《Redox Biology》：Nrf2-dependent reprogramming of brown adipose tissue in orthotopic breast cancer model: implications for altered systemic homeostasis
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摘要
将癌症置于全身性氧化还原和代谢调控的框架内加以考量，可能增进研究人员对疾病进展的理解。然而，癌症与宿主其他组织内氧化还原-代谢重编程之间的关系在很大程度上仍未被探索。棕色脂肪组织（brown adipose tissue, BAT）作为全身代谢稳态的重
摘要
将癌症置于全身性氧化还原和代谢调控的框架内加以考量，可能增进研究人员对疾病进展的理解。然而，癌症与宿主其他组织内氧化还原-代谢重编程之间的关系在很大程度上仍未被探索。棕色脂肪组织（brown adipose tissue, BAT）作为全身代谢稳态的重要调节者，已被认为与乳腺癌进展相关。本研究在经历乳腺肿瘤生长的小鼠中，探讨了BAT的氧化还原-代谢特征及其受核因子E2相关因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2, Nrf2）调控的重编程过程。为此，研究人员在野生型（wild-type, WT）和缺乏功能性Nrf2的小鼠（Nrf2KO）中建立了乳腺癌原位模型，以研究Nrf2驱动的BAT在应对乳腺肿瘤生长（10-400 mg）时的结构性、代谢性和氧化还原重编程。研究结果显示，乳腺肿瘤生长诱导了BAT的早期适应性反应，其特征为解偶联蛋白1（uncoupling protein 1, UCP1）表达增加。然而，在应对晚期乳腺肿瘤时，BAT表现出关键糖酵解和磷酸戊糖途径蛋白表达的显著下调，尤其是在Nrf2KO小鼠中。这些变化伴随着携带较大乳腺肿瘤的Nrf2KO小鼠BAT中出现白化现象、UCP1表达减弱、脂肪酸合成蛋白水平降低以及β-氧化蛋白表达紊乱。此外，乳腺肿瘤生长改变了BAT中抗氧化酶蛋白的表达，其中Nrf2对于维持谷胱甘肽依赖性抗氧化防御至关重要。总的来说，这些发现强调了Nrf2在乳腺肿瘤生长背景下对BAT氧化还原-代谢稳态的综合调节作用，将其定位为一个有前景的治疗靶点，并增进了对乳腺癌作为一种全身性代谢疾病的理解。
论文解读：Nrf2在乳腺癌相关棕色脂肪组织氧化还原-代谢重编程中的核心作用
一、研究背景与科学问题
癌症研究日益认识到肿瘤不仅是一种局部病变，更是一种全身性氧化还原-代谢疾病。肿瘤细胞通过代谢重编程和氧化还原稳态重塑来满足其持续生长的生物能量和生物合成需求，同时肿瘤生长也会对宿主产生全身性影响，扰乱远端器官的生理功能，尤其是那些控制能量稳态的器官。在这一背景下，棕色脂肪组织（brown adipose tissue, BAT）作为全身能量代谢的重要调节枢纽，引起了研究人员的广泛关注。BAT通过线粒体解偶联蛋白1（uncoupling protein 1, UCP1）介导的产热作用消耗能量，并大量摄取循环中的葡萄糖和甘油三酯作为代谢燃料，从而影响全身葡萄糖和脂质稳态。此外，BAT还可通过分泌调节因子发挥内分泌器官的功能。已有研究表明BAT与乳腺癌进展存在密切关联，但乳腺癌生长过程中BAT的全面代谢特征及其伴随的氧化还原状态变化在很大程度上仍未被探索。更重要的是，核因子E2相关因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2, Nrf2）作为调控抗氧化防御和多种代谢途径的关键转录因子，其在BAT应对乳腺肿瘤生长的系统性重编程中的作用尚不清楚。因此，本研究旨在探讨Nrf2在乳腺癌相关BAT氧化还原-代谢重编程中的具体作用及其对全身稳态改变的意义。
二、研究设计与技术方法
研究人员采用原位乳腺癌小鼠模型，将E0771小鼠乳腺癌细胞注射到野生型（wild-type, WT）和Nrf2功能缺陷（Nrf2KO）小鼠的第四乳腺脂肪垫中，分别收集携带10、50、100、200和400 mg肿瘤以及相应未荷瘤对照小鼠的肩胛间BAT。每组6只小鼠，蛋白分析样本由每两只动物的组织合并为一个独立生物学样本（n=3），显微分析每组3只小鼠（n=3）。主要技术方法包括：蛋白质免疫印迹法（Western blotting）检测糖酵解、磷酸戊糖途径、三羧酸循环、脂质代谢、线粒体电子传递链复合物、抗氧化酶及UCP1等蛋白表达水平；免疫组织化学结合光密度分析评估UCP1的分布与表达；抗氧化防御酶活性测定（包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶、谷胱甘肽S-转移酶）及总谷胱甘肽水平检测；光镜和形态计量学分析评估BAT组织结构变化和脂滴体积密度。
三、研究结果
1. BAT在乳腺肿瘤生长过程中的结构重塑
光镜分析显示，WT未荷瘤小鼠BAT呈现典型的多房脂滴形态，而Nrf2KO未荷瘤小鼠BAT呈现类似白色脂肪组织的单房脂滴外观，脂滴体积分数更高。在WT小鼠中，10-50 mg肿瘤诱导单房脂滴出现，而≥100 mg肿瘤促进显著BAT白化。相比之下，Nrf2KO小鼠BAT在早期肿瘤阶段出现多房脂滴和脂滴分数显著下降，但随着肿瘤进展至50-400 mg，BAT呈现白化表型。这些形态学改变表明BAT脂质合成与利用发生转变，反映了脂肪酸代谢的适应性变化。
2. UCP1蛋白表达的动态变化
免疫组织化学和蛋白质印迹分析显示，Nrf2KO未荷瘤小鼠BAT中UCP1表达显著高于WT小鼠。乳腺肿瘤诱导后，WT BAT中UCP1从10 mg肿瘤即开始升高并持续维持在高水平；而Nrf2KO BAT中UCP1在50-100 mg肿瘤阶段显著升高，但在200-400 mg肿瘤阶段回落至对照水平。在Nrf2KO小鼠较大肿瘤阶段观察到多处脂滴融合，与显著BAT白化和UCP1降至对照水平相一致。
3. pNrf2蛋白表达的变化
WT BAT中pNrf2蛋白在200 mg肿瘤阶段显著升高，而Nrf2KO BAT在50 mg肿瘤阶段即出现显著升高。Nrf2KO小鼠BAT中pNrf2水平总体上高于WT对应组，这反映了乳腺肿瘤诱导的全身环境改变所带来的氧化压力增加，以及Nrf2功能丧失后的代偿性变化。
4. 葡萄糖代谢酶蛋白表达的改变
WT小鼠BAT中，己糖激酶2（hexokinase 2, HK2）在10 mg肿瘤阶段短暂诱导后，至400 mg阶段下降。Nrf2KO未荷瘤小鼠BAT中HK2基础水平低于WT，在10-100 mg肿瘤阶段短暂诱导后恢复至对照水平。磷酸果糖激酶-1（phosphofructokinase-1, PFK-1）在WT小鼠200-400 mg肿瘤阶段显著下降，而Nrf2KO BAT中PFK-1在未荷瘤时即较低且在整个肿瘤生长过程中进一步降低。甘油醛-3-磷酸脱氢酶（glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, GAPDH）在Nrf2KO小鼠100-400 mg肿瘤阶段下降。葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（glucose-6-phosphate dehydrogenase, G6PDH）在WT BAT中基本维持，仅在400 mg阶段下降；而Nrf2KO BAT中G6PDH在未荷瘤时即显著降低，并在100-400 mg肿瘤阶段进一步下降。这些结果提示Nrf2缺失加剧了晚期肿瘤阶段BAT糖酵解和磷酸戊糖途径的受损。
5. 三羧酸循环相关酶蛋白表达的变化
丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase, PDH）在WT小鼠10-100 mg肿瘤阶段升高后恢复至基线；柠檬酸合酶（citrate synthase, CS）在WT小鼠10-100 mg阶段维持后于200-400 mg阶段下降。两种酶在Nrf2KO小鼠50 mg肿瘤阶段均短暂升高。这些结果表明白细胞介导的<100 mg肿瘤阶段BAT通过三羧酸循环利用葡萄糖增强，且这一过程不依赖于Nrf2。
6. 脂质代谢酶蛋白表达的改变
乙酰辅酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase, ACC）在两种基因型小鼠100-400 mg肿瘤阶段均显著下降。脂肪酸合酶（fatty acid synthase, FAS）在WT BAT中保持不变，但在Nrf2KO BAT中除50 mg阶段外均显著降低。过氧化物酶体β-氧化标志物酰基辅酶A氧化酶1（acyl-CoA oxidase 1, ACOX1）在WT BAT中维持稳定，在Nrf2KO未荷瘤及10-50 mg肿瘤阶段显著升高后，在100-400 mg阶段显著下降。线粒体β-氧化标志物中链酰基辅酶A脱氢酶（acyl-CoA dehydrogenase medium chain, ACADM）在两种基因型中基本维持组成性水平。这些结果表明Nrf2对维持晚期肿瘤阶段BAT脂质代谢至关重要。
7. AMPK1α蛋白表达的变化
AMP激活蛋白激酶1α（AMP-activated protein kinase 1 alpha, AMPK1α）在WT小鼠BAT中维持对照水平，而在Nrf2KO小鼠100-400 mg肿瘤阶段显著下降，提示Nrf2缺失导致晚期肿瘤阶段BAT能量代谢调控受损。
8. 电子传递链复合物亚基及ATP合酶蛋白表达的变化
复合物I亚基在WT BAT中于所有肿瘤阶段均显著降低，而Nrf2KO未荷瘤小鼠BAT中复合物I水平极低，肿瘤生长后反而显著升高。复合物II和III在WT中基本不变，在Nrf2KO未荷瘤及10-50 mg阶段升高，复合物II在200-400 mg阶段下降。复合物IV在两种基因型中均随肿瘤生长下降。ATP合酶基本不变，仅在Nrf2KO 50 mg阶段升高。这些结果表明乳腺肿瘤生长和Nrf2活性共同影响BAT氧化磷酸化速率。
9. 抗氧化防御的改变
锰超氧化物歧化酶（manganese superoxide dismutase, MnSOD）在WT BAT中维持组成水平，在Nrf2KO 100-400 mg肿瘤阶段下降。铜锌超氧化物歧化酶（copper-zinc superoxide dismutase, CuZnSOD）在两种基因型10-50 mg阶段短暂升高后于200-400 mg阶段下降。过氧化物还原酶（peroxiredoxin, Prx）在WT BAT中随肿瘤生长显著下降，而在Nrf2KO未荷瘤时极低、随后随肿瘤生长显著升高。过氧化氢酶（catalase, CAT）蛋白在WT中随肿瘤生长升高，在Nrf2KO中10-100 mg阶段升高减弱。谷胱甘肽过氧化物酶1（glutathione peroxidase 1, GSH-Px1）在Nrf2KO BAT中随肿瘤生长下降，而谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4, GSH-Px4）在Nrf2KO中随肿瘤生长诱导。酶活性方面，SOD、CAT、GSH-Px和GR活性基本不变，而谷胱甘肽S-转移酶（glutathione S-transferase, GST）活性在WT 50-200 mg阶段降低且在Nrf2KO中始终低于WT。总谷胱甘肽（GSH）水平在Nrf2KO未荷瘤时升高但随肿瘤生长显著下降。这些结果表明Nrf2功能缺失显著重编程了BAT中谷胱甘肽依赖性抗氧化防御。
四、讨论与结论
本研究表明，乳腺肿瘤生长诱导BAT发生早期适应性反应，表现为UCP1表达升高、多房脂滴形态维持以及葡萄糖和脂质代谢通路的保留。在WT小鼠中，虽然晚期肿瘤（≥100 mg）诱导部分BAT白化和代谢酶选择性下调，但UCP1水平和抗氧化能力基本得以维持。相比之下，Nrf2KO小鼠BAT表现出受损的适应性反应：晚期肿瘤阶段出现显著BAT白化、UCP1降至对照水平、糖酵解和磷酸戊糖途径受抑、脂质代谢紊乱以及线粒体和氧化还原稳态改变。这些发现确立了Nrf2作为BAT应对乳腺肿瘤生长时氧化还原-代谢反应的关键决定因素。研究结论指出，乳腺癌作为一种全身性代谢疾病，其进展过程中BAT并非被动接受肿瘤来源信号的代谢靶点，而是通过Nrf2依赖性氧化还原-代谢重编程积极参与改变全身代谢稳态。该研究为通过调节BAT中Nrf2信号来靶向乳腺癌代谢的治疗策略提供了新的理论框架。
