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本研究针对慢性代谢应激如何影响肝细胞功能平衡并促进肿瘤发生这一关键科学问题，通过跨物种纵向单细胞多组学分析，揭示了高脂饮食诱导的代谢应激通过重编程肝细胞转录组和表观基因组，激活促生存和发育相关程序，同时抑制核心肝功能，从而提前数月"预编程"肿瘤发生。研究人员开发了MATCHA计算框架鉴定出SOX4和RELB等关键转录因子，并通过基因操作验证了HMGCS2酮生成通路下调在肿瘤 priming 中的因果作用。该研究发表于《Cell》，为理解慢性应激与肿瘤发生的联系提供了新范式，对MASLD/HCC防治具有重要临床意义。
当我们谈论现代生活方式对健康的影响时，高脂饮食导致的肝脏疾病已成为不容忽视的公共卫生问题。全球超过三分之一的人口受到代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD，原名非酒精性脂肪性肝病/非酒精性脂肪性肝炎）的困扰，其中部分患者会进一步发展为肝纤维化、肝硬化甚至肝细胞癌（HCC）——这是癌症相关寿命损失的第二大原因。尽管流行病学研究表明MASH的每个纤维化阶段都预示着HCC风险的增加，但令人困惑的是，在癌前病变患者中，只有肝硬化患者才表现出显著的体细胞突变负荷增加，而早期纤维化阶段则没有。这一现象提示，除了基因突变外，可能还存在其他机制在慢性代谢应激驱动的肿瘤发生中发挥关键作用。
发表在《Cell》杂志上的这项研究深入探讨了这一问题。研究人员猜想，肝细胞可能会通过发展渐进性功能障碍状态来应对慢性应激，这些状态虽然不完全由基因突变定义，但为肿瘤发生做好了准备。为了验证这一假设，研究团队开展了一项综合性研究，旨在揭示慢性代谢应激如何重新平衡肝细胞功能，以及这些早期反应如何与肿瘤结局等长期后果相联系。
研究团队建立了一个仅通过高脂饮食（HFD）诱导的小鼠肝脏损伤模型，该模型不涉及外源基因或化学物质干预。这些小鼠出现了系统性、组织学和功能性的并发症，与MASH患者的表现相似：进行性单纯性脂肪变性、炎症、纤维化和自发性HCC肿瘤发生。通过纵向单细胞转录组和表观基因组分析，研究人员发现长期代谢应激会在非转化肝细胞中驱动预后相关的发育和癌症相关程序，同时降低其成熟功能特征。
关键实验技术包括：建立高脂饮食诱导的小鼠MASLD/HCC模型；纵向单细胞RNA测序（scRNA-seq）和单核RNA测序（snRNA-seq）；单核ATAC测序（snATAC-seq）分析表观遗传变化；多重免疫荧光和免疫印迹验证蛋白表达；脂质组学分析肝脏脂质重塑；人体组织微阵列空间转录组学（10x Xenium平台）；MATCHA计算框架预测转录因子调控网络；体外肝细胞基因过表达和功能分析；体内基因敲除（Hmgcs2 LiverKO）和过表达（AAV-SOX4）验证。
代谢应激改变肝细胞的促生存和核心功能设定点
研究人员定义了四个表达程序："纵向增加"和"持续上调"程序描述了随着长期代谢应激而逐步或持续升高的基因；"纵向减少"和"持续下调"程序则描述了逐步或持续减少的基因。研究发现，长期代谢应激增加了维持细胞生存和减轻凋亡的基因表达，同时降低了肝细胞功能特征和稳态责任的核心基因表达，包括主调控因子Hnf4a、多种代谢酶和分泌蛋白。
肝细胞纵向应激反应和功能障碍的多模态验证
研究在蛋白质水平验证了转录组变化，发现肝细胞纵向减少和持续下调应激反应基因的蛋白丰度下降，而WNT靶标GLUL的蛋白丰度和阳性肝细胞比例增加。脂质组学显示肝脏脂质发生了广泛重塑，甘油三酯在6个月和12个月时显著富集，胆固醇和鞘脂相关脂质种类在15个月时表现出最强的增加。
代谢通路重新平衡加剧应激反应并提前编程未来肝脏肿瘤发生
研究人员特别关注了酮生成限速酶HMGCS2的下调。为了模拟代谢应激驱动的Hmgcs2表达下降，他们构建了肝脏特异性基因敲除小鼠模型（Hmgcs2f/fl; Alb-Cre）。研究发现HMGCS2缺失加速了肝细胞应激反应，并直接证实了HMGCS2在提前编程未来肿瘤发生中的因果作用。
转化前应激反应延伸至人类疾病并预测癌症生存
研究证实，肝细胞慢性应激反应与公开可用的人类MASLD/HCC数据存在联系。在人类患者中，纵向增加程序随着MASLD严重程度的增加而进一步升高，并且在人类HCC中进一步增加，可预测HCC患者生存结局。持续上调、纵向减少和持续下调程序也显著与疾病严重程度、肿瘤表型和患者生存结局相关。
慢性代谢应激下的表观遗传失调和WNT通路提前编程
结合小鼠HFD snATAC-seq匹配的表观遗传学数据，研究人员发现转录表达与表观遗传可及性之间存在一致性。全基因组TF结合基序可及性分析显示，AP-1复合物基序可及性逐步增加，肝脏再生和发育相关的TF基序可及性也增加。研究还发现了表观遗传提前编程的证据：WNT相关和HCC连锁基因在最早时间点表现出表观遗传可及性增加，但转录变化不大，而在肿瘤发生数月后强烈上调。
通过MATCHA优先确定影响慢性应激反应的因果TF
研究人员开发了MATCHA计算框架，用于发现可能启动、驱动和维持肝细胞应激反应程序的更广泛细胞内在调控网络。MATCHA通过利用用户指定的基因程序和多组学数据集，通过背景依赖性建模，提名不同程序的核心调控TF。
验证应激反应驱动因子并在体内增加增殖能力
为了验证代谢应激反应的肝细胞内在转录驱动因子，研究人员在脂质丰富培养基中进行了人体外TF过表达实验。研究发现SOX4和RELB过表达均增加了纵向增加、持续上调和HCC S1程序，同时减少了纵向减少和持续下调程序。功能上，SOX4和RELB减少了脂质积累，但增加了活性氧积累和蛋白水平的核p53积累。SOX4还增加了细胞周期蛋白核KI67的表达，表明在细胞应激下增殖能力增强。
人类空间转录组学识别肝细胞应激反应的空间结构信号驱动因子
研究人员组装了一个性别平衡的人类MASH肝硬化组织微阵列，并进行了单细胞分辨率空间转录组学分析。研究发现，肝细胞应激反应程序在人类MASH肝硬化中以预测的方向性发生变化：人类HCC S1 WNT激活、持续上调、纵向增加和发育相关肝细胞基因程序增加，而持续下调和纵向减少基因程序减少。通过地理回归，研究人员确定了与极端肝细胞应激反应最强共定位的是CD9+TREM2+瘢痕相关巨噬细胞。
这项研究揭示了肝细胞对慢性代谢应激的反应包括激活再生连锁和发育相关状态，同时抑制典型组织功能，从而提前编程肿瘤发生。研究人员确定的细胞程序从慢性应激的早期阶段到与癌症相关的晚期改变都是活跃的，并且在某些情况下加剧，并能预测癌症生存。此外，它们在不同物种和检测方法之间具有普遍性，范围从批量、单细胞和空间转录组学到蛋白质组学，以及相应的脂质组学读数。
研究支持一个模型，其中肝细胞的初始脂质反应——部分由SOX4激活和HMGCS2抑制介导——触发多细胞回路（例如，细胞内在表观遗传重编程和细胞外空间结构化细胞间信号），这些回路汇聚回肝细胞，激活通用应激反应，提前编程肿瘤发生。
这项工作揭示了细胞对环境应激的纵向反应如何埋下未来癌症风险的种子并恶化患者生存的新机制。研究表明，再生连锁和发育相关程序的早期异常激活与典型组织功能的减弱同时发生，为肿瘤发生创造了一个肥沃的转录和表观遗传环境，以便在数月到数年后最终突变积累时形成肿瘤。最终，这项工作为揭示应激期间细胞和组织决策背后的原理、将复杂的疾病功能障碍描述转化为统一的核心机制以及推导早期应激如何沉淀细胞反应和活动重新平衡的基本联系提供了基础，这些重新平衡会提前编程长期肿瘤发生。
