Nature| RNA-seq助力揭示PM2.5促进肺癌发生发展的新机制

Issuing time:2023-05-24 11:54

导语

癌症(cancer)也称恶性肿瘤，和它相对的是良性肿瘤。癌症是由于机体细胞失去正常调控, 过度增殖而引起的疾病。它是世界上最主要的公共卫生问题，全球每年有六分之一的人死于癌症；在2018年，全世界约有960万人死于癌症，并且癌症负担（Cancer Burden）每年都在不断增加。

肺癌是全球癌症相关死亡的最常见原因。每年有180万人被诊断患有肺癌，160万人死于肺癌。吸烟、环境暴露、空气污染等极大促进了肺癌的发生发展。因此，深入了解肺癌发生的机制和相关治疗靶点对预防、治疗以及提高患者生存率具有重大意义。

根据2020年中国癌症数据统计报告显示，中国癌症新发病例457万例、中国癌症死亡人数300万例，而其中肺癌霸主地位不可撼动，死亡人数亦遥遥领先。

2020年中国癌症新发病例数前十的癌症类型

2020年中国癌症死亡例数前十的癌症类型

PM（大气颗粒物）：是大气中存在的各种固态和液态颗粒物，已被国际癌症研究机构认定为肺癌的主要原因，PM2.5是空气动力学粒径≤2.5μm的颗粒物，可导致人群肺癌的发病率和死亡率升高。

单细胞测序网讯：近日，来自英国伦敦大学癌症研究学院的Charles Swanton教授和他的团队在Nature上发表题为“Lung adenocarcinoma promotion by air pollutants” 的报道。该研究揭示了PM2.5驱动肺癌的新机制，即PM2.5不是直接引起肺细胞中发生癌症突变，而是促进大量巨噬细胞进入肺组织，释放IL-1β创造炎性环境，让肺部原本存在的携带致癌突变（EGFR或KRAS）的正常肺细胞恶变，从而引发癌症。

研究结果

1、肺癌发病率和PM2.5水平

根据之前的相关数据，研究者发现许多致癌物不会在肿瘤中留下可检测的DNA突变特征，而且在从不吸烟的肺癌患者（LCINS）肿瘤中，也没有发现外源性致癌基因突变。之后他们再在分析TRACERx 421队列中的肺腺癌基因组后发现，在7-12%的吸烟者肺癌患者的肿瘤中也没有找到吸烟相关的致癌突变特征。

以上数据促使Swanton团队提出一个假设：空气污染物可能会促进肺组织微环境的炎症变化，使预先存在的突变克隆增殖，进而引发癌症。因此，他们选择研究由EGFR突变驱动的肺癌与空气污染之间的关系。

接下来，他们详细研究了英国、加拿大、韩国和中国台湾肺癌患者基因组数据和当地PM2.5数据，发现与低暴露（＜6.77μg/m³）相比，高暴露（＞7.27μg/m³）3年后，EGFR驱动的肺癌病例的频率明显更高（40% vs 73%，P=0.03）。

他们还分析了英国生物库中407509名参与者的数据，发现PM2.5水平与肺癌总体发病率有关（HR=1.08，P≤0.001）。这说明，空气污染对肺癌的驱动作用不限于EGFR驱动的肺癌。

基于以上研究结果，他们认为，EGFR驱动的肺癌发病率与PM2.5暴露水平之间存在关联，而且3年的空气污染暴露就足以让这种关联显现出来。

2、PM介导的肺癌促进作用

接下来，研究者使用LUAD的基因工程小鼠模型来功能性地检查PM暴露是否促进了肺肿瘤的发展。

Swanton团队让肺部表达EGFRL858R的肺腺癌小鼠模型，分别暴露于PBS、5μg和50μg的细颗粒物。他们发现与PBS对照组相比，露于5μg和50μg细颗粒物的小鼠肺部肿瘤负担更大，而且呈现出剂量依赖性。

将EGFRL858R的表达限制在肺泡II型上皮细胞（AT2）内，细颗粒物也增加了肿瘤的负担。更让人吃惊的是，即使在EGFRL858R诱导表达之前暴露于细颗粒物也会增加肺部肿瘤负担。同样地，在KRASG12D肺癌小鼠模型中，暴露于细颗粒物也会增加肺部肿瘤负担。

这些数据共同表明，在致癌的KRAS和EGFR小鼠模型中，无论是在致癌基因表达之前还是表达之后暴露于细颗粒物，都可以促进肺部肿瘤的进展。

3、PM介导的AT2细胞重新编程

为了研究PM暴露对早期肿瘤发生的影响，通过流式细胞仪纯化肺上皮细胞，并在暴露于四种不同条件下后进行RNA测序（RNA-seq）：暴露于PM或PBS的对照小鼠，以及暴露于PM或PBS的ET小鼠。PM干预的ET小鼠基因集富集分析表明，与PBS治疗的ET小鼠相比，IL-6-JAK-STAT途径、炎症反应和同种异体排斥途径只有在具有EGFR突变的上皮中PM暴露后才会上调。在ET小鼠中，PM暴露导致已知调节巨噬细胞招募的基因的上调，包括编码白细胞介素-1β（IL-1β）、GM-CSF、CCL6和NF-κB以及上皮衍生的警报蛋白IL-33的基因。接触PM后，小鼠肺上皮中的一些显著上调的基因在人类肺上皮中也得到了上调，包括巨噬细胞招募的标记（IL1B和IL1A）和AT2祖细胞状态的标记（ORM1和LRG1）。

数据表明，体内接触PM和诱导EGFRL858R驱动突变的组合会增加AT2细胞祖细胞祖功能，这种表型在PM暴露或单独表达EGFRL858R时看不到。