ADH1C下调：结肠上皮细胞应对缺氧与结直肠癌发生的关键适应性机制

《The American Journal of Pathology》：ADH1C downregulation is a key hypoxia response in colon epithelium

本研究针对结直肠癌（CRC）中常见的缺氧微环境如何影响正常结肠上皮细胞这一关键问题，通过建立人源结肠类器官（colonoids）体外缺氧模型，结合患者缺血性结肠炎及CRC组织验证，首次揭示酒精 dehydrogenase 1C（ADH1C）是结肠上皮缺氧应答中最显著下调的基因。研究发现ADH1C下调通过调控丝氨酸合成通路（SSP）和活性氧（ROS）平衡促进缺氧耐受，其表达模式与隐窝中 Transit Amplifying（TA）细胞特征相关，且在ADH1C低表达的CRC中富集缺氧特征。该研究为理解正常上皮适应缺氧的分子机制及CRC靶向治疗提供了新视角。

在人体复杂的肠道环境中，氧气浓度如同一个精密的调节器，既维持着正常的生理功能，又参与着疾病的进程。结肠黏膜本身就处于一种“生理性缺氧”状态，而结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）内部更是常常出现严重的缺氧区域，这种缺氧微环境与肿瘤的进展、转移和治疗抵抗密切相关。然而，我们对于正常的、非癌变的结肠上皮细胞是如何适应缺氧环境的了解却相当有限。这些早期的适应性改变，很可能揭示了在癌症发生后期被复杂基因组变异所掩盖的分子弱点。为了揭开这个谜题，来自约翰斯·霍普金斯大学医学院的研究团队将目光投向了能高度模拟人体结肠上皮特征的三维培养模型——人源结肠类器官（human colon organoids, colonoids），展开了一项深入探索，其研究成果发表在《The American Journal of Pathology》上。

研究人员利用结肠类器官模型，将其置于持续低氧（0.2% 和 1% O₂）条件下培养，模拟病理性和生理性缺氧。他们通过转录组测序（RNA sequencing）、免疫组织化学（Immunohistochemistry）、单细胞RNA测序（single-cell RNA sequencing）和空间转录组学（spatial transcriptomics）等技术，并结合患者缺血性结肠炎和CRC组织样本进行分析，旨在系统揭示结肠上皮细胞在缺氧条件下的适应性转录变化、关键调控分子及其功能机制。

正常人类结肠类器官适应缺氧

研究首先证实，正常人类结肠类器官能够在低至0.2% O₂的缺氧环境下存活，且存活率与常氧对照组无显著差异，表明结肠上皮细胞具有内在的缺氧耐受能力。

缺氧结肠类器官的表达谱与CRC存在重叠

对缺氧处理的结肠类器官进行RNA测序分析发现，其基因表达谱显著富集了缺氧相关信号。值得注意的是，在四个不同的结肠类器官系中，酒精 dehydrogenase 1C（ADH1C）是唯一一个在所有系中均一致下调的基因。通路分析显示，差异表达基因与低氧应答、结肠炎和CRC等通路密切相关。

ADH1C下调是正常结肠类器官、人类缺血性结肠炎和人类CRC中缺氧反应的标志

ADH1C的下调在缺氧16小时后即可检测到，并可持续至少2周。在人类缺血性结肠炎患者的活检组织中，ADH1C的mRNA和蛋白水平均显著下调，而缺氧诱导因子HIF1α的靶基因VEGFA和CA9则上调，在体内验证了这一发现。此外，在TCGA（The Cancer Genome Atlas）结直肠癌数据库中，ADH1C在肿瘤组织中的表达显著低于正常组织，且ADH1C低表达的CRC肿瘤显著富集了从本研究的结肠类器官中鉴定出的缺氧特征基因集。

ADH1C下调减弱结肠上皮中缺氧诱导的ROS

为了探究ADH1C下调的功能意义，研究人员构建了可诱导过表达ADH1C的结肠类器官系。研究发现，在缺氧条件下强制表达ADH1C会导致活性氧（ROS）水平升高，并与SSP通路抑制剂NCT-503（PHGDH抑制剂）协同作用，进一步增加ROS并降低NADPH水平。这表明在缺氧条件下下调ADH1C有助于缓解氧化应激。

ADH1C转录本定位于正常隐窝中的 Transit Amplifying 细胞和祖细胞

通过空间转录组学和单细胞RNA测序分析发现，ADH1C在结肠隐窝中的表达并非均匀分布，其转录本主要富集在隐窝中下部的 Transit Amplifying（TA）细胞和吸收性祖细胞中，而在分化成熟的细胞类型中表达较低。

缺氧导致 Transit Amplifying 细胞特征下调和再生标记FGFBP1上调

基因集富集分析显示，缺氧结肠类器官中TA细胞的转录特征显著减少。同时，缺氧以及患者缺血性结肠炎组织均诱导了与损伤后再生相关的干细胞标志物FGFBP1的表达上调。

主要技术方法概述

本研究关键技术包括：利用人手术切除组织来源的正常结肠类器官进行体外缺氧培养；通过RNA测序进行转录组分析；构建可诱导过表达ADH1C的慢病毒载体并转导类器官；使用流式细胞术检测活性氧（ROS），荧光素酶法检测NADPH/NADP比率；对存档的福尔马林固定石蜡包埋（FFPE）患者缺血性结肠炎和CRC组织进行免疫组织化学（IHC）验证；分析公共单细胞RNA测序和空间转录组学数据（10X Genomics Xenium）。

结论与讨论

本研究确立了ADH1C作为结肠上皮细胞应对缺氧的关键介质。ADH1C在生理状态下特异性表达于隐窝的TA/祖细胞区室，其下调是结肠上皮应对缺氧的一个早期且保守的适应性反应。这种下调通过减轻缺氧相关的氧化应激（可能与调节SSP和NADPH平衡有关），并伴随细胞身份从TA状态向表达再生标志物FGFBP1的状态转变，从而促进上皮在缺氧压力下的存活。在结直肠癌中，ADH1C的低表达可能保留了这种适应缺氧的转录程序，这为理解CRC，特别是与缺氧微环境相关的亚型的发病机制提供了新的视角。该研究强调了在癌症发生早期阶段研究正常细胞对肿瘤相关微环境（如缺氧）适应性反应的重要性，有助于发现新的分子漏洞和潜在的干预靶点。