单细胞多组学揭示结直肠癌中丁酸代谢低活性上皮亚群的空间异质性、预后意义及HOXB8/AKT/mTOR调控机制

《BMC Cancer》：Spatial and single-cell transcriptomics decipher butyrate metabolism-related transcriptional programs and its impact on colorectal cancer progression and tumor microenvironment remodeling

**摘要****背景**结直肠癌（CRC）与饮食和微生物因素密切相关。丁酸是肠道微生物的主要代谢物，具有组蛋白去乙酰化酶抑制作用和免疫调节效应，参与维持上皮稳态，但丁酸代谢相关转录程序在结直肠癌中的空间异质性和临床相关性仍不清楚。**方法**采用多算法单细胞基因集评分方法计算丁酸代谢相关转录活性（BTA）评分，并将肿瘤上皮细胞分为BTA评分定义的上皮亚群，随后使用cell2location进行空间映射。利用CellChat、Monocle、pySCENIC、inferCNVpy、PROGENy和stLearn表征谱系状态、转录调控、信号活性和细胞间通讯。采用集成机器学习进行预后建模，随后进行分子和功能验证。**结果**我们鉴定出具有低转录组来源BTA评分的恶性上皮细胞（LowBTAepis），这些细胞与不良预后相关，优先分布于推定拟时间轨迹的早期位置，具有增强的干细胞样特征和增殖能力，并呈现独特的拷贝数变异（CNV）模式。在三个独立的宏量结直肠癌队列中，低BTA肿瘤始终富集于CMS4型，将BTA相关的转录状态与间充质及基质分子特征联系起来。空间分析揭示了LowBTAepis与成纤维细胞之间的空间共现现象，并鉴定了涉及这些群体的候选配体-受体关系。整合调节子分析、空间转录组学以及独立的丁酸扰动分析，优先筛选出HOXB8进行功能验证。丁酸钠（NaB）以剂量依赖的方式抑制结直肠癌细胞增殖、迁移和侵袭，伴随HOXB8表达降低、AKT/mTOR信号通路抑制以及凋亡和转移相关蛋白的变化。基于LowBTAepis标志基因构建的预后模型显示出强大的预后性能，并与免疫抑制性肿瘤微环境相关。**结论**LowBTAepis代表一种侵袭性结直肠上皮状态，其特征为BTA评分、基质通讯和恶性转录特征。互补实验表明，外源性丁酸钠可能部分通过HOXB8/AKT/mTOR轴抑制结直肠癌细胞增殖、迁移和侵袭。