第一段是废话：
本系列文献专栏是自己继QQ空间每日金曲和pyq小作文之后的又一次系列性尝试。其实这个想法七月初就有了，但是鉴于本人各种拖延，不同的主题的草稿也打有三四份，不过最终全部删掉了。现在出现的版本其实也算是过期了的（因为JC上周四就开了qwq），但是念想着无论如何 “万事开头难”， 至少也得先有开头吧… …于是就腆着B脸把第一期发出来了。希望自己能坚持下去！
固定开头：
本人为南京大学生命科学学院本科在读。感兴趣的领域包括但不限于皮肤干细胞活动中的代谢调控与再生生物学、炎症小分子药理学以及miRNA的医疗应用。专栏内容仅代表本人对所选文献主观而粗浅的提炼与认知，不足以及错误之处请大家批评指正！
今天分享的是今年4月27日见刊于Nature的研究论文，题为“β-Hydroxybutyrate suppresses colorectal cancer”【1】，第一通讯作者为宾夕法尼亚大学Perelman医学院微生物学系的助理教授Maayan Levy。她的课题组致力于发掘微生物与宿主间的关联机制，并重点关注为此类关联提供重要媒介的肠道上皮细胞。
文章概览
结肠直肠癌症（colorectal cancer，CRC）的发生与饮食模式相关【2】。对于促使CRC发展的饮食习惯，如高糖饮食和大量红肉蛋白的摄入都会增加患结肠直肠癌的风险【3，4】。不过在对高风险的饮食模式有相对完整认知的同时，我们尚不清楚什么饮食习惯能够干预CRC的产生。虽然禁食和热量摄入限制在动物模型上已经得到了很好的验证【5，6】，但是对于相当部分患病人群尤其是身体虚弱且消瘦的患者难以临床应用。
为了探寻饮食干预对肠道肿瘤生长的影响，研究团队设计了恒定宏量营养素和蛋白质，不同的脂肪/碳水比例的六种小鼠饲料，包括了两类分别含有90%的动物或植物脂肪的生酮饲料（ketogenic diets, KDs）。对分别喂养不同饲料的小鼠进行药物诱导的肠癌造模结果表明食用脂肪含量更高的饲料的小鼠肠道内的肿瘤数量和尺寸都明显更小，而相似的现象在转基因肿瘤模型小鼠中也被观察到了。随后作者将生酮饲料的喂养延迟到到药物造模的后期，发现生酮饲喂周期内依旧有显著的肿瘤症状减轻的情况。即：KD无论在预防还是治疗模型都能展现抑制结肠直肠肿瘤的效果。
为进一步确定KD抑制肿瘤的具体机制，研究人员在消除了热量摄入差异带来的影响的同时，先行排除了免疫细胞介导和炎症小体两种可能。他们发现无论是CRC小鼠还是处于稳态的小鼠，饲喂了KD之后都会表现出肠上皮细胞增殖的显著下调，而主导肠上皮更新的正是位于肠隐窝（intestinal crypts）底部的Lgr5+ 干细胞。而贯穿整个研究的体外实验的主要方法——类器官培养（organoid culture）【图1】正是采取了这一部位的组织，用于在体外模拟肠道肿瘤生长以及被调控的过程。
在区分KD对Lgr5+ 干细胞和潘氏细胞（Paneth cells，同样位于肠隐窝）的影响之后，分别在乙酰乙酸（AcAc）和β羟基丁酸（BHB）两类酮体存在情况下的类器官培养证实组织块生长受到BHB的抑制【图1】。来自不同模型小鼠的类器官培养以及后续的体内实验对比也证实这点：KD中的BHB在抑制肿瘤生长中扮演重要角色。
确定了作用源头后，第二步便是确定BHB究竟对下游哪个因子造成了何种影响，继而改变的病变表型。BHB处理后的类器官出现了基因表达的整体性改变，RNA-seq的结果表明一种名为Hopx的已知致瘤性负调控因子的表达量显著提升【7】。在假定Hopx参与BHB介导的抑癌过程的情形下，作者将Hopx缺陷型小鼠和野生型小鼠的组织块在BHB中培养，发现Hopx缺陷型组织块的生长不再受到BHB浓度的影响【图3】，有趣的是Hopx的过表达无论在WT小鼠还是肿瘤小鼠的类器官中都会抑制组织继续生长。随后的体内实验证实了KD饲喂也能同样激发Hopx表达的上调，且在Hopx缺陷型小鼠和WT小鼠都得肠道肿瘤的情况下，KD饲养对缺陷型小鼠也不再奏效【图4】。值得注意的是，文章提到无论是葡糖限制（glucose restriction）还是BHB的补充都会降低肿瘤载量。而通过比较，BHB的抑瘤效果完全依赖于Hopx的表达而后者与之并无关系。即：作者在证明了Hopx上调在BHB介导的抑癌作用中的充要性之外，也强调了BHB supplementation 与glucose restriction 通过两条完全不同的下游机制以达到抑制肿瘤的不同效果。
当一头（BHB）一尾（Hopx）被精准定位后，最后便是找到中间的介导因子。鉴于先前有BHB抑制组蛋白脱乙酰基酶（histone deacetylases, HDACs）的报道【8】，研究人员利用伏地诺他（vorinostat）——一种HDAC的药理阻断物来考察HDAC在BHB抑癌作用中的必要性。遗憾的是Hopx的基因并不在伏地诺他所能上调的范围内。他们不得不考虑第二种可能：Hopx的基因（为什么我没法让字母斜体23333）所在位点在癌症个体内经常出现超甲基化（hyper-methylate）【7】，所以BHB会有诱导改变DNA甲基化程度的可能吗？结果是Hopx其DNA位点并不受影响，甲基化程度也不随实验分组而表现明显的差异，所以DNA甲基化程度与BHB和KD的抑癌效果相关联的假设也被否定。
邵峰老师曾说过，遇事不决就screen看一下。作者针对可能在BHB下游作用的候选基因进行以类器官为基础的CRISPR screen【图5】， 而来源于Cas9-expressing小鼠的类器官组织将会被不同的gRNA打靶，每个候选基因平均有4个不同的gRNAs。将类器官置于BHB中并观察他们的生长情况，发现大部分基因缺陷型类器官中BHB都能有效抑制其生长，唯独所有4个靶向Hcar2的基因（没法斜体要命了SOS）gRNAs赋予组织对BHB抑制效果的抗性，表明Hcar2可能就是BHB抑癌效应的潜在调节物。而后续针对不同模型鼠的体内实验证实了作者的猜想。综上，KD通过BHB-Hcar2-Hopx轴达到抑制CRC的作用。
讨论
这篇文章针对KD-BHB-Hcar2-Hopx这条轴各个因素之间充要关系的论证足够充分扎实，也是能登上正刊的一大原因。在文章最后还做了基于人体的类器官培养体外实验，以此证明BHB对于患者确实存在应用潜力。抑制肠上皮更新的功能也许只是BHB控制资源再分配，使机体在饥饿时不再需要外周组织的能量密集型更新的作用的表现之一。同一代谢物不仅能够作为能源，也能作为信号分子在机体营养匮乏时适当迟滞外周组织的生长，尽可能调节机体稳态。
饮食干预的应用潜力依然很诱人，长期固定的饮食模式对于常人依旧很难坚持，同时长时间的特定饮食造成的副作用也还未被阐释清楚。BHB介导的抑癌作用可以为现有的疗法提供参考，将来也许会开发出相关的方案辅助手术、化疗等主流疗法共同治疗患者。
师兄JC上提到本文的一个小小的突兀便是Hopx的提出。不过也有可能是第二通讯作者Christoph A. Thasis参与的缘故。他从PhD开始研究这个因子，也许这么被BHB上调的基因唯独Hopx被选中离不开Dr. Thasis前期的工作以及两个lab之间的cooperation。（缘，妙不可言）
参考文献与原文链接
【1】Dmitrieva-Posocco, O., Wong, A.C., Lundgren, P. et al. β-Hydroxybutyrate suppresses colorectal cancer. Nature 605, 160–165 (2022).
【2】Dekker, E., Tanis, P. J., Vleugels, J. L. A., Kasi, P. M. & Wallace, M. B. Colorectal cancer. Lancet 394, 1467–1480 (2019).
【3】Xu, J. et al. Association between markers of glucose metabolism and risk of colorectal cancer. BMJ Open 6, e011430 (2016).
【4】Aggarwal, B. B. & Shishodia, S. Molecular targets of dietary agents for prevention and therapy of cancer. Biochem. Pharmacol. 71, 1397–1421 (2006).
【5】Di Tano, M. et al. Synergistic effect of fasting-mimicking diet and vitamin C against KRAS mutated cancers. Nat. Commun. 11, 2332 (2020).
【6】Weng, M. L. et al. Fasting inhibits aerobic glycolysis and proliferation in colorectal cancer
via the Fdft1-mediated AKT/mTOR/HIF1α pathway suppression. Nat. Commun. 11, 1869
(2020).
【7】Yamashita, K., Katoh, H. & Watanabe, M. The homeobox only protein homeobox (HOPX)
and colorectal cancer. Int. J. Mol. Sci. 14, 23231–23243 (2013).
【8】Shimazu, T. et al. Suppression of oxidative stress by β-hydroxybutyrate, an endogenous
histone deacetylase inhibitor. Science 339, 211–214 (2013).