衰老抑制致癌KRAS驱动的肺肿瘤发生并重塑肿瘤抑制功能

《Nature Aging》：Aging represses oncogenic KRAS-driven lung tumorigenesis and alters tumor suppression

本研究针对衰老如何影响肿瘤发生这一关键问题，通过基因工程小鼠模型、肿瘤条形码测序和单细胞转录组分析，揭示衰老抑制KRASG12D驱动的肺肿瘤起始和生长，并显著减弱PTEN等抑癌基因失活的促瘤效应。研究发现肿瘤细胞保留衰老相关转录特征，且PTEN缺失可逆转衰老分子表型，为衰老与肿瘤的相互作用提供了新机制见解。

　　

随着全球人口老龄化加剧，癌症已成为威胁老年人健康的主要疾病。流行病学数据显示，大多数癌症诊断发生在60岁以上人群，但令人困惑的是，在最高龄人群中癌症发病率反而出现下降趋势。这一现象引发了一个重要科学问题：衰老究竟如何影响肿瘤发生？传统观点认为，衰老伴随的突变积累会增加癌症风险，但衰老同时引起众多细胞和分子变化，可能对肿瘤发展产生复杂影响。

为了解开这一谜团，斯坦福大学的研究团队在《Nature Aging》发表了突破性研究。他们利用先进的基因工程小鼠模型，首次系统揭示了衰老对致癌KRAS驱动的肺肿瘤发生的抑制作用，并发现衰老显著改变了肿瘤抑制功能的表达格局。

研究人员主要采用四种关键技术方法：1）利用携带Kras^LSL-G12D/+、Rosa26^LSL-tdTomato和H11^LSL-Cas9等基因的工程化小鼠模型建立自发性肺肿瘤模型；2）肿瘤条形码测序（Tuba-seq）技术精准量化肿瘤克隆的大小和数量；3）体细胞CRISPR/Cas9基因组编辑系统高通量筛选25个肿瘤抑制基因的功能；4）单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析肿瘤细胞和微环境的转录组特征。

衰老抑制致癌KRAS驱动的肺肿瘤起始和生长

研究团队首先在年轻（4-6月龄）和年老（20-21月龄）小鼠中通过气管内递送携带Cre重组酶的慢病毒载体诱导KRAS^G12D驱动的肺肿瘤发生。15周后，年老小鼠的肿瘤负荷比年轻小鼠降低了约三倍，通过肺重量和荧光成像分析均证实了这一现象。重要的是，病毒转导效率在年轻和年老小鼠中无差异，排除了技术因素干扰。

通过引入条形码标记的慢病毒载体（Lenti-BC/Cre）和Tuba-seq技术，研究人员精确量化了每个克隆性肿瘤的大小和数量。结果显示，年老小鼠的肿瘤数量减少2-3倍，肿瘤负荷降低4-5倍，且肿瘤体积显著小于年轻小鼠。这些发现表明衰老不仅抑制肿瘤起始，也抑制后续肿瘤生长。

肿瘤抑制基因失活的影响随年龄变化

为了评估衰老对肿瘤抑制功能的影响，研究团队构建了包含25个已知或推定性肿瘤抑制基因的CRISPR筛选文库（Lenti-sgRNA^aging/Cre）。通过在Kras^LSL-G12D/+;H11^LSL-Cas9小鼠中进行体内筛选，发现大多数肿瘤抑制基因的失活效应在年老小鼠中减弱，特别是PTEN、p53和NF1等经典抑癌基因的失活效应显著降低。

值得注意的是，p53和Cdkn2a这些与衰老诱导密切相关的基因，其抑癌功能并未随年龄增强，提示细胞衰老可能不是衰老抑制肿瘤发生的主要机制。此外，通过安全靶向对照实验证实，年老肺上皮细胞对Cas9诱导的双链DNA断裂并不更敏感，排除了技术假象。

年龄在p53缺陷肺肿瘤发生中影响肿瘤抑制

TP53是人类肺腺癌中最常突变的肿瘤抑制基因。研究发现在p53缺陷（K;p53^flox/flox;H11^LSL-Cas9）背景下，衰老仍然减弱了多数肿瘤抑制基因的失活效应，包括PTEN、Lkb1、NF1、Rb1和Cdkn2a等。这表明衰老对肿瘤抑制功能的调节作用独立于p53状态。

衰老减弱PTEN的肿瘤抑制效应

PTEN失活显示出最显著的年龄依赖性效应。在年轻小鼠中，PTEN缺失使肿瘤发生增加近四倍，而在年老小鼠中这一效应不足两倍。通过单独验证实验，使用靶向Pten的sgRNA载体（Lenti-sgPten/Cre）也证实，年老小鼠中PTEN缺失的促瘤效应显著减弱。

年龄持续影响肿瘤细胞的基因表达状态

单细胞转录组分析揭示，年老小鼠的肿瘤细胞保留了正常衰老的转录组特征，包括多种肺上皮和全局衰老特征基因的富集。值得注意的是，衰老特征在年老肿瘤细胞中显著富集，表明致癌KRAS驱动的肺肿瘤发生并不逆转这些基本的衰老相关变化。

PROGENy通路分析显示，年老癌症细胞中MAPK信号通路活性降低，这可能解释了为什么年老肿瘤生长较慢。MAPK信号是KRAS致癌信号的关键下游通路，在驱动细胞增殖中起核心作用。

年龄改变PTEN失活对癌细胞和肿瘤微环境的转录组影响

PTEN失活对分子通路的影响表现出显著的年龄特异性。虽然PTEN缺失在年轻和年老癌症细胞中均上调PI3K信号通路，但其他通路的变化仅特异发生在特定年龄背景下。这表明衰老可能改变了PI3K激活下游的信号网络重编程，从而限制了该信号轴的致癌潜力。

更重要的是，PTEN缺失显著影响了肿瘤微环境，特别是肺泡巨噬细胞和内皮细胞的转录状态。这些效应也具有强烈的年龄依赖性：对于每种细胞类型，大多数因PTEN缺失而上调或下调的基因仅在年轻或年老细胞中特异性改变。

PTEN缺陷减少衰老的分子表型

令人惊讶的是，年轻和年老的sgPten癌症细胞之间的基因表达差异减少，信号通路激活变化减弱，衰老特征富集程度降低。PTEN缺失似乎驱动了转录组变化，对抗衰老表型。在通路水平上，PTEN失活在年老癌症细胞中的效应与衰老效应呈负相关（r=-0.65），约三分之一的年龄差异表达基因在PTEN缺失的年老癌症细胞中向相反方向调控。

这种" rejuvenation"效应也扩展到肿瘤微环境。在sg/nert肿瘤中观察到的基质和免疫细胞的年龄相关转录变化在sgPten肿瘤中几乎完全消失，表明PTEN缺失恢复了年老肿瘤及其周围组织的年轻状态。

研究结论与意义

这项研究系统地揭示了衰老对肺肿瘤发生的抑制作用，并发现衰老改变了肿瘤抑制功能的格局。研究表明，衰老不仅降低KRAS驱动肺肿瘤的平均适应度，也约束了它们的最大适应度，从而限制了次级突变的有益效应。

特别值得注意的是，PTEN抑癌功能的年龄依赖性变化最为显著。PTEN缺失在分子水平上引起的" rejuvenation"效应——减少衰老的转录组特征，恢复年轻状态——为理解衰老与癌症的相互作用提供了新视角。这些发现强调了衰老和肿瘤发生通路之间的相互关联性。

从更广泛的视角看，癌症发病率的非单调模式（先指数上升后下降）可能是促肿瘤的驱动突变积累和抗肿瘤的组织衰老之间竞争效应的结果。随着衰老进程，衰老诱导的肿瘤抑制变化可能开始在极高龄成年人中占据主导地位，即使体细胞继续积累基因组改变。

这项研究为开发针对年龄相关癌症治疗策略提供了重要基础，未来工作有望识别出那些抑制肿瘤生长的衰老特定方面，以便能够单独利用这些效应，而不受衰老的促肿瘤和病理效应的影响。