孔大陆教授组稿｜战阳：Nature揭示癌症转移机制：结直肠癌转移中的细胞命运重塑

编者按：来自美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心研究团队在Nature杂志上发表题为“Progressive plasticity during colorectal cancer metastasis”的研究论文，该研究利用同一患者的正常结肠、原发肿瘤和转移灶的组织样本，揭示了结直肠癌转移过程中的细胞状态转变。

本期「专家组稿」由天津医科大学肿瘤医院孔大陆教授担任执行主编，与天津医科大学肿瘤医院战阳医生共同分享《Nature揭示癌症转移机制：结直肠癌转移中的细胞命运重塑》，为医者和患者提供更多参考。

【摘要】随着癌症的发展，其变得越来越具有侵袭性——转移性肿瘤对一线疗法的反应不如原发性肿瘤，它们对连续的疗法产生抗药性，最终导致死亡。来自同一患者的原发性肿瘤和转移性肿瘤之间的突变在很大程度上是一致的，这表明非基因表型的可塑性在癌症进展和耐药性中起着重要作用。然而，目前对转移细胞状态及其转变机制缺乏了解。本研究中，研究人员在一组来自同一患者的正常结肠、原发性结肠癌和转移组织的三组生物样本中发现，虽然原发性肿瘤主要采用LGR5+肠干细胞样状态，但转移瘤显示出渐进的可塑性。癌细胞失去肠细胞特性，重编程为高度保守的胎儿祖细胞状态，然后进行非规范分化，形成不同的鳞状和神经内分泌样状态。通过使用匹配的患者衍生的器官组织，证明与肠系受限的原发肿瘤细胞相比，转移细胞在响应微环境线索时表现出更大的细胞自主多系分化潜能。本研究发现PROX1是胎儿祖细胞状态下非肠系膜的抑制因子，并证明下调PROX1会导致非经典重编程。

01 研究背景

由于手术切除转移灶并不常见，因此患者肿瘤进展过程中的癌细胞状态转变在很大程度上仍未得到解决。结直肠癌（CRC）患者同步切除原发肿瘤、正常结肠及转移灶（通常为肝转移）的匹配三联样本，为标准治疗提供了研究机会。虽然CRC主要起源于LGR5+肠道干细胞（intestinal stem cell,ISC）^[1,2]，但侵袭前沿的转移起始细胞进入 LGR5low^[3,4]、L1CAM+^[5]肿瘤再生状态。然而，尽管L1CAM+祖细胞具有最重要的临床重要性，但L1CAM+祖细胞出现的巨转移的表型状态、轨迹和依赖性仍然难以表征。

为了研究患者的转移进展，本研究前瞻性地收集了31例接受同步半结肠切除术和转移切除术的患者的正常结肠、原发性结直肠癌和转移组织的匹配三重奏，包括初治患者和接受术前化疗的患者。使用单细胞RNA测序（scRNA-seq）、多重免疫荧光和来自匹配三组样本的上皮类器官生成，发现CRC进展涉及三个不同的、有序的细胞状态tran位置：（1） 从正常结肠的分化肠道状态到富含原发性肿瘤的LGR5+ISC样状态;（2）发育重编程为与上皮损伤相关的高度可塑性祖细胞样胎儿状态;（3）非肠道谱系基因程序的表达，包括鳞状基因和神经内分泌基因程序，这些基因程序在转移瘤中富集。来自剖分三重奏的类器官显示，相对于来自同一患者的原代肿瘤细胞，转移细胞在体外具有更大的细胞内在可塑性，使它们能够在体内适应结肠和肝脏中不同的微环境。

02 主要研究结果

2.1 结直肠癌中的非经典转录程序与转移和不良结局相关。

通过对同一患者的正常结肠、原发肿瘤和转移瘤进行单细胞RNA测序和空间免疫荧光分析，研究者发现正常结肠细胞表达严格的细胞类型特异性基因模式，而未经治疗的肿瘤细胞则表现出混合谱系特征，同时表达吸收性、分泌性肠道细胞类型程序以及肠道干细胞特异性基因，表明肿瘤细胞失去了正常的肠道细胞谱系特性，并获得了肿瘤特异性程序——非经典转录程序。随着肿瘤的进展，细胞状态发生重编程，进入一个高度可塑的祖细胞样状态，该状态与上皮损伤相关，并具有向多种谱系分化的潜力，包括鳞状细胞和神经内分泌样状态。最终，在转移灶中，这些非肠道谱系基因程序的表达显著增加，导致细胞进一步分化，形成更具侵袭性和耐药性的肿瘤细胞。在此期间，保守的胎儿祖细胞中间体桥接经典和非经典状态。

2.2 肿瘤和微环境对转移可塑性具有不同贡献

研究者利用类器官实验证明上皮间细胞接触的丧失首先诱导一种高度可塑、多能的状态，这种状态在转移中富集，然后肿瘤微环境因素驱动分化为不同的肠道和非肠道谱系。在转移性肿瘤中发现的更大的细胞自主可塑性表明了转移与适应及治疗抵抗能力之间的密切关联机制。

为了探究转移性细胞与原发肿瘤细胞在可塑性方面的差异，研究者构建了患者来源的类器官模型，并利用肠道干细胞培养基和缺乏肠道生长因子的培养基进行培养。研究发现，在缺乏肠道生长因子的环境中，转移性细胞可以上调多种非经典谱系的基因表达，包括鳞状细胞和神经内分泌样状态，而原发肿瘤细胞则保留肠道上皮基因表达。这表明转移性细胞具有更大的细胞内在多谱系分化潜力，可以适应不同的微环境，并具有更大的适应性。

2.3 PROX1抑制胎儿状态中的非经典命运

为了探究非经典重编程的调控机制，研究者发现转录因子PROX1在祖细胞状态中抑制非肠道谱系基因的表达。PROX1的下调会促进非经典重编程，导致非肠道谱系基因的表达上调。此外，研究者还发现，PROX1对非肠道谱系的抑制作用依赖于肿瘤细胞状态的背景。在更具经典特征的肿瘤细胞中，PROX1的下调会导致多种非经典谱系基因的表达上调，而在更具非经典特征的肿瘤细胞中，PROX1的下调对非肠道谱系基因的表达影响较小。这表明PROX1在不同细胞状态下对非肠道谱系的抑制作用存在差异，其功能受到细胞状态的调控。更重要的是，非经典基因特征可用作未来疾病复发和不良生存率的预后生物标志物，可用于识别最有可能从针对非经典状态的新辅助或辅助治疗中受益的患者，以预防巨转移。

03 总结与展望

大多数临床癌症基因组学研究侧重于原发性肿瘤，尽管新的癌症疗法几乎总是首先在晚期转移性疾病患者中进行测试^[6,7]。本研究发现的转移性肿瘤中不同细胞状态的富集强调了从原发性肿瘤推断的局限性，并强调了研究转移组织和患者转移衍生的离体模型以描述治疗反应和可塑性机制的必要性。

尽管表型可塑性是癌症治疗的重大挑战，但鉴定患者间保守的细胞状态及分化轨迹，为未来靶向可塑性提供了潜在方向，无论是通过靶向紧急肿瘤再生损伤修复或胎儿样状态，还是通过阻断能够动态进入耐药状态的分子机制。虽然确定癌细胞重编程所特有且对正常组织稳态可有可无的机制仍然是一项重要挑战，但本研究提供了一个路线图，用于理解并最终靶向晚期癌症的进行性可塑性。

参考文献：

1. Barker, N. et al. Crypt stem cells as the cells-of-origin of intestinal cancer. Nature 457, 608–611 (2009).

2. Hirsch, D. et al. LGR5 positivity defines stem-like cells in colorectal cancer. Carcinogenesis 35, 849–858 (2014).

3. Fumagalli, A. et al. Plasticity of Lgr5-negative cancer cells drives metastasis in colorectal cancer. Cell Stem Cell 26, 569–578 (2020)

4. Canellas-Socias, A. et al. Metastatic recurrence in colorectal cancer arises from residual EMP1+ cells. Nature 611, 603–613 (2022).

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6. Gerstberger, S., Jiang, Q. & Ganesh, K. Metastasis. Cell 186, 1564–1579 (2023).

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