英文标题：High mobility group A1 (HMGA1) promotes the tumorigenesis of colorectal cancer by increasing lipid synthesis

中文标题：高迁移率族蛋白A1(HMGA1)通过增加脂质合成促进结直肠癌的肿瘤发生

发表期刊：nature communications

影响因子：15.7

客户单位：河南大学

百趣提供服务：非靶标代谢流

研究背景

代谢重新编程是癌症的标志，使肿瘤细胞能够满足其增殖所需的高能量和生物合成需求。高迁移率族蛋白A1(HMGA1)是一种结构转录因子，在人类结直肠癌(CRC)中经常过度表达。在这里，我们表明HMGA1通过在AOM/DSS诱导的CRC小鼠模型中驱动脂质合成来促进CRC的进展。使用条件敲除(Hmga1^△IEC)和敲入(Hmga1^IEC-OE/+)小鼠模型，证明了HMGA1通过上调脂肪酸合成酶(FASN)来增强CRC细胞增殖并加速肿瘤发展。从机械学上讲，HMGA1增加了FASN启动子上固醇调节元件结合蛋白1(SREBP1)的转录活性，导致肠道上皮细胞中的脂质积累增加。此外，高脂肪饮食加剧了Hmga1^△IEC小鼠的CRC进展，而奥利司他对FASN的药理抑制会减少Hmga1^IEC-OE/+小鼠的肿瘤生长。本研究表明，靶向脂质代谢可以为CRC提供一个有前途的治疗策略。

研究结果

2.1 HMGA1在结直肠癌组织中的高表达

为明确HMGA1在CRC中的表达情况，研究者首先利用GEPIA和GEO数据库分析发现，CRC组织中HMGA1 mRNA水平显著高于邻近正常组织（图1a-c）。进一步分析发现，HMGA1的表达在CRC发生发展过程中持续升高（图1d），且高表达患者的疾病特异性生存率显著下降（图1e）。在单细胞水平上，HMGA1在肠道上皮细胞(Intestinal Epithelial Cells, IECs)，特别是Ki67⁺IECs中显著升高（图1f-g）。这些结果表明HMGA1和IEC增殖之间存在潜在的关联。此外，IHC染色表明，HMGA1在CRC患者的肿瘤组织中被上调（图1h-i）。

图1. HMGA1在结直肠癌中高表达

2.2 HMGA1促进结直肠癌的发生发展

在体外实验中，HMGA1过表达能够显著增强CRC细胞的生长、增殖和克隆形成能力，而敲低HMGA1则产生相反效果。基于这些发现，研究者进一步在体内验证HMGA1的作用。通过CRISPR-Cas9系统构建了小肠上皮细胞特异性HMGA1条件性敲除小鼠(Hmga1^△IEC)和条件性过表达小鼠(Hmga1^IEC-OE/+)，并利用AOM/DSS诱导CRC（图2a）。结果显示，AOM/DSS诱导的Hmga1^IEC-OE/+小鼠与Rosa26^Hmga1/+（对照）小鼠相比，结肠直肠严重缩短，结肠中肿瘤数量和体积与显著增加，小鼠的存活率较低（图2b-e），Hmga1^IEC-OE/+小鼠的肠道结构在光学显微镜下基本正常，然而，AOM/DSS诱导的Hmga1^IEC-OE/+小鼠的结肠中，高级别异型增生(HGD)腺瘤和癌的比例大幅增加（图2f）。IHC染色显示，HMGA1的表达和Ki67阳性细胞的数量明显增加（图2g）。这些结果表明，HMGA1促进CRC细胞的恶性表型，并增强CRC肿瘤的生长。

图2. HMGA1促进结直肠癌的发生发展

2.3 HMGA1缺失抑制CRC的发生发展

随后为了进一步验证HMGA1在CRC肿瘤发生中的作用，将Hmga1^△IEC（敲除）小鼠和Hmga1^flox/flox（敲除对照）小鼠暴露在AOM/DSS中，以诱导CRC，结果表明与敲除对照相比，Hmga1^△IEC小鼠存活率提高，结肠直肠的肿瘤数量和大小显著减少。IHC染色显示，AOM/DSS诱导的Hmga1^△IEC小鼠结肠直肠的Ki67阳性细胞减少。这些结果表明，HMGA1缺失显著抑制CRC的增殖和肿瘤形成（图3）。

图3. HMGA1缺失抑制CRC的发生和发展

2.4 HMGA1促进脂质积累

为探索HMGA1是否通过调节脂质代谢促进CRC，研究者对Hmga1^△IEC小鼠和Hmga1^flox/flox小鼠的IECs进行了非靶代谢组学分析。结果显示，Hmga1^△IEC小鼠IECs中120种代谢物下调，其中脂肪酸及其衍生物显著减少（图4a-b），而 Hmga1^IEC-OE/+小鼠肿瘤组织中脂肪酸及游离脂肪酸显著上调。表明，HMGA1的表达与脂肪酸合成的激活之间存在正相关。在体外实验中，HMGA1过表达的CRC细胞显示油红O和Nile Red染色信号增强，甘油三酯(TG)、总胆固醇(TC)和游离脂肪酸(FFA)水平升高（图4c-e）。相反，HMGA1敲低细胞的脂质含量明显下降。在小鼠模型中，Hmga1^IEC-OE/+小鼠结肠组织中脂滴数量和总脂质显著增加，而 Hmga1^△IEC小鼠IECs的脂质积累明显减弱（图4f-g）。为了进一步确定HMGA1在de novo脂肪生成中的作用，使用¹³C标记葡萄糖追踪实验，HMGA1过表达细胞中新合成的饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸显著增加，而HMGA1敲低细胞中新合成脂肪酸减少（图4h）。

图4. HMGA1促进脂质积累

2.5 HMGA1上调FASN促进脂肪酸合成

为探索HMGA1促进脂质积累的机制，研究者在HT-29细胞中进行HMGA1敲低RNA-seq分析，结果显示HMGA1缺失显著下调脂肪酸合成相关基因，包括 FASN、ACLY和ACC1，但对脂肪酸β-氧化相关基因如ACSL4、ACOX1和CPT1A无明显影响（图5a-b）。进一步的¹³C-葡萄糖示踪实验显示，HMGA1 过表达细胞中新合成脂肪酸增加，而FASN抑制剂 orlistat能显著阻断该过程（图5c），qPCR与Western blot验证显示，HMGA1过表达可显著上调FASN蛋白水平，而敲出HMGA1则降低FASN表达（图5d）。提示FASN是HMGA1诱导de novo脂肪酸合成的关键介导分子。在人类CRC样本和小鼠模型中进一步验证得到，HMGA1的表达水平与FASN呈正相关，HMGA1过表达显著上调FASN，而HMGA1缺失则降低FASN表达。

图5. HMGA1上调CRC中的FASN

2.6 FASN在HMGA1促进脂质积累中起中介作用

在CRC细胞中，敲出HMGA1会显著降低细胞内中性脂质及TG、TC和FFA水平。将FASN转导入HMGA1敲低细胞后，这些脂质水平得到恢复，说明FASN能逆转HMGA1缺失引起的脂质下降。相反，敲出FASN或使用FASN抑制剂orlistat均能阻断HMGA1 过表达诱导的脂质积累和TG、TC、FFA水平升高。综上，FASN是HMGA1诱导CRC细胞脂质积累的关键介导分子。

2.7 HMGA1通过增强SREBP1活性促进FASN转录

为探究HMGA1调控FASN的机制，研究者首先假设HMGA1可能通过增强FASN转录促进脂质积累。ATAC-seq结果显示，HMGA1敲低降低FASN启动子区域染色质开放性，HMGA1过表达则增强开放性，提示其可影响转录因子结合（图6b）。利用FASN启动子荧光素酶报告系统，发现HMGA1敲低显著降低FASN启动子活性，过表达则增强活性（图6c-d）。进一步分析发现，HMGA1可与转录因子SREBP1直接结合并在细胞核共定位（图6g-h），功能实验显示SREBP1过表达可恢复HMGA1敲低导致的启动子活性下降，而敲低SREBP1则抑制HMGA1对FASN的调控（图6i-j）。通过对FASN启动子不同片段及SREBP1结合位点突变分析，确定关键位点为R2(−67~−48 bp)，ChIP实验证实HMGA1可促进 SREBP1 在该位点结合（图6l-n）。此外，HMGA1 的AT-hook II结构域(53–62 aa) 对FASN启动子活性必不可少。因此，得出结论，HMGA1通过其AT-hook II结构域促进FASN的转录激活。

图6. HMGA1通过增强SREBP1活性促进FASN转录

2.8 高脂饮食消除Hmga1^△IEC小鼠因HMGA1缺失产生的CRC肿瘤发生保护作用

为了验证脂质合成在HMGA1介导的CRC肿瘤发生中的作用，研究者对Hmga1^flox/flox（对照）和Hmga1^△IEC小鼠饲喂高脂饮食(HFD)，并用AOM/DSS诱导CRC。结果显示，HFD加剧了肿瘤发生，降低了对照小鼠存活率，并增加肿瘤数量和体积；在Hmga1^△IEC小鼠中，HFD同样显著提升了肿瘤组织中Ki67阳性细胞比例（图7）。该结果表明，高脂饮食可以消除HMGA1缺失对CRC的保护作用，进一步支持脂质供应在HMGA1促进CRC中的关键作用。

图7. HFD消除了Hmga1^△IEC小鼠中HMGA1缺失对CRC肿瘤发生的保护作用

2.9 抑制FASN介导的脂质合成废除了HMGA1促进的CRC肿瘤发生

为了验证FASN在HMGA1促进CRC中的关键作用，研究者在AOM/DSS诱导的Hmga1^IEC-OE/+和Rosa26^Hmga1/+中，通过灌胃FASN抑制剂orlistat（50 mg/kg，每隔一天）进行干预。结果显示，orlistat显著延长Hmga1^IEC-OE/+小鼠存活率，降低肿瘤数量和体积，减少LGD、HGD和腺癌比例，同时降低肿瘤中Ki67阳性细胞比例；对对照小鼠也同样有效（图8）。该实验结果表明，抑制FASN介导的脂质合成能够显著抑制HMGA1促进的CRC肿瘤发生，证明FASN是HMGA1促进肿瘤的关键介导分子，并提示其在CRC干预中具有潜在应用价值。

图8. 抑制FASN介导的脂质合成可有效抑制HMGA1促进的CRC肿瘤发生

研究结论

本研究揭示了HMGA1在CRC发生发展中的致癌作用及其机制。HMGA1通过增强SREBP1对FASN启动子的转录活性，上调FASN表达，促进de novo脂肪酸合成和脂质积累，从而推动肠上皮细胞和肿瘤细胞增殖。高脂饮食可削弱HMGA1缺失的保护作用，而FASN抑制剂orlistat则有效抑制HMGA1过表达诱导的肿瘤发生。这些结果表明，HMGA1-FASN脂质代谢通路是CRC的关键促癌机制，为HMGA1高表达CRC的治疗提供了潜在干预靶点。

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