导读
在各行各业，有许多工作的工作时间并不规律，也有部分人群因为生活习惯，经常面临昼夜颠倒的情况。前期有一些人类和动物研究结果表明，通过遗传或环境手段破坏昼夜节律会增加患癌风险，包括患肺腺癌（LUAD）的风险，而肺癌又是全世界男性和女性癌症死亡的主要原因之一。
哺乳动物的昼夜节律机制由一个自动调节的转录-翻译反馈回路组成。越来越多的证据表明，生物钟成分在调节癌症的几个特征方面起着关键作用，包括控制细胞增殖、细胞死亡、DNA 修复和代谢改变等。然而，生物钟紊乱和肿瘤发生之间的确切关联机制仍然知之甚少。
近日，来自美国斯克里普斯研究所的研究团队在 Science Advances 发表了题为 Circadian disruption enhances HSF1 signaling and tumorigenesis in Kras-driven lung cancer 的文章。该研究表明昼夜节律紊乱改变了小鼠肝脏和肺部的基因表达，并使小鼠生长的肿瘤更多，并发现热休克因子 1（HSF1）信号的慢性升高可能是昼夜节律紊乱和癌症风险增加之间的关键分子桥梁。
HSF1 可以对体内温度的变化做出反应，该研究结果表明昼夜节律紊乱与癌症之间的联系可能与温度调节有关。
图片来源：Science Advances
主要研究内容
昼夜节律紊乱增加 Krasg12d 驱动的肺肿瘤负担
为了模拟功能性昼夜节律系统的慢性破坏，他们使用了 CJL 模型（chronic jetlag, 即慢性时差反应），包括每 2 或 3 天重复一次 8 小时的光相位提前，这种改变的光照方案模拟了人类在轮班工作中面临的昼夜节律干扰。
正如所预期的那样，昼夜节律紊乱极大地影响了肺、肝脏和脾脏中核心时钟基因的表达，使其丧失了周期性的表达。同样地，生物钟的组成部分在蛋白质水平上也被严重破坏，时钟调控基因的表达也受到影响。
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为了研究光诱导昼夜节律紊乱对肺肿瘤发生的影响，他们使用了 Krasg12d 驱动的肺肿瘤小鼠模型 (简称「K 鼠」)，该模型具有自然发生的 Kras 驱动的肺癌的许多临床特征。在模型构建 25 周后，他们观察到 CJL 条件下小鼠的肿瘤负担显著增加了约 68%。这种增加归因于肿瘤数量的增加，而不是肿瘤的大小。这表明在该模型中，CJL 影响了肿瘤进展的早期事件。
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昼夜节律紊乱进一步扰乱了 K 鼠肿瘤中已经失调的生物钟机制
为了确定在 K 鼠体内 CJL 致瘤性作用的潜在机制，他们比较了位于正常或 CJL 条件下 K 鼠的肿瘤和全肺的转录组特征。值得注意的是，在标准光照条件下的小鼠肿瘤中，核心时钟基因的节律性表达被保留了下来，只是一些时钟基因的表达幅度出现了下降。
为了进一步评估 CJL 是否破坏了 K 鼠肿瘤中的节律，他们使用了时钟相关距离（CCD）算法，该算法基于 12 个时钟基因的相关共表达推断一组样本中生物钟进展的规律性，CCD 得分越高，表明昼夜节律性的破坏越严重。
分析结果显示，健康小鼠肺的 CCD 评分低于正常光照下饲养的肿瘤小鼠；CJL 环境下小鼠中收集的肿瘤 CCD 评分则是高于正常光照下的肿瘤小鼠。这些结果表明，与正常光照条件下的健康肺组织相比，K 鼠肿瘤中生物钟进展失调，而昼夜节律紊乱则进一步扰乱了 Krasg12d 驱动的肺肿瘤中已经被打乱的生物钟。
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HSF1 的节律性积累和转录活性受到昼夜节律紊乱的干扰
基于转录组数据，研究人员探索了在肿瘤和肺中持续受昼夜节律紊乱影响的基因调控网络，他们发现，在昼夜节律紊乱的 K 鼠组织中，编码各种热休克蛋白（HSPs）的基因表达上调。此外，基因集富集分析和 qPCR 转录本分析也一步支持了昼夜节律紊乱导致这些样品中 HSF1 介导的热休克反应升高的观点。
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HSPs 的作用是增强细胞的蛋白酶平衡能力，防止潜在毒性蛋白聚集物的病理积累。先前的研究也表明，在小鼠肝脏中，HSF1 水平每日会随体温节律波动，HSF1 也被作为一种昼夜节律转录因子。
为了确定肺组织中是否也存在这种情况，并评估昼夜节律紊乱对 HSF1 的影响，他们检测了肺 HSF1 蛋白水平的变化。结果表明，正常情况下，肺 HSF1 蛋白水平表现出强烈的节律振荡；然而，CJL 处理后，这种节律的振幅被减弱，但相位被保留（或仅轻微偏移），导致 HSF1 在光照开始时的积累增强。来自不同队列小鼠的 HSF1 靶基因的表达谱也反映了 HSF1 节律的改变。这些结果表明，昼夜节律紊乱扰乱了肺中 HSF1 转录活性的稳态调节，这可能与其他致癌因素结合导致肿瘤启动增强。
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HSF1 信号通路影响人类 KRAS 突变型肺癌
为了探究 HSF1 对人类肺腺癌的潜在影响，他们使用一种直接靶向 HSF1 的抑制剂（DTHIB）治疗人类肺癌细胞系，该抑制剂已被证明可以刺激 HSF1 核降解并抑制前列腺癌异种移植瘤的生长。他们发现，DTHIB 以剂量依赖性的方式减缓了两种具有 KRASG12D 杂合子突变的人肺腺癌细胞系的生长，DTHIB 治疗后肺癌细胞的增殖显著下降。这些结果共同表明，HSF1 是 KRAS 驱动的两种人类肺腺癌细胞模型中细胞增殖的重要贡献者。
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结语
许多细胞自主和系统机制易受昼夜节律中断的改变，并可影响肿瘤的发生。在这项工作中，该团队揭示了昼夜节律紊乱影响 Kras 驱动小鼠肺腺癌肿瘤形成的早期事件。他们发现，暴露在改变的环境光照中，会导致肺和肺肿瘤中 HSF1 信号的失调，而 HSF1 活性对昼夜节律紊乱的响应可能在增加肿瘤形成中发挥重要作用。
本研究通讯作者 Katja A. Lamia 教授说到：「通常情况下，我们睡觉时体温会变化一到两度。如果昼夜颠倒的人没有经历正常的体温下降，它可能会干扰 HSF1 通路的正常运作，并最终导致更多的身体失调。而癌细胞可能会利用 HSF1 通路为自己谋取利益，并产生突变的、错误折叠的蛋白质。」
这些发现不仅有助于人们理解昼夜节律如何影响癌症，而且提供了一种保护更脆弱的风险群体的预防性方法。通过对体温的非侵入性监测，有可能优化夜班工人的时间表，甚至阻止这种可能导致癌症的失调。
目前，我们已经知道 HSF1、昼夜节律紊乱和肿瘤生长之间存在联系，那么下一步的工作就是确定它们之间确切的关联以及更为详尽的分子机制。
参考文献：
1. Pariollaud et al., Circadian disruption enhances HSF1 signaling and tumorigenesis in Kras-driven lung cancer Sci. Adv. 8, eabo1123 (2022).
2. M. Pariollaud, K. A. Lamia, Cancer in the fourth dimension: What is the impact of circadian disruption? Cancer Discov. 10, 1455–1464 (2020).
3. R. L. Siegel, K. D. Miller, A. Jemal, Cancer statistics, 2020. CA Cancer J. Clin. 70, 7–30 (2020).
