肿瘤干细胞的自我更新机制

【关键词】 肿瘤 干细胞 肿瘤干细胞 自我更新

　　多种肿瘤均起源于已恶性转化的单个细胞， 这种转化是由于基因突变的累积所致。肿瘤干细胞(cancer stem cells， CSC)是肿瘤的起始细胞这一观点已被广泛接受， 它既可诱导肿瘤的发生， 也可用于防治肿瘤。有多种人肿瘤的CSC已被分离鉴定， 如白血病以及一些实体瘤如乳腺癌、 黑色素瘤、 肺癌和脑肿瘤等。CSC与正常干细胞具有一些相同的特点， 但CSC并非完全起源于正常干细胞， 也可能来源于相应组织的定向祖细胞或间充质干细胞(mesenchymal stem cells， MSC)， 甚至是干细胞与体细胞的融合细胞。干细胞自我更新机制调节的紊乱是正常干细胞向CSC转化的关键步骤， 其自我更新能力对于肿瘤的发生发展是至关重要的。CSC的研究为揭示肿瘤的发生机制及临床应用开创了新时代。

　　1 CSC的定义及其鉴定
　　
　　干细胞的研究推动了肿瘤学的发展， 对肿瘤的发生发展有了突破性的认识。现在一般认为CSC是存在于肿瘤中的一小部分具有干细胞性质的细胞群体， 具有自我更新能力， 是肿瘤发生发展的源泉。多种人类肿瘤（如白血病、 乳腺癌、 黑色素瘤、 肺癌和脑瘤等）都已经鉴定分离出为数极少的具有干细胞特性的细胞亚群。Bonnet等[1]最早分离出人急性髓性白血病(acute myeloid leukemia， AML) CSC CD34+CD38-细胞， 占AML细胞总数的0.2%， 是惟一能将AML从人传给免疫缺陷鼠的细胞， 具有成瘤性。实体瘤干细胞的分离最早是AlHajj等[2]乳腺癌中分离出乳腺癌CSC ESA+ CD44+ CD24-/low细胞， 并证明它们也是惟一能在严重联合免疫缺陷（NOD/SCID)小鼠体内产生人乳腺癌移植瘤的细胞。直至最近Li等[3]利用胰腺癌小鼠模型鉴定了胰腺癌CSC CD44+CD24+ESA+细胞。Prince等[4]在免疫缺陷小鼠模型中检测鉴定头颈鳞状上皮细胞癌（head and neck squamous cell carcinoma， HNSCC）CSC干细胞CD44+细胞。

　　2 CSC的来源
　　
　　干细胞具有多向分化潜能、 自我更新能力， 是处于细胞系起源顶端的最原始细胞， 在体内能够分化产生某种特定组织类型。干细胞不仅对于组织和各个器官系统的发育和再生起十分重要的作用， 更是癌症发生的靶点。AML中常见t(8; 21)染色体易位， 导致Aml1Eto融合基因形成。在AML患者的CD34+Thy+CD38-Lin-造血干细胞中能够检测到Aml1Eto融合基因， 而且在白血病完全缓解后长期存活的患者中仍能检测到Aml1Eto的存在， 表明Aml1Eto的表达是在干细胞水平上的[5]。上述提示CSC可能来源于成熟干细胞。
　　
　　祖细胞是通过干细胞的增殖分化而来， 分化早期或晚期的祖细胞也可能成为突变的靶细胞， 成为CSC。融合基因ETV6RUNX1或p190 BCRABL仅能在一些急性成淋巴细胞性白血病（acute lymphoblastic leukemia， ALL）患者的CD34+CD38-CD19+ B细胞祖细胞群中检测到。将这些患者的CD19+ B细胞提纯， 可以在免疫缺陷型小鼠中重建CD19+白血病模型， 而CD34+CD38-CD19-造血干细胞却不能， 提示该CSC来源于B细胞祖细胞[6]。引起儿童ALL的靶细胞多被认为是已向B或T系列分化的祖细胞; 相反成人ALL和Ph染色体阳性的ALL则起源于较原始的祖细胞， 表明CSC也可以来源于相应谱系和不同分化阶段的祖细胞[7]。
　　
　　MSC是成体干细胞的一种， 主要来源于骨髓的基质细胞。Houghton等[8]在小鼠体内植入LacZ+骨髓细胞， 并给予可致病剂量的电离辐射， 再经幽门螺旋杆菌感染， 这样的LacZ+骨髓细胞衍生细胞能够定植于胃黏膜并增殖， 引发化生、 发育不良以及上皮内癌。体外培养这些骨髓细胞衍生细胞进一步提示了骨髓细胞衍生的MSC可能是CSC来源之一。
　　
　　细胞融合不仅在组织修复过程中出现， 在肿瘤的发生发展中也发挥重要作用。干细胞与终末分化细胞的融合能够解释CSC的来源问题。干细胞与突变的体细胞融合， 导致基因组不稳定和肿瘤起始细胞的形成[9]， 这也解释了在肿瘤发生早期出现染色体紊乱。事实上突变更可能发生在异常自我更新的干细胞， 也可能发生在祖细胞和分化细胞[10]， 这可能是CSC具多重表型的原因。

　　3 CSC自我更新调控的分子机制
　　
　　肿瘤的无节制生长与基因水平上发生的一系列改变有关， 例如启动或沉默某些基因从而导致促进增殖或抑制凋亡。现在认为肿瘤不断生长的另一个重要原因是干细胞自我更新调节机制中的某些基因发生紊乱， 使得肿瘤组织中那些具有自我更新能力的肿瘤细胞的数量不断增加， 肿瘤组织能够不断的增大[11]。因此， 对CSC自我更新机制的充分认识对于我们理解肿瘤这种疾病是至关重要的。调控正常干细胞自我更新的几个重要信号通路包括Bmi1、 Notch、 Wnt和Shh等， 对CSC的自我更新也同样发挥着重要作用。

　　3.1 Polycomb group基因家族 PcG（Polycomb group， PcG）基因在控制胚胎发育， 调控细胞周期以及淋巴细胞发育中发挥重要作用， 其主要功能是参与基因沉默调控。Bmi1属于PcG基因家族成员， 对造血干细胞和白血病干细胞的增生具有调节作用。HNSCC的CSC CD44+在RNA和蛋白水平都有Bmi1的高表达， 并且排列形成肿瘤特有的细胞膜质微区（microdomain）[4]。分析Bmi1突变的小鼠发现Bmi1对正常神经干细胞的自我更新是非常重要的。Bmi1可与p16INK4a和p19ARF连接并抑制其信号传导， 这两个下游基因在早期恶性胶质瘤（glioblastoma multiforme， GBM）和少突胶质细胞瘤(oligodendrocytoma)上有表达， 在其他类型的胶质瘤上也有表达。在肿瘤衍生的祖细胞中Bmi1表达水平很高， 这说明Bmi1及其介导的信号通路对于GBM和GBM的干细胞自我更新调节都发挥着很重要作用[12]。

　　3.2 Wnt信号途径 Wnt信号通路是一个非常保守的信号传导通路， 在Wnt途径中βcatenin是关键的中介分子， βcatenin蛋白决定Wnt信号通路的开放或关闭。βcatenin与转录因子TCF4结合后可被激活。在TCF4基因缺失的小鼠中， 位于小肠基底部的上皮干细胞严重缺失， 提示Wnt信号通路对小肠上皮干细胞的自我更新是必不可少的[13]。在结肠癌细胞中普遍存在APC基因突变， 使得βcatenin不被降解， βcatenin/TCF持续激活。活化的Wnt/βcatenin通路使干细胞/祖细胞向着结肠癌细胞表型趋化。βcatenin/TCF4可转录激活原癌基因cmyc， Wnt通路正是结合了cmyc来实现对干细胞的增殖与分化的调控。另外， Wnt通路可能与其他已知的自我更新相关通路（如BMP， Shh、 Notch和HoxB4）相互作用。激活Wnt信号途径可促进干细胞和CSC的自我更新， 但Wnt通路是如何发挥作用、 Wnt通路在干细胞和肿瘤中影响自我更新的分子靶点是否相同等问题必将成为一重要的研究领域。

　　3.3 Hedgehog信号通路 目前对Hh通路研究较为深入， 不仅与干细胞的自我更新功能和保持其多向分化潜能密切相关， 而且与肿瘤的发生、 发展有密切关系。哺乳动物中存在3个Hedgehog的同源基因: Sonic Hedgehog(SHH)、 Indian Hedgehog(IHH)和Desert Hedgehog(DHH)， 分别编码Shh、 Ihh和Dhh蛋白。Hh信号传递受靶细胞膜上2种受体Patched(Ptc)和Smoothened(Smo)的控制。Gorlin’s综合症与Ptch基因突变有关。Ptch基因抑制作用的缺失， 导致其下游效应基因Shh尤其是Gli1和Gli2异常活化[14]。Hh信号通路活性与癌症之间的关系正是在发现突变的Ptch之后认识的。成神经管细胞瘤的起始细胞是小脑发育过程中的颗粒细胞前体。应用patched+/-突变小鼠研究， 并对正常的， 肿瘤发生前的和成神经管细胞瘤的颗粒细胞前体进行基因表达分析发现patched的缺失对于肿瘤的发生是至关重要的[15]， 进一步提示Shh信号通路对于成神经管细胞瘤的发生起重要的作用。

　　3.4 CSC的微环境（niche） 干细胞微环境与干细胞自我更新调节密切相关。关于内外环境因素是如何作用使CSC形成还尚不明确， 但一些间接的证据已经强调了其重要性。如果蝇胚芽的热休克引起dpp的过表达， 与CSC的形成有关。在大多数AML患者中可观察到突变的FLT3级联重复（FLT3ITDs）， 这种突变导致STAT5A这一活化结构的出现。STAT5A和FLT3ITDs在人CD34+细胞中的表达均能促进CD34+细胞的自我更新， 这种自我更新与niche是密切相关的[16]。在人脐带血CD34+细胞中研究发现有突变的STAT5A或FLT3ITDs的过表达， 提示白血病干细胞与其niche相互作用促进白血病干细胞自我更新。

　　3.5 成纤维生长因子信号 成纤维生长因子(FGF)是由在生理和病理发展过程中发挥不同作用的分子信号组成。FGF2信号参与人胚胎干细胞自我更新并维持其处于分化状态。人胚胎干细胞和造血干细胞/祖细胞中过量表达的内源性FGF2锚定在核内或被输出细胞， 从而恰当传递外源FGF信号并做出合适的细胞应答。但在肿瘤细胞中FGF2和FGFR2（FGF2 receptors）表达失调增加了肿瘤细胞的转化活性。利用CSC模型研究发现在恶变的细胞中， FGF2信号通路的失调为CSC提供生长优势并促进CSC的自我更新[17]。

　　4 CSC的临床应用
　　
　　CSC理论对肿瘤的预后判断具有一定的意义， 如慢性粒细胞白血病中肿瘤细胞的CD38+比率大于20%的患者， 其病情往往处于进展期; 而CD38-的患者预后较好。目前人类肿瘤诊断和分类的主要依据是肿瘤的组织类型， 即使这样它们也可能来自于不同来源的CSC。因此， 建立CSC的分离方法， 就可以依据CSC和肿瘤大体来划分肿瘤类型， 从而建立肿瘤分类的新体系。另外， CSC紊乱了的自我更新途径的分子信号和体外转移的能力均可以作为CSC水平诊断的生物学指标。
　　
　　目前临床对于肿瘤的治疗方案还存在一定的局限性， 传统治疗手段主要是减少了肿瘤组织的体积和肿瘤细胞的数量， 不能完全去除CSC， 剩下的CSC就足以使肿瘤再生。因此针对CSC的治疗效果将更为持久， 同时可阻止肿瘤的转移。目前针对CSC的肿瘤治疗方案主要侧重于抑制自我更新和诱导分化。应用自我更新信号通路的抑制剂， 例如环王巴明（cyclopamine）有效地抑制脑肿瘤的生长提示环王巴明对于依赖Hedgedog通路的人类肿瘤的治疗价值; 格列卫是一种酪氨酸激酶抑制剂， 在结肠癌中抑制wnt/βcatenin信号通路[21]。另外， 也可以诱导CSC分化。AML通过维甲酸诱导其分化得以治疗是一成功范例， 但对于其他癌症， 效果并不理想。根据上述FGF信号通路可以推测有效抑制FGF信号通路可能诱导CSC的分化[18]。估计活性氧族在CSC的状态， 并应用其来抑制CSC在肿瘤中的生长是治疗肿瘤的又一种新方法。CSC是肿瘤发生发展过程中起重要作用的环节， 因此多途径多机制联合有效地杀伤CSC来实现根治肿瘤的目的显得尤为重要。

　　5 展望
　　
　　尽管CSC研究取得了一定的进展， 但是关于CSC的争议仍然存在。CSC是否是一个普遍的现象， 如何更准确的分离和鉴定CSC， CSC是如何导致的肿瘤发生， 寻找机体微环境内诱导CSC分化的物质都是亟待解决的问题。研究CSC形成和存在的分子机制， 尤其是CSC自我更新调节， 将成为特异性杀伤CSC的有效治疗靶点。随着CSC的不断深入研究， 必将对肿瘤的认知、 诊断和治疗带来新的思路与新的期望。