APOBEC3通过IL-1A/AP-1信号通路促进膀胱癌鳞状分化的机制研究

《Nature Communications》：APOBEC3 promotes squamous differentiation via IL-1A/AP-1 signaling

本研究针对膀胱尿路上皮癌(UC)中高发的APOBEC3家族诱变现象，通过构建条件性过表达小鼠Apobec3(mA3)的膀胱癌模型(UPPA)，结合单细胞转录组测序(scRNA-seq)和空间转录组学技术，首次揭示了APOBEC3通过诱导DNA损伤、激活IL-1α/AP-1信号轴，驱动肿瘤鳞状分化的新机制。研究发现人源APOBEC3A(A3A)特异性促进鳞状分化，且该过程可被IL-1R拮抗剂逆转，为靶向IL-1α治疗APOBEC3高表达膀胱癌提供了理论依据。论文发表于《Nature Communications》。

　　

膀胱癌作为全球常见恶性肿瘤，每年导致数十万人死亡。其中尿路上皮癌(UC)是最主要的病理类型，根据浸润深度可分为非肌层浸润性膀胱癌(NMIBC)和肌层浸润性膀胱癌(MIBC)。尽管NMIBC预后较好，但其高复发率和进展为MIBC的风险仍是治疗难点。尤为值得注意的是，约21%的UC病例会出现鳞状分化(SqD)，这种病理特征与淋巴结转移率增高、局部复发风险增加和不良预后显著相关。

近年来基因组学研究揭示，APOBEC3家族胞苷脱氨酶是膀胱癌突变的重要驱动因素，最高可贡献70%的体细胞突变。这些酶能在单链DNA的TCW motif(W=A/T)上催化胞嘧啶脱氨变为尿嘧啶，进而引起C-to-T和C-to-G突变。尽管APOBEC3在膀胱癌突变谱中占据主导地位，但其在肿瘤生物学中的功能作用，特别是与临床病理特征如鳞状分化的关系，尚不明确。

为解决这一科学问题，北卡罗来纳大学教堂山分校的William Y. Kim和Jeffrey S. Damrauer团队在《Nature Communications》上发表了题为"APOBEC3 promotes squamous differentiation via IL-1A/AP-1 signaling"的研究论文。该研究通过创新性的基因工程小鼠模型、多组学分析和功能实验，深入探索了APOBEC3在膀胱癌进展中的作用机制。

研究人员主要运用了几项关键技术：首先构建了条件性过表达小鼠Apobec3的膀胱癌模型(UPPA)，通过膀胱超声监测肿瘤发展；利用单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析小鼠和人类膀胱癌样本（包括来自TCGA、UC-GENOME队列及机构内部的5例样本），揭示细胞异质性；采用10X Genomics Xenium空间转录组技术对包含鳞状分化的膀胱癌组织进行空间定位分析；通过体外细胞实验（包括小鼠膀胱癌细胞系BBN963、BBN976、UPFL.1及正常尿路上皮类器官）进行功能验证；并使用CRISPR/Cas9基因编辑、蛋白质印迹、ELISA等技术探讨分子机制。

Apobec3加速膀胱肿瘤形成并促进鳞状分化

研究人员将Rosa26^LSL-Apobec3小鼠与UPK3a-CreERT2;Pten^L;Trp53^L(UPP)模型杂交，获得UPPA小鼠模型。虽然肿瘤发生率无显著差异，但UPPA小鼠肿瘤潜伏期明显缩短(43.3周vs53.6周)。组织学分析显示，UPPA肿瘤中鳞状分化比例显著高于UPP肿瘤，表现为角蛋白珠的形成。

scRNA测序揭示UPPA特异性鳞状亚群

单细胞转录组分析发现，UPPA肿瘤上皮细胞中与角质化和桥粒形成相关的基因（如Cnfn、Ivl、Sprr家族、Dsg家族）表达显著上调。轨迹推断分析显示，细胞状态从State 1向State 4/5分化过程中，Apobec3表达及鳞状标志物（Dsg3、Ivl、Sprr1a）逐渐升高，而基底标志物Krt5下降，表明Apobec3促进基底细胞向鳞状分化。

Apobec3驱动鳞状分化并阻碍尿路上皮分化

为验证Apobec3的直接作用，研究人员构建了多西环素诱导的mA3表达细胞系。诱导mA3表达后，鳞状分化标志物(Dsg3、Ivl、Sprr1b)显著上调，而催化失活的E73A突变体无此效应。在正常尿路上皮类器官中，mA3过表达同样诱导鳞状分化，并阻碍由FGF等因子诱导的尿路上皮终末分化，表现为管腔标志物(Upk1a、Upk3a)表达降低。

IL-1R1信号通路介导mA3诱导的鳞状分化

机制上，mA3表达引起DNA损伤反应（γH2A.X增加）和IL-1α/IL-1β表达上调。条件培养基实验表明，mA3细胞分泌的因子可诱导鳞状分化，而IL-1R1敲除或IL-1α中和抗体可阻断该效应。重组IL-1α处理足以模拟mA3的促鳞状分化作用。

cFOS是mA3诱导鳞状分化所必需并抑制管腔转录因子

进一步研究发现，mA3通过IL-1α激活p38、ERK和cFOS，而非NF-κB通路。CRISPR敲低cFOS可抑制mA3诱导的鳞状标志物表达。同时，mA3下调管腔分化关键转录因子FOXA1、GATA3和PPARγ，而敲低cFOS可部分恢复GATA3和PPARγ表达。

人APOBEC3A而非APOBEC3B与鳞状分化相关

在人类膀胱癌中，仅APOBEC3A(A3A)表达与鳞状标志物显著相关。scRNA-seq和空间转录组分析证实，A3A在鳞状分化细胞中特异性高表达，且与IL1A共定位。TCGA和UC-GENOME队列中，组织学诊断为鳞状分化的肿瘤A3A表达显著升高，且基底/鳞状分子亚型富集A3A高表达。功能上，人A3A过表达同样诱导DNA损伤和鳞状分化。

研究结论与意义

本研究系统阐明了APOBEC3通过诱导DNA损伤、激活IL-1α/AP-1信号轴，驱动膀胱癌鳞状分化的新机制，并首次明确人源APOBEC3A是介导该过程的关键家族成员。这一发现不仅深化了对APOBEC3在肿瘤生物学中功能的理解，而且为临床干预提供了新靶点。鉴于IL-1α信号通路已有FDA批准药物（如阿那白滞素），本研究提示靶向IL-1α或可抑制APOBEC3高表达膀胱癌的鳞状分化和恶性进展，具有重要的转化医学价值。此外，该机制可能适用于乳腺癌、肺癌等其他APOBEC3高表达恶性肿瘤，为理解肿瘤谱系可塑性和治疗抵抗提供了新视角。