线粒体能量代谢紊乱驱动膀胱癌从黏膜场效应向浸润性癌发展的多组学全景研究

本文通过全器官尺度的多组学分析，揭示了膀胱癌从黏膜场效应演变为浸润性癌的分子机制。研究发现，线粒体能量代谢紊乱（包括氧化磷酸化（OXPHOS）下调和糖酵解上调）是驱动癌症进展的核心因素。该研究整合了基因组学（α、β、γ突变）、转录组学、蛋白质组学和代谢组学数据，为膀胱癌的早期干预和治疗提供了新的靶点和策略。

　　

引言

膀胱癌是一种常见的泌尿系统恶性肿瘤，其发生和发展涉及复杂的分子机制。近年来，黏膜场效应（field effects）被认为是癌变的早期事件，但其具体分子特征尚不明确。本研究利用全器官尺度的多组学分析，包括突变谱、基因表达、蛋白质组和代谢组空间映射，旨在揭示膀胱癌从黏膜场效应向浸润性癌演变的分子机制。

材料与方法

研究样本来自一名92岁男性高级别尿路上皮癌（UC）患者的根治性膀胱切除术标本。通过地理注释的黏膜样本，进行了全外显子测序、RNA测序、蛋白质组和靶向代谢组分析。对照样本来自无尿路上皮肿瘤的肾切除术患者的正常输尿管上皮。数据分析包括突变签名分析、系统发育树构建、通路富集分析等。

突变景观与癌症进化

全外显子测序鉴定了12,764个基因组位点的非同义变异，包括12,022个单核苷酸变异（SNV）、450个插入和292个缺失。根据变异等位基因频率（VAF）和地理分布，突变分为三类：α突变（低VAF，局限于单个黏膜样本）、β突变（低VAF，但跨黏膜区域扩展）和γ突变（高VAF，广泛分布）。α突变数量最多（12,431个），多为私有突变；γ突变（324个）具有克隆优势，驱动癌症进展。突变签名分析显示，签名1和6在膀胱癌进化中占主导地位，与APOBEC缺陷和基因组不稳定性相关。

时间建模与进化动力学

通过数学建模（时间连续马尔可夫分支过程），推算出膀胱癌进化历时约30年，分为休眠期和进展期。休眠期持续约25年，以α突变为主，选择系数低；进展期持续5年，以β和γ突变为主，选择系数高，驱动克隆扩张。γ突变在诊断前2年内出现，具有最高的选择优势。

基因表达谱分析

RNA测序揭示了从正常尿路上皮（NU）/低级别上皮内瘤变（LGIN）到高级别上皮内瘤变（HGIN）和UC的单调性基因表达变化。上调基因包括KRT6、KRT14、KRT16（基底表型标志）、CXCL8和IL1R2（免疫微环境调节），下调基因包括UPK3B（尿路上皮分化标志）、PAX8、PIK3C2G等。KEGG通路分析显示，致癌信号、白细胞介素信号和脂肪酸降解通路在早期场效应中即已失调。

蛋白质组谱揭示能量代谢紊乱

蛋白质组分析鉴定出8,475个独特蛋白，其中氧化磷酸化（OXPHOS）复合物酶（如复合物I-V）和柠檬酸循环酶广泛下调，而糖酵解酶（如LDHA）上调。PPAR信号通路（涉及脂代谢和细胞分化）也显著失调。这些变化在NU/LGIN样本中已出现，并随癌症进展而加剧。

代谢组分析支持Warburg效应

靶向代谢组学发现，场效应区域中甘油-3-磷酸、乳酸和法尼基-PP水平升高，而5-CMP、同型半胱氨酸和ADP水平下降。这些变化表明脂质合成增强、氧化应激补偿和糖酵解激活（Warburg效应）。通路分析显示，甘油脂代谢、类固醇合成和cAMP信号通路单调性失调。

整合分析：线粒体功能障碍驱动进展

多平台整合分析确定了73条典型通路，其中线粒体能量代谢紊乱是核心驱动因素。氧化磷酸化（OXPHOS）下调、柠檬酸循环抑制和糖酵解激活，导致能量代谢重编程。空间映射显示，OXPHOS酶下调广泛分布于黏膜场效应区域，提示其作为早期事件在癌变中的关键作用。

讨论与验证

本研究首次在全器官尺度上揭示了膀胱癌进化的多组学特征。线粒体能量代谢紊乱（OXPHOS下调和糖酵解上调）是场效应向浸润性癌转变的核心机制。TCGA队列验证了OXPHOS下调在膀胱癌中的普遍性，尤其在基底亚型中富集。这些发现为早期干预（如靶向代谢通路）提供了理论依据。

结论

膀胱癌进化涉及多阶段突变积累和分子通路失调，其中线粒体能量代谢紊乱是驱动进展的关键。多组学全景分析为理解癌变机制和开发新型治疗策略奠定了基础。