5-羟色胺调控组蛋白修饰驱动肝癌转移的机制研究

学术背景

癌症转移是导致癌症患者死亡的主要原因之一，尤其是内脏器官的转移，如肝癌（liver metastasis）。神经内分泌肿瘤（neuroendocrine tumors, NETs）是一类具有高度转移潜力的肿瘤，其中神经内分泌前列腺癌（neuroendocrine prostate cancer, NEPC）和小细胞肺癌（small cell lung cancer, SCLC）等肿瘤的肝转移率较高，预后极差。尽管癌症转移的机制研究已取得一定进展，但神经内分泌肿瘤通过神经递质（neurotransmitter）与免疫细胞之间的相互作用促进转移的机制尚不明确。

5-羟色胺（5-hydroxytryptamine, 5-HT）是一种重要的神经递质，近年研究发现其在癌症进展中发挥重要作用。例如，5-HT可以促进肿瘤细胞的增殖和侵袭。然而，5-HT是否通过调控肿瘤微环境中的免疫细胞（如中性粒细胞）来促进癌症转移，仍然是一个未解之谜。中性粒细胞外陷阱（neutrophil extracellular traps, NETs）是中性粒细胞释放的由DNA和抗菌蛋白组成的网状结构，原本用于杀灭病原体，但近年研究发现，NETs在癌症中可能通过吸引循环肿瘤细胞或激活休眠肿瘤细胞促进转移。

因此，本研究旨在探索5-HT是否通过调控中性粒细胞的组蛋白修饰（histone modification）来诱导NETs形成，从而促进神经内分泌肿瘤的肝转移。

论文来源

本论文由Kaiyuan Liu、Yingchao Zhang等多位研究者共同完成，研究团队来自Shanghai Jiao Tong University School of Medicine、Renji Hospital、Shanghai Cancer Institute等多个机构。论文于2025年发表在Journal of Clinical Investigation (JCI)上，标题为“5-ht orchestrates histone serotonylation and citrullination to drive neutrophil extracellular traps and liver metastasis”。

研究流程与结果

1. 中性粒细胞与NETs在NEPC肝转移中的作用

研究团队首先通过多组学分析工具IOBR对SU2C前列腺癌数据集进行分析，发现肝转移灶中中性粒细胞的浸润水平显著高于其他转移部位。进一步利用小鼠模型（NEPC肝转移模型）进行的流式细胞术和免疫荧光染色证实，早期肝转移灶中存在大量中性粒细胞浸润和NETs形成。

实验表明，NETs的形成促进了NEPC细胞的迁移和黏附，而使用DNase I（一种降解NETs的酶）处理可以显著减少肝转移灶的数量，并延长小鼠的生存期。这些结果提示，中性粒细胞和NETs在NEPC肝转移中发挥重要作用。

2. NEPC分泌的5-HT促进NETs形成和肝转移

研究团队发现，NEPC细胞高表达5-HT合成酶TPH1，并分泌大量5-HT。体外实验表明，5-HT可以显著诱导小鼠和人的中性粒细胞形成NETs。进一步实验发现，TPH1基因敲低的NEPC细胞无法有效诱导NETs形成，而5-HT的补充可以恢复这一功能。

在小鼠模型中，TPH1敲低的NEPC细胞肝转移能力显著降低，而5-HT的补充可以逆转这一现象。这些结果表明，NEPC分泌的5-HT通过诱导NETs形成促进肝转移。

3. TGM2介导的组蛋白5-羟色胺化（H3Q5ser）促进NETs形成

研究团队进一步探索了5-HT诱导NETs形成的分子机制。他们发现，5-HT通过血清素转运体（serotonin transporter, SERT）进入中性粒细胞后，由转谷氨酰胺酶2（transglutaminase 2, TGM2）催化组蛋白H3的第5位谷氨酰胺发生5-羟色胺化（H3Q5ser），从而促进染色质去凝缩（chromatin decondensation）和NETs形成。

实验表明，TGM2抑制剂或SERT抑制剂氟西汀（fluoxetine）可以显著抑制5-HT诱导的H3Q5ser和NETs形成。此外，TGM2基因敲除小鼠的中性粒细胞无法有效形成NETs。这些结果证实，TGM2介导的H3Q5ser在NETs形成中起关键作用。

4. TGM2与PAD4协同调控组蛋白修饰

研究团队还发现，H3Q5ser与组蛋白瓜氨酸化（histone citrullination, H3cit）存在相互增强效应。PAD4是催化H3cit的关键酶，而TGM2与PAD4可以形成物理结合，共同促进H3Q5ser和H3cit的沉积。实验表明，抑制TGM2或PAD4均会导致这两种组蛋白修饰水平下降，并抑制NETs形成。

进一步的体外实验和基因组学分析（如CUT&Tag测序）发现，H3Q5ser和H3cit在基因组上存在显著的共定位，且共同调控与NETs形成相关的基因。

5. 靶向5-HT信号通路的潜在治疗价值

研究团队发现，SERT抑制剂氟西汀（Zoloft）可以有效抑制NEPC、SCLC和甲状腺髓样癌（medullary thyroid cancer）的肝转移。在小鼠模型中，氟西汀显著减少了肝转移灶的数量，并抑制了H3Q5ser和NETs的形成。

结论与意义

本研究揭示了5-HT通过诱导TGM2介导的组蛋白5-羟色胺化和PAD4介导的组蛋白瓜氨酸化，促进中性粒细胞形成NETs，从而驱动神经内分泌肿瘤肝转移的分子机制。这一发现不仅拓展了对神经递质在癌症转移中作用的认识，还为靶向5-HT信号通路的抗转移治疗提供了新的思路。

研究亮点

1. 创新性发现：首次揭示5-HT通过调控组蛋白修饰诱导NETs形成，促进癌症转移的机制。
   
2. 多学科交叉：结合神经生物学、免疫学和表观遗传学，为癌症转移研究提供了新的视角。
   
3. 临床应用潜力：FDA批准的抗抑郁药氟西汀被证明具有抑制NETs形成和癌症转移的潜力，为药物再利用（drug repurposing）提供了重要依据。
   

其他有价值的信息

本研究还表明，TGM2与PAD4的协同作用可能在其他疾病（如阿尔茨海默病）中发挥重要作用，值得进一步研究。此外，研究团队开发的多组学分析工具和CUT&Tag测序技术为表观遗传学研究提供了重要的方法学支持。

本研究不仅揭示了神经内分泌肿瘤肝转移的新机制，还为开发新的抗转移治疗策略提供了重要依据。