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【Cancer Cell】单细胞ATAC多组学联合类器官药物实验: Midkine是乳腺衰老和乳腺癌发生的驱动因素

11小时前

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  2025年初,寻因推出了商业化scATAC&RNA-seq“一胞双组”解决方案,基于寻因丰富的单细胞项目经验和随机引物技术,以一套标签同时实现了对全转录组RNA和开放性DNA的捕获,不仅提高了技术稳定性、降低成本,而且提供了更多分析维度,为我们研究细胞功能和基因表达调控提供了强有力的支持。

  寻因scATAC&RNA-seq“一胞双组”产品拥有丰富的项目经验,在多种组织类型中均有不错的数据表现,下图整理了一部分乳腺样本测试数据:

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  目前,针对寻因单细胞ATAC+RNA多组学技术,已同步配套“全自主化云平台分析”+“寻小因”科研助理AI,助力各位科研工作者科研工作更高效!

  衰老表型的深入研究对于揭示乳腺癌发生的潜在机制,并为乳腺癌的早期干预提供新的方向,对该领域具有重要意义。为此,2024年10月3日,哈佛医学院Dana-Farber癌症研究所Kornelia Polyak团队(颜鹏泽博士为该研究的第一作者)在Cancer Cell在线发表题为Midkine as a driver of age-related changes and increase in mammary tumorigenesis的研究论文。


 研究背景 


  衰老是癌症的主要风险因素,临床数据统计显示大多数肿瘤患者的初诊年龄均在50岁以上。乳腺癌是女性最常见的癌症,平均诊断年龄为62岁,但目前涉及老年乳腺癌患者的研究仍然有限,致使老年肿瘤患者在临床试验中的代表性不足。为了更好理解衰老相关的乳腺肿瘤发生机制,研究者需要解析衰老如何影响正常乳腺组织。尽管对人类和小鼠乳腺组织的组织学、影像学、细胞和分子分析已揭示了衰老过程的显著变化,但这些变化在乳腺肿瘤发生中的功能意义尚未明确。


 研究内容 


  1. 大鼠乳腺单细胞图谱的衰老相关变化

  为了研究乳腺组织细胞组成和基因表达随年龄的变化,作者分别对3/6/12/22月龄的F344大鼠进行了全面的乳腺特征分析(图1A)。苏木精-伊红染色(H&E)切片的组织学分析显示,在3-12月龄组中存在导管结构,而在22月龄大鼠中则出现类似妊娠期增生的上皮变化,伴随导管周围间质逐渐减少(图1B)。增殖标志物Ki67、雌激素受体(ER)和孕酮受体(PR)以及人表皮生长因子受体2(HER2)的免疫荧光检测显示,22月龄大鼠中Ki67+乳腺上皮细胞显著增多,伴随ER+和PR+细胞减少,HER2无显著变化(图1C)。

  接下来,作者对不同年龄的大鼠乳腺进行了单细胞转录组(scRNA-seq)和染色质可及性测序(scATAC-seq),以解析基因表达和染色质状态随年龄的变化。使用已知的细胞类型特异性标志基因鉴定主要细胞群体,并进行了无监督分析,包括使用UMAP和层次聚类进行的降维,以及GO富集分析等(图1D-1F)。为了评估细胞组成随年龄的变化,作者将scRNA-seq UMAP数据按年龄分组并量化了主要细胞簇。随年龄发生的最显著变化包括B细胞的明显减少以及管腔上皮细胞和T细胞的转录切换(图1G和1H)。scATAC-seq数据中也观察到了类似的趋势和开放染色质增加。为了评估这些变化是否是临床相关的,作者继续分析了整合人类乳腺细胞scRNA-seq数据集(iHBCA),在老年女性(≥50岁)的正常乳腺组织中观察到类似趋势。

  为了识别不同年龄组之间的差异表达基因(DEGs),作者根据年龄对每种主要细胞类型的数据进行了比对,并根据其表达模式将DEGs分为6个簇(图1I)。

  上皮细胞中上调基因的GO分析显示,在PPAR和催乳素信号传导、化学致癌作用以及脂肪酸代谢方面富集(图1J)。老年B细胞中富集细胞衰老信号,而老年T细胞和髓系细胞则富集细胞凋亡信号(图1J)。老年成纤维细胞上调趋化因子、化学致癌和癌症通路的蛋白聚糖等编码基因(图1J),可能诱导炎症性促癌环境。下调的GO-term主要与细胞功能相关,如上皮细胞中雌激素信号,B/T细胞的BCR/TCR信号等,表明了随着年龄的功能衰退(图1J)。大鼠scRNA-seq数据中,老年乳腺上皮细胞的增殖标志物升高(图1K),iHBCA数据集中老年女性(≥50岁)的管腔上皮细胞也表现出相同趋势(图1L和1M)。

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图1 不同年龄大鼠乳腺的单细胞转录组和染色质谱

  2. 乳腺上皮细胞衰老相关基因的转录变化

  乳腺上皮祖细胞被认为是乳腺癌的起源,因此了解年龄对正常上皮细胞的影响至关重要。为此,作者研究了不同年龄段乳腺上皮细胞的异质性,将其分为七种亚型:基底型(Basal)、成熟管腔型(ML)、管腔祖细胞(LP)、增殖型(Ki67+)LP、基底-管腔中间细胞(Bridge)和具有干细胞特征的分泌基底细胞(SBCs)(图2A);此外,通过scRNA-seq和scATAC-seq数据,检测到一个在老年大鼠(22月龄)中特异富集的LP标志物阳性簇,称为与衰老相关的LP(Aging-LP)(图2A、2C)。进一步观察发现,随着年龄的增长,ML和正常LP细胞显著减少(图2C)。分析了iHBCA数据集的上皮细胞亚群,并证实了一个LP亚群在老年女性(≥50岁)中富集,高表达大鼠Aging-LP的基因特征(图2D)。

  接下来,作者确定了每个上皮亚群中衰老相关的DEGs,并观察到广泛的变异性,只有少数共同富集的GO-term(图2E、2F)。在每个亚群中都随年龄上调的DEGs富集于氧化磷酸化、类固醇激素反应和衰老(图2F),下调DEGs则与RNA加工和翻译相关(图2F),表明了衰老大鼠上皮细胞中功能失调蛋白的积累,这是衰老和癌症的标志。

  细胞转录组异质性增加和谱系忠诚度的丧失与衰老有关,可能促进肿瘤的发生。作者计算了每个上皮亚群以及每个年龄组内的细胞间距离,发现ML和LP的细胞间距随年龄增长而增加,而基底细胞则减少(图2G)。此外,ML和LP特征在相应细胞类型中的表达随年龄增长而下降,而基底特征在管腔上皮细胞中增加(图2H)。免疫荧光染色显示,年轻(3月龄)大鼠中管腔(KRT18)和基底(KRT14)细胞特异性标志物的表达互斥,但随着年龄的增长,共定位逐渐增加(图2I),这与人类乳腺癌的研究结果一致。这些结果表明,随着年龄的增长,管腔上皮细胞的异质性和谱系忠诚度下降,反映了可能增加乳腺癌风险的表观遗传程序紊乱。

  作者和其他先前的研究者描述了细胞转录组异质性和管腔身份受KDM5B组蛋白H3K4me3去甲基化酶活性调控,并且H4K20me3是三阴性乳腺癌(TNBC)中最具变异性的一种组蛋白修饰,将细胞分化、衰老和癌症联系起来。作者首先分析了scRNA-seq数据中调节相关标记组蛋白去甲基化酶和甲基转移酶的表达,发现随着年龄的增长,H3K4me3去甲基化酶(Kdm5a和Kdm5b)和H4K20me3甲基转移酶(Kmt5b和Kmt5c)在上皮细胞中的表达下降,尤其是在ML和Bridge细胞中(图2J);相应的,老年组中H3K4me3增加而H4K20me3急剧减少。用KDM5(C70)或KMT5B/5C(A196)抑制剂处理年轻大鼠乳腺类器官后,发现A196处理的类器官中KRT18管腔蛋白水平降低、P63基底蛋白水平升高,而C70则没有显著影响(图2K)。免疫荧光显示A196处理后KRT14和KRT18双阳性细胞增加(图2L)。这些结果表明,KMT5B/5C活性和H4K20me3水平的降低可能有助于衰老过程中管腔分化紊乱和乳腺上皮谱系忠诚度的下降。

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图2 乳腺上皮细胞的衰老相关变化

  3. 乳腺上皮细胞层次结构的改变及衰老相关细胞间通讯

  为了研究衰老如何干扰乳腺上皮分化,作者使用干细胞样SBCs作为起点,对scRNA-seq数据进行了Monocle3分析。拟时序轨迹从SBCs延伸到基底细胞,然后通过Bridge细胞到达Aging-LPs,再通过增殖的Ki67+LPs到达LPs和MLs(图3A)。作者的轨迹分析将Aging-LPs置于LPs之前,暗示Aging-LPs可能反映的是分化程度较低的LPs(图3A)。鉴于无论亚型如何,LPs被认为是大多数乳腺癌的起源细胞,作者探讨了Aging-LPs与LPs之间的分子差异。作者发现两种不同的LP群体之间存在大量DEGs,其中一些编码乳蛋白的基因如Wap和Csn2在Aging-LPs中上调(图3B),暗示向腺泡状态的转变。GSEA分析显示,在Aging-LPs中下调的基因与P53和细胞凋亡通路相关,而上调基因则与氧化磷酸化过程相关(图3C)。这些发现表明,Aging-LPs分化程度较低,肿瘤抑制通路活性降低,代谢活性高于LPs。

  管腔-基底细胞之间的相互作用对于正常乳腺发育和功能至关重要。为了评估与衰老相关的细胞间通讯变化,作者对所有上皮亚型进行了互作组分析。基底细胞、SBC和Bridge细胞是配体的主要发出者,而管腔上皮细胞(包括LP和ML)、基底细胞和Bridge细胞则是主要的靶标。为了探讨LPs衰老相关转录变化的机制,作者使用NicheNet分析了不同年龄下基底细胞、SBC和Bridge细胞与LPs之间的差异配体和受体,发现MDK是基底细胞中表达最高的差异配体之一,并且其表达和活性随年龄增长而显著增加(图3D)。

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图3 不同年龄大鼠乳腺上皮细胞的拟时序轨迹和细胞通讯分析

  4. Midkine被鉴定为衰老和乳腺癌的生物标志物

  Mdk编码中期因子midkine,一种在多种肿瘤中过表达的肝素结合生长因子。与健康对照组相比,乳腺癌患者的血液中midkine水平显著升高,并且随着疾病进展进一步增加。作者进一步研究了不同年龄midkine表达,发现随着年龄的增长,midkine的mRNA和蛋白水平均持续增高(图3E)。scATAC-seq数据同样显示了Mdk基因位点染色质可及性随年龄的增加。Mdk在iHBCA数据集老年女性(≥50岁)和BRCA2生殖系突变携带者正常乳腺上皮细胞中表达显著更高(图3F)。为了验证scRNA-seq数据,作者在健康女性的正常乳腺组织中进行了MDK免疫荧光检测,发现老年女性(55-73岁)的表达水平高于年轻女性(21-49岁)(图3G)。作者还分析了乳腺癌患者的肿瘤邻近正常组织,发现在所有年龄段的健康女性正常乳腺中,midkine的表达均低于乳腺癌患者(图3G),这表明midkine可能是乳腺癌风险的生物标志物(biomarker)。

  此外,已发表的蛋白质组学数据集显示,健康人类个体的血浆MDK水平与年龄呈显著正相关,无论性别如何(图3H)。接下来,作者通过比较TCGA和GTEx数据集中正常组织与相应肿瘤组织的mRNA水平,分析了肿瘤中的MDK表达。作者发现,在31种肿瘤类型中,有24种的MDK表达显著更高,包括乳腺癌(图3I)。为了进一步研究MDK在人类乳腺肿瘤进展过程中的表达,作者在正常乳腺组织、原位导管癌(DCIS)和浸润性乳腺癌(IBC)中进行了MDK的免疫荧光染色,结果发现DCIS和IBC中的MDK水平高于正常组织(图3J)。为了确定MDK表达是否与乳腺癌患者的临床结果相关,作者分析了国际乳腺癌分子分类联盟(METABRIC)数据库midkine受体阳性(HR+)乳腺癌患者MDK水平与疾病特异性生存率(DSS)之间的关联。由于年龄与生存率和MDK水平都相关,作者将患者分为年轻组和老年组,以55岁为分界线;结果发现,无论MDK水平如何,老年患者的DSS较短,而在年轻患者中,高MDK表达与显著较短的DSS相关(图3K和3L)。在TCGA-BRCA队列中,由于缺乏DSS数据,作者将MDK表达与HR+肿瘤的临床病理特征进行了关联分析,发现年轻患者(<55岁)中高MDK表达者的增殖特征高于低MDK表达者,而在老年患者(≥55岁)中未观察到差异(图3M)。为了理解为什么高肿瘤MDK水平与年轻患者生存期较短有关,作者分析了年轻和老年患者HR+肿瘤中生存率与信号通路之间的相关性。作者发现,低氧、PI3K-AKT-mTOR和活性氧通路的活性仅在年轻患者中与不良预后呈正相关。由于MDK可以激活PI3K-AKT-mTOR信号通路,并增强氧化应激,这些通路在年轻女性肿瘤中的激活可能解释了为什么MDK水平在年轻患者中具有预后意义,而在老年患者中则不然。

  最后,作者通过分析在先前报道的RNA-seq数据集中MDK表达与Gail 5年评分(一种目前用于预测乳腺癌风险的指标)之间的关联,评估了健康女性正常乳腺组织中midkine的表达是否能预测乳腺癌风险;结果发现,年轻女性(≤45岁)中MDK水平较高的比MDK表达较低的具有显著更高的Gail 5年风险评分,而年长(>45岁)都与更高的Gail 5年风险评分相关,无论MDK表达如何(图3N)。总之,这些数据表明MDK是衰老的候选biomarker,也是年轻女性乳腺癌风险和临床结果的预测因子。

  5. Midkine处理模拟乳腺衰老相关变化

  接下来,为了测试midkine在乳腺衰老相关变化中的功能意义,作者用重组midkine对幼年大鼠(3-4周龄)处理4周,收集组织并进行了组织病理分析和scRNA-seq测序(图4A)。作者分析了25932个单细胞转录组数据,根据已知的细胞类型特异性标志基因分为八个主要簇(图4B)。处理和对照组间最显著的差异包括上皮细胞比例增加和B细胞及初始T细胞相对比例减少(图4C)。有趣的是,这些由MDK引起的变化与我们识别出的衰老相关变化相似。

  作者进一步通过亚聚类分析将上皮细胞分为LP、ML、基底和SBC,揭示了管腔(包括LP和ML)和基底上皮细胞的转录组变化(图4D)。轨迹分析显示,与对照组相比,midkine处理的LP拟时序更早,这使它们更像基底细胞,模拟了aging-LP和LPs之间的差异。作者还观察到,在midkine处理的乳腺中,Ki67+上皮细胞显著增加,同样类似于在老年乳腺中观察到的上皮增殖性提升(图1C)。

  基于细胞通讯分析,LPs是midkine的主要靶细胞,于是作者进一步探索了midkine处理和对照组大鼠之间的转录组差异,鉴定出698个显著上调和302个显著下调基因(图4G)。GSEA分析证实了上调DEGs中氧化磷酸化、脂肪酸代谢和MYC靶点v1信号通路的显著富集,与高度增殖状态一致;而下调DEGs主要富集于细胞凋亡、炎症反应和P53通路,表明了肿瘤抑制的减弱(图4H)。作者还检查了正常、DCIS和IBC组织scRNA-seq数据集中这些midkine诱导基因的表达,并观察到肿瘤进展期间显著的进行性增加(图4I)。

  为了评估midkine处理如何模拟衰老相关LPs的变化,作者整合了所有上皮细胞的scRNA-seq测序数据,包括不同年龄大鼠和接受midkine处理/对照组大鼠。UMAP和聚类分析显示,年龄和midkine处理之间存在显著相似性,22月龄大鼠和接受midkine处理的2月龄大鼠中,衰老LP细胞均富集(图4J)。为了识别受midkine处理和年龄共同影响的基因,作者分析了DEGs的重叠情况,发现181/262(69%)随年龄上调的基因与midkine处理重叠(定义为MDK-age特征),235/792(30%)随年龄下调的基因与midkine处理组下调的基因重叠(图4K)。类似于MDK本身,MDK-age特征的表达在iHBCA数据集老年女性(≥50岁)和BRCA2生殖系突变携带者的LPs中水平更高(图4L)。

  最后,作者在METABRIC队列的乳腺癌患者中评估了MDK-age特征能否预测临床结果。HR+乳腺癌患者根据年龄(年轻和老年,以55岁为分界线)和特征富集度(MDK-age高和低)被分为四组。作者发现,在年轻患者中,MDK-age特征表达较低与更长的无病生存期相关,但在老年患者中,高MDK-age特征组和低MDK-age特征组之间的DSS没有差异(图4M和4N)。此外,MDK-age特征比单独的MDK表达更能有效区分患者的临床结果(图3K)。

  总体而言,大鼠处理数据显示,midkine是乳腺上皮细胞衰老相关变化的主要驱动因素,MDK-age共同上调基因在年轻HR+乳腺癌患者中具有预后价值。

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图4 Midkine对乳腺的影响

  6. MDK-SREBF1互作网络协调与衰老相关的乳腺上皮变化

  SCENIC构建了转录因子(TFs)及其靶标的基因调控网络。作者鉴定出一系列TFs,包括Mlx、Creb3l1、Atf6b、Xbp1和Srebf1,它们的结合基序在aging-LPs共表达基因的顺式调控元件中富集(图5A)。通过分析不同年龄和midkine处理大鼠LPs中top10富集TFs的表达情况,只有Srebf1持续表达并上调,成为顶端调控中心(红点),拥有最多的靶基因(粉点),其中包括MDK-age特征集181个基因中的大多数(图5B、5D和S5A)。此外,作者分析了大鼠scATAC-seq数据,发现SREBF1转录因子的活性随年龄逐渐增加,并且在aging-LP中比常规LP更高(图5E和5F)。

  值得注意的是,SREBF1在iHBCA数据集老年女性(≥50岁)和BRCA2生殖系突变携带者的LPs中也有更高表达(图5G)。此外,通过探索正常人乳腺组织的公共RNA-seq数据集,作者发现SREBF1与MDK表达之间存在正相关关系(图5H),这表明SREBF1可能是LPs中midkine诱导的衰老相关变化的下游介质,验证了MDK-SREBF1连接在人类中的相关性。

  Srebf1是一种蛋白酶解切割转录因子,其活性形式转移到细胞核内以调控转录。大鼠乳腺组织免疫荧光检测,显示随着年龄增长SREBF1核蛋白水平逐渐升高(图5I)。人类乳腺免疫荧光检测,相比于正常非癌变乳腺组织,DCIS和IBC中SREBF1的核定位增加(图5J)。scRNA-seq(图5K)和TCGA数据(图5L)中的趋势与此一致。

  接下来,作者使用大鼠乳腺类器官模型对SREBF1的媒介身份进行验证。乳腺上皮类器官来源于年轻F344大鼠,接受或不接受midkine处理,然后使用阻断SREBF1成熟的抑制剂(betulin和fatostatin),或mTOR通路抑制剂(rapamycin),因为已知midkine和SREBF1均参与了PI3K-AKT-mTOR通路。与对照组相比,接受midkine处理的类器官显著增大,这与体内观察到的促生长效应一致(图5M和5N)。值得注意的是,SREBF1抑制剂和rapamycin处理均可阻断这种由midkine诱导的增殖(图5M和5N)。WB结果显示,midkine处理激活了AKT通路,而rapamycin处理阻断了SREBF1的上调(图5O)。betulin和fatostatin处理减弱了midkine诱导的AKT通路激活,而rapamycin降低MDK蛋白水平(图5O)。作者还发现,rapamycin和SREBF1抑制剂降低了LA7大鼠乳腺肿瘤细胞系以及年轻和老年大鼠乳腺类器官中的MDK水平,在mRNA和蛋白层面均有所下调,暗示了可能的MDK-PI3K-AKT-mTOR-SREBF1信号环路。总之,这些数据表明,midkine诱导的乳腺上皮增殖是由SREBF1介导的,通过PI3K-AKT-mTOR通路。

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图5 SREBF1是介导LPs中衰老相关变化的主效转录因子

  7. midkine处理促进乳腺肿瘤发生

  为了探究随着年龄增长的midkine水平升高是否会直接引起衰老相关的癌症风险增加,作者测试了midkine处理对NMU诱导乳腺肿瘤发生的影响。作者用midkine处理3-4周龄的雌性F344大鼠两周,在第14天进行一次NMU注射,随后再进行两周的midkine处理,并在第28天再次注射NMU(图6A)。最后一只大鼠处理完成或达到终点后将实验动物处死。与对照组相比,接受midkine处理的大鼠产生了更明显的乳腺肿瘤,且潜伏期更短(图6A、6B)。midkine处理组的肿瘤生长速度更快,生存期更短(图6C和6D)。midkine处理组肿瘤在终点时的重量和体积显著高于对照组(图6E)。某些较小的肿瘤是由于NMU处理导致每只大鼠出现多个肿瘤,当任何肿瘤达到最大允许尺寸时需要实施安乐死。组织学分析未发现肿瘤细胞结构、核大小、圆形度和受体表达(ER、PR和HER2)有明显差异,但观察到midkine处理组肿瘤中的Ki67+细胞数量呈上升趋势。

  为了表征MDK处理和对照组动物乳腺肿瘤免疫环境,进行多色流式细胞术检测。作者观察到,在midkine处理组肿瘤中,NK细胞(包括活化的XCR1+ NK细胞)和cDC1的数量显著减少,尽管总体白细胞组成没有明显差异(图6F)。NK细胞相对比例与XCR1+ NK和cDC1呈正相关(图6G),与先前报道一致,表明NK细胞在招募cDC1和促进抗肿瘤免疫反应方面的作用。多变量相关分析显示,较高的NK和CD8+ T细胞比例,加上较低的Treg水平,与较慢的肿瘤生长速率有关。具体而言,简单线性回归分析强调了NK细胞比例与肿瘤生长速率显著负相关,表明其可能对肿瘤生长产生影响(图6H)。

  为了剖析转录组差异,作者对接受空载体(n=6)或midkine(n=9)处理的肿瘤进行了bulk RNA-seq。PCA和样本间相关性分析显示,midkine处理组存在一个特异性肿瘤亚集,并且表现出更大的欧氏距离,表明其异质性更高(图6I)。DEGs分析显示,midkine处理组肿瘤中炎症相关基因-如趋化因子(例如Ccl3、Ccl7和Ccl11)、补体因子(例如C1s和C3)以及细胞增殖标记(例如Igf1、Rasal3和Klf4)-的表达更高,而很少有持续下调的基因(图6J)。GO分析显示,上调DEGs中富集了炎症和癌症进展相关terms,包括细胞因子产生正向调节、炎症反应和细胞激活等信号通路(图6K)。MDK-high临床乳腺肿瘤中也富集了类似的terms,包括免疫响应、细胞因子反应、细胞激活和细胞增殖调控等(图6L),与大鼠中基本一致。作者根据midkine处理组大鼠肿瘤中上调的基因定义了一个midkine特征集(图6J)。在METABRIC和TCGA数据集中的分析显示,MDK-high HR+乳腺肿瘤也具有增强的midkine特征,无论患者年龄如何(图6M)。这些数据强烈表明midkine促进乳腺肿瘤的起始和进展,暗示老年人体内较高的midkine水平可能有利于肿瘤的发生。

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图6 Midkine对乳腺肿瘤发生的影响


  讨论和展望  


  本文通过scATAC&RNA-seq多组学技术,联合使用不同年龄大鼠、药物处理大鼠乳腺类器官和多种乳腺临床数据库,系统描绘了乳腺组织的衰老和癌变过程,发现midkine是连接衰老与肿瘤发生的关键分子,其作用机制可能涉及MDK-PI3K-AKT-mTOR-SREBF1信号环路,导致上皮细胞增殖增加和免疫监视功能下降。本研究的主要成果之一,即证实了midkine是乳腺癌风险biomarker和防治靶点,为我们理解、预防和治疗衰老相关癌症风险提供了新的视角。

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图0 文章实验设计、研究方法和主要成果

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  参考文献:

  Yan PZ, et al. Midkine as a driver of age-related changes and increase in mammary tumorigenesis. Cancer Cell. 2024 Nov 11;42(11):1936-1954.e9.


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