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Cancer Discovery：时隔二十年，顶刊再度发文，用基础理论新维度定义恶性肿瘤

2022年01月19日

编译：肿瘤资讯

来源：肿瘤资讯

癌症的多样性涉及细胞遗传学和组织生物学、病理学等多学科，其广度和深度令人望而生畏。随着医学基础与临床研究的不断探索，从微观分子生物学到宏观临床特征，癌症领域研究都取得了巨大进展。瑞士洛桑联邦理工学院瑞士实验癌症研究所的Douglas Hanahan教授曾于2000年在Cell上发表综述The Hallmarks of Cancer，首次阐明癌症的6个基本特征。时隔二十年，2022年1月12日Douglas教授及其团队在肿瘤顶尖期刊Cancer Discovery再次发表综述，癌症特征性新标志得以扩增¹。新维度的增加使得癌症标志中综合概念的复杂性日益趋向科学性，有助于研究者进一步理解癌症发生和恶性进展的机制，促进癌症医学的发展。

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癌症标志组成成分更新

人类癌症的产生涉及多个环节，这些环节对应到肿瘤研究中以环环相扣的发病机制呈现出来。

肿瘤微环境(TME)由异质性和相互影响的癌细胞和肿瘤干细胞群以及多种募集的基质细胞类型组成，现在被广泛认为在肿瘤发生和恶性进展中起着不可或缺的作用。

正如先前研究所述^2,3，癌症具有8个基本特征，分别为：自给自足的生长信号、抗生长信号的不敏感、抵抗细胞死亡、潜力无限的复制能力、持续的血管生成、组织浸润和转移,避免免疫摧毁、细胞能量异常。上述标志性特征曾作为癌症的核心标志物被提出，但随着肿瘤学进展，研究者发现这些特征本身并不能解决癌症发病机制的复杂性问题，即精确的分子和细胞机制。

因此，Hanahan教授引入了“有利特征”的新概念：肿瘤发生发展中需要某些异常条件的参与，这些条件代表了该类肿瘤细胞生长和发挥功能的典型特征。与上述8种标志性特征的阐释不同，有利特征在具有标志性特征的分子细胞水平上进行阐述。本文提及的有利特征为基因组不稳定和促进肿瘤炎症两项（图1左.癌症的标志包括8个基本标志和2个有利特征）。

除上述8个基础特征和2个有利特征之外，本文又一次前瞻性地提出4个新标志：解锁表型可塑性、非功能性表观遗传重编程、多态微生物组和衰老细胞（图1右.最新提出的4个特征标志）。

这些新标志在逐渐增多的研究证据下，极有可能被纳入癌症概念化标志的核心组成部分。Hanahan教授针对每个新标志都做了详细阐述和举例说明。

图1. 左：癌症的标志包括8个基本标志和2个有利特征；右：最新提出的4个特征标志

解锁表型可塑性

越来越多的证据表明，解锁表型可塑性为了逃避终末分化状态具有的正常限制能力是癌症发病机制的关键组成部分。这种可塑性有以下表现（图2左.获得性标志——表型可塑性，可破坏细胞分化；图2右.癌症发病机制破坏分化的三种突出模式）。

首先，来自正常细胞的新生癌细胞原本沿着接近或预计完全分化状态的途径前进，但在途中可能通过去分化回到祖细胞样细胞状态来逆转该过程。其次，起源于祖细胞的肿瘤细胞注定要遵循导致终末期分化的途径，然而这一过程可能会缩短，使扩增的癌细胞维持在部分分化、祖细胞样状态。最后，转分化也可能起作用：最初沿着一个分化途径的细胞切换到另一个完全不同的发育程序，从而获得起源于正常细胞的不按预先顺序排列的组织特异性性状。

图2. 左：获得性标志——表型可塑性，可破坏细胞分化；右：癌症发病机制破坏分化的三种突出模式

去分化

分化细胞和干细胞均被认为是结肠癌的细胞起源。未完全终末分化的结肠上皮细胞发生去分化，或是隐窝祖/干细胞发生分化阻滞。在此过程中，同源盒蛋白HOXA5和SMAD4这两种发育转录因子(TF)表达下调。小鼠模型的功能扰动表明，HOXA5在结肠癌细胞中的强制表达可恢复分化标志物，抑制干细胞表型，损害侵袭和转移，为其特征性下调提供了理论基础。SMAD4参与BMP信号传递，在分化的结肠上皮细胞中高表达，在晚期结肠癌中典型丢失，特异表达祖/干细胞标记物。相反，若SMAD4表达缺失，可促进细胞分化，从而抑制由致癌性WNT信号传导驱动的增殖，从而实现去分化和随后的WNT驱动的过度增殖。

黑素细胞分化的主要调节因子MITF表达受到抑制，这一机制参与了侵袭性恶性黑色素瘤的发生。这种发育转录因子缺失与神经嵴祖细胞基因的再激活和表征完全分化的黑素细胞的基因的下调有关。神经嵴基因的再现表明这些细胞恢复到黑色素细胞发育产生的前体状态。此外，对BRAF诱导的黑色素瘤进行的谱系追踪研究确立了成熟的黑色素细胞作为起源细胞，其在肿瘤发生过程中发生去分化。值得注意的是，在超过一半的皮肤黑色素瘤中发现的突变型BRAF致癌基因诱导了之前的过度增殖，因此在本质上与随后由MITF下调引起的去分化无关。发育转录因子 ATF2上调在小鼠和人黑色素瘤中的特征性表达间接抑制MITF1，伴随随后去分化黑色素瘤细胞的恶性进展。相反，在黑色素瘤中表达突变形式的ATF2不能抑制MITF导致高分化黑色素瘤。

分化受阻

虽然上述例子说明了分化因子表达的抑制如何通过使更多分化良好的细胞去分化为祖细胞而促进肿瘤发生，但在其他情况下，未完全分化的祖细胞可能遭受调节变化，主动阻断其继续进展为完全分化、典型的非增殖状态。

首先，急性早幼粒细胞白血病(APL)被认为是由PML位点与编码维甲酸核受体(RAR)的基因融合的染色体易位所致。携带这种易位的髓系祖细胞显然不能继续其通常的终末分化为粒细胞，导致细胞陷入增殖的早幼粒细胞祖细胞阶段。该方案的概念验证来自于使用维甲酸（RAR的配体）治疗培养的APL细胞、该疾病的小鼠模型以及患病患者；该治疗性治疗导致肿瘤性APL细胞分化为表面成熟的非增殖粒细胞，使其持续增殖扩增短路。

其次，对于携带t(8；21)易位的急性髓系白血病，癌细胞发生发展过程中可产生AML1-ETO融合蛋白。这种蛋白本身可以转化髓系祖细胞，至少部分是通过阻断其分化。在小鼠模型和使用染色质修饰组蛋白去乙酰化酶(HDAC)药物抑制剂的患者中进行治疗干预，导致髓系白血病细胞重新分化为具有更成熟髓系细胞形态的细胞。伴随这种反应的是增殖能力降低，从而阻止这种白血病的进展。

最后，黑色素瘤病变涉及发育转录因子SOX10，其通常在黑素细胞分化期间下调。在BRAF诱导黑色素瘤的斑马鱼模型中进行的功能获得和功能丧失研究已经证明，SOX10的异常表达阻断了神经前体细胞向黑色素细胞的分化，使BRAF驱动的黑色素瘤形成。

转分化

长期以来，病理学家已经以组织化生的形式重新确定了转分化的概念，即具有特定分化表型的细胞显著改变其形态，形成另一种组织成分。例如，在Barrett食管的演变过程中，食管复层鳞状上皮的慢性炎症诱导转分化为具有肠道特征的简单柱状上皮，从而促进腺癌的后续发展，而不是预期由该鳞状上皮引起的鳞状细胞癌。

而现在，无论是明显肉眼可见的组织化生，还是在相当微妙其他化生组织，分子决定因素均揭示了各种癌症中的转分化机制。

首先，胰腺导管腺癌(PDAC)的起源细胞之一为胰腺腺泡细胞，该细胞可在启动过程中转分化为导管细胞表型，导致肿瘤发生。在自我调节的“前馈”环中表达的转录因子PTF1a和MIST1，控制和维持胰腺腺泡细胞的分化状态。研究显示，肿瘤发生过程中PTF1或MIST1表达的缺失与另一种发育调节转录因子 SOX9的表达升高相关，SOX9通常在导管细胞生长发育中起作用，SOX9下调可能是人PDAC发生中的关键功能效应器。

其次，染色质相关调节因子SOX家族的其他成员还与多种肿瘤的诊治相关，如前列腺癌治疗抵抗机制。RB和p53肿瘤抑制因子的缺失是神经内分泌肿瘤的特征，抗雄激素治疗后RB和p53肿瘤抑制因子发生缺失，促进高分化前驱癌细胞向癌细胞的转化。除此之外，抗雄激素治疗的获得性耐药需要SOX2发育调控基因的上调表达，这在诱导治疗反应性腺癌细胞转化成神经内分泌细胞状态的衍生物方面明显起作用。

再者，在一项皮肤基底细胞癌(BCC)相关试验中，使用Hedgehog-Smoothened (HH/SMO)致癌信号通路的药理学抑制剂处理癌细胞。新获得的BCC细胞表型状态使其能够维持WNT致癌信号通路的表达，进而独立于药物抑制的HH/SMO信号通路。正如这种转分化所预期的，癌细胞的转录过程反映BCC起源细胞的基因标记，即毛囊隆突的干细胞，转变为填充毛囊间表皮的基底干细胞。这种转分化使耐药性在不同形式的癌症中越来越多地被证实。

非传统的流行病学重编程

非突变的表观遗传重编程作为癌症发展中的重要环节，或可作为不同于基因组DNA不稳定和突变的癌症标志（图3.非突变表观遗传重编程）。

基因组(DNA)不稳定性和突变的有利特征是癌症形成和发病机制的基本组成部分。

越来越多研究者广泛认识到，组织、调节和维持染色质结构，从而整体调节基因表达的基因突变越来越多地被检测到，并在功能上与癌症标志相关。

另一种明显独立的基因组重编程模式，该模式涉及基因表达的纯表观遗传调控变化，被称为“非突变表遗传重编程”。基因表达的非突变表观遗传调控的概念被公认为是介导胚胎发育、分化和器官发生的中心机制。

图3. 非突变表观遗传重编程

表观遗传重编程的微环境机制

肿瘤微环境的异常物理性质可引起表观基因组的广泛变化，其中有利于表型选择标志能力的变化可导致癌细胞克隆生长，并增强增殖扩增的适应性。缺氧是肿瘤区域的共同特征，由此引发血管化不足、TET去甲基化酶活性降低，癌细胞恶性表型增加。

首先，缺氧介导的表观遗传调控典例是小儿室管膜瘤。与许多儿童胚胎肿瘤一样，该类肿瘤缺乏复发性突变，尤其体现在是癌基因和肿瘤抑制因子中驱动突变的缺乏。相反，这些癌细胞的异常生长是由缺氧诱导的基因调控程序所控制的。

其次，微环境介导的表观遗传调控典例是上皮间质转化（EMT）。最近研究表明，EMT的主要调节因子ZEB1可诱导组蛋白甲基转移酶SETD1B的表达，而SETD1B又在维持侵袭性EMT调节状态的正反馈回路中维持ZEB1的表达。

表观遗传调控异质性

经典案例之一为连接组蛋白H1.0在许多肿瘤类型的癌细胞亚群中动态表达和抑制，随后与结构域连接或隔离。抑制H1.0的癌细胞群具有干细胞样特征，肿瘤起始能力增强，并与患者的不良预后相关。

其次，人类口腔鳞状细胞癌(SCC)中，侵袭边缘的癌细胞采用部分EMT(p-EMT)状态，缺乏上述发育调节TF，表达肿瘤中心癌细胞不表达的基因。

肿瘤内异质性在产生表型多样性方面发挥日益重要作用。除DNA序列及其突变变异外，多种属性的全基因组分析技术正在阐明与患者预后相关的癌细胞基因组影响因素，通过越来越强大的技术分析全基因组DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质可及性以及RNA转录后修饰和翻译，揭示表观基因组异质性。

基质细胞类型对肿瘤微环境的表观遗传调控

一般而言，肿瘤微环境中功能上有助于获得标志性能力的辅助细胞，即癌症相关的成纤维细胞、先天性免疫细胞、和肿瘤脉管系统的内皮细胞和周细胞，在被定义实体瘤微环境的可溶性和物理因素募集后，发生表观遗传重编程。

表观基因组的修饰，改变了所有这些细胞类型中的细胞内信号网络：当用DNA甲基转移酶抑制剂和组蛋白修饰抑制剂联合处理肺转移小鼠模型时，发现浸润的骨髓细胞已从未成熟祖细胞状态转换为类似于成熟间质巨噬细胞的细胞，与未处理肿瘤中的对应物相比，无法支持有效转移定植所需的标志性能力。可以设想，多组学分析和药理学扰动将有助于阐明此类骨髓细胞以及填充肿瘤微环境的其他标志性辅助细胞类型中的重编程表观遗传状态。

多形性微生物

新一代测序和生物信息学技术筛查微生物种群的功能推动了由耐药细菌和真菌产生的生态系统——微生物组对健康和疾病的深远影响。对于癌症，越来越令人信服的证据表明，人群中个体间微生物组的多态性变异性可对癌症表型产生深远影响。

虽然肠道微生物一直处在研究前沿，但实际上人体内多个组织和器官均与微生物组相关联，微生物物种与亚种的多样性赋予人体器官组织多形性微生物群以特征。其中最突出和具有明显影响力的微生物组是肠道微生物群。

肠道微生物群的多种调节作用

作为代谢稳态的一部分，肠道微生物组对大肠或结肠摄入和降解营养物质非常重要，结肠中微生态失调可引起一系列生理疾病。

①结肠癌的发病机制受肠道微生物组的影响。同时存在癌症保护和促肿瘤微生物组，涉及特定的细菌种类，其可调节结肠肿瘤的发生率和发病机制。

微生物群发挥调节作用的机制仍在阐明中，已有两种机制较为明确。第一种机制是结肠上皮突变，生成细菌毒素等分子损伤DNA，破坏基因组完整性。另一种机制涉及丁酸盐诱导衰老的上皮细胞和成纤维细胞，诱发结直肠癌。

②肠道微生物群的特定组成成分可系统性调节适应性免疫系统活性，增强免疫检查点阻断，诱发抗肿瘤免疫反应，引起全身或局部免疫抑制。

例如，肠球菌（和其他细菌）的某些菌株表达一种称为SagA的肽聚糖水解酶，可从细菌壁释放粘肽，然后全身循环并激活NOD2模式受体，反过来可增强T细胞应答和检查点免疫治疗的疗效。

③肠道微生物群引起进入体循环的免疫调节趋化因子和细胞因子表达的明显能力也能够影响癌症发病机制和身体其他器官对治疗的反应。如在肝脏胆管癌发展过程中：肠道微生态失调允许细菌和细菌产物通过门静脉进入和转运到肝脏，在那里肝细胞上表达的TLR4被触发诱导趋化因子CXCL1的表达，CXCL1招募表达CXCR2的粒细胞髓样细胞，用于抑制自然杀伤细胞从而逃避免疫破坏，并可能传达其他标志性能力。

肿瘤内微生物群的影响

病理学家早已认识到在实体瘤内可以检测到细菌，这一观察结果现在已经用复杂的谱分析技术得到证实。例如，在一项包含7种人类癌症类型（骨、脑、乳腺、肺、黑色素瘤、卵巢和胰腺）的1526种肿瘤的调查中，每种类型的特征是独特的微生物组，主要位于癌细胞和免疫细胞内，在每种肿瘤类型中，可以检测和推断肿瘤微生物组的变化与临床病理学特征相关。未来的一个重要挑战将是将这些影响扩展到其他肿瘤类型，并描述肿瘤微生物组的构成和变异对肠道（和局部来源组织）微生物组的潜在可分离贡献，可能通过识别在一个位置或另一个位置具有功能影响的特定微生物种类。

辅助细胞

细胞衰老是一种典型的不可逆的促增殖停滞形式，可能演变为维持组织稳态的保护机制，表面上是程序性细胞死亡的补充机制，用于灭活和在适当的时候清除病变、功能障碍或其他不必要的细胞。

长期以来，细胞衰老被认为是一种保护性抗肿瘤机制，即诱导癌细胞发生衰老。上述大多数衰老程序的发起者与恶性肿瘤有关，尤其是由异常过度增殖引起的DNA损伤，即由过度活化信号引起的所谓癌基因诱导的衰老，以及由化疗和放疗引起的细胞和基因组损伤引起的治疗诱导的衰老。在某些情况下，衰老细胞不同程度地刺激肿瘤发展和恶性进展。

研究表明，SASP是衰老细胞促进肿瘤表型的主要机制，以旁分泌方式将信号分子传递给邻近的存活癌细胞以及TME中的其他细胞，从而传递标志性能力。因此，在不同的实验系统中，衰老癌细胞显示出对增殖信号传导的不同贡献，避免细胞凋亡，诱导血管生成，刺激侵袭和转移，以及抑制肿瘤免疫。

然而，衰老癌细胞对癌症表型影响的另一个方面涉及短暂的、可逆的衰老细胞状态，衰老的癌细胞可以逃避其表达SASP的非增殖状态，并恢复细胞增殖和表现完全存活的致癌细胞的相关能力。

衰老细胞的促进标志的能力并不局限于衰老的癌细胞。肿瘤中的癌症相关成纤维细胞(CAF)已被证明会发生衰老，产生衰老的CAF，通过向TME中的癌细胞传递标志性能力，可显著促进肿瘤。

结论

通过对10个已知特征进行评估考量，解锁表型可塑性、非突变表观遗传重编程、器官/组织多形性微生物组可能被整合为机制决定因素，癌细胞和各种基质细胞在内的不同起源的衰老细胞在功能上有助于癌症的发生和恶性进展，这四项标志很可能会整合到癌症特征性标志中（图4. 癌症新增标志）。值得注意的是，尽管这些标志各自独立，但在实际肿瘤生长调控的各个方面仍部分交互关联。