科学家发现应激反应保护肝脏的新机制，或将和礼来公司研发新药

近日，针对脂肪肝病和肝癌，上海中医药大学何锋研究员和合作者发现了关于这些重要疾病的新知识。

传统观念认为，脂肪肝病相关的应激反应，可能会加重脂肪肝病的进展和以及促使肝癌的发生。

而实际上，该团队发现应激反应通过调节细胞和组织稳态，可以保护受到损伤的肝组织，以及可以预防肝癌的发生。

图 | 何锋（来源：何锋）

此前，很多课题都集中在研究应激反应对于癌细胞的生长、增殖、转移等促进功能，针对内质网应激反应在正常肝脏中的生理和病理功能中的研究，一直处于缺乏的状态，而该本次研究正好弥补了这一空白。

肝损伤、以及肝细胞死亡引起的炎症，与肝癌的发生紧密关联。不同的刺激因素，会引起不同的肝细胞死亡方式，由此会引起肝损伤和炎症。

这些死亡方式主要包括细胞坏死、坏死性凋亡和凋亡细胞死亡，不少癌症治疗手段和炎症治疗手段，都是在对这些死亡方式进行调控。

目前，人们依旧不清楚新的细胞死亡方式在肝损伤和炎症中的作用，因此在预防、治疗肝炎和肝癌时，人们依旧缺乏有效方法和药物。

肝癌是全球第三大癌症死因和第六大高发癌症，也是中国的第三大癌症死因和第四高发癌症。中国肝癌死亡人数和发病人数分别占全球的 47% 和 65% 以上。

肝癌主要由乙型肝炎病毒（HBV，Hepatitis B virus）和丙型肝炎病毒（HCV，Hepatitis C virus）感染、酗酒、环境毒物以及非酒精性脂肪肝引起。1990 年代初，中国广泛推广 HBV 疫苗以及有效的 HCV 治疗药物，因此国内与病毒相关的肝癌已经持续减少。

随着中国经济的快速发展、生活方式的转变以及环境污染的增加，目前中国 60% 以上的肝病发病率，是由于环境毒物药物和非酒精性脂肪肝（NAFL，non-alcoholic fatty liver）引起。

它们分别会引起毒物性脂肪肝病（TAFLD，Toxicant-associated fatty liver disease）和非酒精性脂肪肝病（NAFLD，Non-alcoholic fatty liver disease），两者在临床上的病理学特征和组织学特征非常相似，目前常被称为代谢功能障碍相关脂肪肝（MAFLD，Metabolic dysfunction-associated fatty liver disease），并且超过了酒精肝（ALD，Alcoholic liver disease）和病毒性肝炎所引起的肝病。

其中，非酒精性脂肪肝容易引发肝脏炎症反应、纤维化、肝硬化等症状，最终会导致肝癌。

此外，不良饮食习惯、肥胖和糖尿病等疾病，在全球人口死亡原因中占比 20%。肥胖和 II 型糖尿病，已经成为全球主要流行性疾病，它们会大大增加非酒精性脂肪肝和癌症的风险。

考虑到肥胖和糖尿病在全球的流行，毒物性脂肪肝病和非酒精性脂肪肝病引发的肝癌发生率和死亡率预计会持续上升。

脂肪肝病的发病进程如下：从简单的脂肪肝、到肝炎、到肝硬化、最终会演变为肝癌。目前，针对肝癌的临床早期检测和治疗手段非常有限。此外，很多大型肝癌随机对照临床试验都没有取得好的效果。

这主要是因为：当前针对肝癌发生和发展的生物学基础研究以及转化医学研究，依旧存在很多不足。因此，亟需加强研发肝癌创新诊断治疗策略、以及实施基础研究结果的转化。

肝脏是人体重要的代谢器官，很多食物、药物和毒物都在肝内代谢，这会直接或间接地破坏肝细胞稳态平衡进而产生肝损伤。这些外部环境刺激会破坏细胞的功能，并会引起机体和细胞的内质网应激，进而导致细胞应激反应、细胞死亡、肝损伤、非酒精性脂肪肝病以及组织器官功能异常。

此前，关于应激反应在正常肝细胞的功能、以及在脂肪性肝炎中的功能，一直研究不足。尤其对于脂肪性肝病发展为肝癌中的功能，一直没有相关研究。

何锋团队在研究非酒精性脂肪肝病的疾病进展中发现，内质网应激和营养过剩的联合作用，会引起脂肝损伤和肪性肝炎，进而会引起向肝癌的转变。但是，其背后的具体机制尚未探明。

因此，在该研究中课题组探索了应激反应脂肪肝疾病发展为肝癌中的作用、以及应激反应引起细胞死亡的机制，希望借此可以发现肝炎和肝癌防治的新方法。

该团队发现内质网应激反应中的关键蛋白 ATF4，在机体发生内质网应激反应时会出现表达增加的情况，当肝脏 ATF4 被敲除之后，肝脏损伤和炎症则会增加。

为了研究 ATF4 在肝癌发生发展中的作用，他们建立了一种非酒精性脂肪肝炎和肝癌的小鼠模型，以模拟患者中的非酒精性脂肪肝病转向肝癌的过程。

研究中，他们使用高脂饮食来喂养 MUP-uPA 小鼠，之后 MUP-uPA 小鼠在肝细胞中表达了肝特异性 uPA，这导致肝细胞内质网出现应激反应和肝损伤。

高脂肪饮食喂养的 MUP-uPA 小鼠所引起的肝炎和肝癌和临床脂肪肝病患者的肝炎和肝癌存在相同的病理学特征。

接着，该团队使用肝脏 ATF4 基因敲除的小鼠建立了肝癌模型。实验结果显示，肝脏 ATF4 被敲除之后的 MUP-uPA 小鼠，虽然肝脏脂肪变性程度得到显著减轻，但是肝损伤和肝炎变得更加严重，并且发展为肝癌。

进一步机制研究表明，ATF4 主要通过调节 SLC7A11 的表达，影响谷胱甘肽合成，从而起到抑制铁死亡的作用，最终可以缓解肝损伤和肝癌发生。

总结而言，研究人员发现应激反应蛋白 ATF4 和铁死亡在肝损伤和炎癌转化中扮演重要角色。由于癌细胞能够充分利用应激反应和铁死亡的机制，从而促进癌细胞的增长和转移，因此 ATF4 被认为是一种促癌蛋白。

但是，在正常细胞或癌症的发生过程中，ATF4 通过调节代谢来抑制铁死亡，以便维持机体和组织的稳态，进而可以抑制非酒精性脂肪肝病发展为肝炎和肝癌。

而该研究揭示了癌症发生前后的两种不同功能，对于肝癌的早期预防和后期治疗有着重要价值。通过研发小分子药物可以靶向 ATF4 和铁死亡，通过剂量和处理时间可以实现癌症的预防和治疗。

此前有报道显示，脂肪肝与肝脏内质网应激有着密切关系，但是人们依旧不清楚其与脂肪型肝炎以及与癌症的关系。

被高脂饮食喂养之后的 MUP-uPA 小鼠产生了肝炎，研究人员以此作为肝癌模型中的内质网应激信号通路。

脂肪性肝炎会引起肝癌，而针对这类病人的多种组织学病理学特征，课题组及合作者建立的肝炎肝癌小鼠模型可以很好地模拟患者的这些病理学特征。

他们发现 MUP-uPA 小鼠肝脏中有着很高的内质网应激反应，关键蛋白 ATF4 出现了表达上调的情况。

因此，他们进一步研究了 ATF4 在其中的功能，通过建立肝细胞特异性 ATF4 基因敲除小鼠，从而在体内和体外研究了 ATF4 在小鼠肝炎和肝癌模型中的病理学功能。

在获得肝炎肝癌表型之后，研究团队采用转录组学方法和基因敲除挽救实验，对 ATF4 调节肝癌发生的机制进行了深入研究。

接着，又对 ATF4 调控的下游通路进行探索，发现了谷胱甘肽代谢和其关键调节蛋白 SLC7A11 的调节作用。

同时，该团队也研究了会引发肝损伤的肝细胞死亡方式，借此发现了铁死亡在其中的作用。

最后，通过分析非酒精性脂肪性肝炎和肝癌病人中 ATF4-SLC7A11 信号通路中的表达情况，证实了课题组的发现。这为进一步地了解应激反应，尤其是 ATF4 在肝癌发生和发展中的作用，以及寻找潜在治疗靶点提供了帮助。

在研究过程中合作者提供了慷慨的帮助，确保了本次课题的顺利完成。在建立新型非酒精性脂肪性肝炎和肝癌模型时，由于需要转基因小鼠 MUP-uPA，因此他们联系了这一小鼠的拥有者——美国威斯康星大学麦迪逊分校的埃里克·桑格伦（Eric P. Sandgren）教授。

美国爱荷华大学的克里斯托弗·亚当斯（Christopher Adams）教授则将 Atf4F/F 小鼠赠予他们，以便何锋团队可以建立条件性的 ATF4 敲除小鼠。此外，美国加州大学圣地亚哥分校迈克尔·卡林（Michael Karin）院士也指导了本次课题。

何锋表示：“该课题一开始是在 Karin 实验室进行，期间我们得到了很多建议。同时，在课题资金出现困难时，我们获得了礼来公司的研究创新基金。此外，感谢礼来公司 Benjamin Yaden 教授为此次课题提出的宝贵意见。”

“课题的顺利完成也离不开上海中医药大学各单位的大力支持，尤其在疫情政策调整期间，在上海出现大量阳性感染患者的情况下，学校电镜研究中心的袁琳、姜逸和胡娜等多位老师，克服困难帮助我们完成样本制备和数据采集，让我们可以顺利完成此次工作。”何锋继续表示。

最终，相关论文以《ATF4 通过诱导 SLC7A11（xCT）阻断应激相关的铁死亡来抑制肝癌的发生》（ATF4 suppresses hepatocarcinogenesis by inducing SLC7A11（xCT）to block stress-related ferroptosis）为题发表在 Journal of Hepatology 上[1]。

何锋担任论文第一作者和共同通讯，美国礼来制药公司糖尿病新型治疗和外部合作部副总裁本杰明·亚登（Benjamin Yaden）、以及美国加州大学圣地亚哥分校迈克尔·卡林（Michael Karin）院士担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Journal of Hepatology）

未来，何锋和团队将根据本次成果，继续研究应激反应的生物学功能，并将针对本次成果的应用前景进行开发。比如，通过研发小分子药物可以来靶向 ATF4 和铁死亡，从而让 ATF4 和铁死亡调节剂发挥肿瘤防治的功能。

此外，外部环境时刻都和生物体保持着信息交流，环境压力是无处不在的，它们时刻威胁和破坏着细胞功能。因此，维持体内平衡是机体健康和生存的关键。

但是，机体和细胞具备一种在进化上呈保守特征的稳态程序，即通过应激反应来维持机体，从而恢复体内的平衡。

更多了解应激反应这一普遍存在的保守信号能够帮助人们了解疾病进展机制和防治方法。

另据悉，何锋曾获得 Eli Lilly 的科研创新奖以及 Joy Cappel 青年研究员奖，并承担 Eli Lilly 非酒精性脂肪肝炎和肝癌的研究。

他表示，这些奖项是很有竞争性的，能够入选也说明了自己的研究内容和方向对于解决目前重要的临床问题很有价值，同时这也可以帮助他更好地了解如何将基础研究加以应用。他说：“我们在基础研究中遇到的一些问题，可以通过和公司合作来解决。通过和工业界的合作和学习，可以更好地学习如何将研究成果转化。

何锋继续说道：“尤其是在获得 Eli Lilly 的科研创新奖后，这些资助大大解决了作为年轻研究人员常常所面临的研究资金不足的问题，让我能够顺利完成我的研究项目，并且加强了我和礼来公司相关部门的研究和合作。”

而在合作交流之中，何锋也获得了很多灵感和研究思路。例如，他可以直接和礼来公司糖尿病治疗和外部创新部的 Benjamin Yaden 副总裁保持紧密的沟通和合作。

在开展广泛合作的同时，何锋也在开展相关新的研究领域以便全面系统地研究代谢性疾病及其防治策略，希望未来能够有一些新的发现。

参考资料：

1.He, F., Zhang, P., Liu, J., Wang, R., Kaufman, R. J., Yaden, B. C., & Karin, M. (2023). ATF4 suppresses hepatocarcinogenesis by inducing SLC7A11 (xCT) to block stress-related ferroptosis. Journal of Hepatology.