂肪酸氧化相关的基因，如TM7SF2、PHYH、PIK3CG和PLA2G4C均被显著富集。

为了进一步验证初筛结果，研究者们使用第一次筛选出的前100个被显著富集或丢失的基因进行了二轮筛选。通过比较分析发现，NMNAT1和HADHB基因在肝和肺转移肿瘤中均显著丢失。此外，不饱和脂肪酸代谢相关基因ACSL4在肺转移肿瘤中也被显著丢失；通过相关性分析也发现ACSL4基因表达量高的卵巢癌细胞也具有更高的转移潜能。

图2 CRISPR文库筛选揭示癌细胞转移调控基因

3. ACSL4促进癌细胞在血液转移过程中外渗

为了确认ACSL4基因在癌细胞转移过程中的作用，研究者通过尾静脉注射ACSL4基因敲除ES-2细胞后，结合免疫荧光，发现静脉注射的ACSL4基因敲除ES-2细胞形成的转移病灶更少、更小，而且这些病灶显示出不寻常的血管内定位，频率很高，表明外渗功能受损。ACSL4作为不饱和脂肪酸合成过程中的关键酶，研究者们推测ACSL4基因敲除后细胞膜流动性可能受损。通过荧光探针以及Transwell检测，研究发现ACSL4基因敲除会显著降低细胞膜流动性，并影响细胞侵袭能力，而通过ARA预处理以提高细胞的PUFA含量，可以提高ACSL4基因敲除ES-2细胞尾静脉注射的肿瘤转移能力。这些结果表明，ACSL4通过调控细胞膜PUFA含量，增强扩散癌细胞的膜流动性和侵袭性来促进转移性外渗。

图3 ACSL4促进癌细胞转移外渗

4. ACSL4还会促进其他癌症细胞转移

研究者进一步使用具有高转移潜能的肝癌细胞SK-HEP-1进行了CRISPR文库筛选，同样发现NMNAT1和ACSL4基因被显著丢失。并且通过ACSL4基因敲除和ARA处理增加细胞PUFA含量，证实了不饱和脂肪酸对癌细胞转移的促进作用。

图4 ACSL4在肝癌细胞CRISPR文库筛选中被显著富集

5. ACSL4和ECH1双重抑制可抑制癌症转移

尽管ACSL4敲除能抑制癌细胞的转移，但是由于肿瘤具有高度侵袭性，后期肿瘤转移负荷仍然难以控制。为了探索抑制肿瘤生长/转移的方法，研究者们通过比较植入后肿瘤中sgRNA丰度和注射前细胞中sgRNA丰度，发现ECI1、ECH1等基因在各种转移瘤中均显著丢失，敲除这些基因也显著抑制了癌细胞的生长。进一步，通过构建ACSL4和ECH1双基因敲除细胞系，研究发现与单基因敲除细胞相比，双基因敲除细胞肺转移负荷明显减少。

图5 ACSL4和ECH1双基因敲除抑制癌细胞转移

通过CRISPR筛选，研究者鉴定出ACSL4是促进血行转移的关键因子，其通过增强细胞膜流动性和侵袭性来促进转移。此外，高PUFA含量的肿瘤细胞依赖ECI1/ECH1进行β-氧化，联合抑制ACSL4和ECH1可有效抑制癌症转移。

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Wang Y, Hu M, Cao J, Wang F, Han JR, Wu TW, Li L, Yu J, Fan Y, Xie G, Lian H, Cao Y, Naowarojna N, Wang X, Zou Y. ACSL4 and polyunsaturated lipids support metastatic extravasation and colonization. Cell. 2025 Jan 23;188(2):412-429.e27.