肿瘤干细胞

摘要

1.简介

干细胞的特征是具有自我更新的能力和分化为各种特殊细胞类型的能力。这一概念已从胚胎干细胞（ESC）和成人干细胞扩展到癌症干细胞（CSC）和诱导多能干细胞（IPS）。通过自我更新，产生了更多的干细胞，保持未分化状态。通过分化，干细胞产生成熟的细胞类型。胚胎干细胞能够在胚胎发育过程中分化为所有组织。成体干细胞在补充和修复成体组织中发挥着重要作用(Lawson等人，2009年). 研究人员已经成功地将体细胞重新编程为干样细胞，称为诱导多能干细胞（iPSCs），这种干细胞具有ESCs的许多特征(高桥和山中，2006年). 新的证据表明，肿瘤中存在一种干细胞样细胞亚群，称为CSC，它同时具有干细胞和癌细胞的特征。除了自我更新和分化能力外，CSC还能够在移植到动物宿主中时植入肿瘤种子。通过细胞分裂的对称性和基因表达的改变，CSC可以与肿瘤内的其他细胞区分开来(Rosen和Jordan，2009年).

microRNAs（miRNAs）是一类长度约为20 nt的非编码小RNA。miRNAs通过与靶基因3'非翻译区的互补相互作用调节靶信使RNA的稳定性或翻译效率。已经从哺乳动物中鉴定或预测了1000多个哺乳动物miRNAs。据预测，一个miRNA可以靶向数百个基因。约三分之一人类基因的表达受多个miRNAs调控。miRNAs已被证明可以调节广泛的生物学过程，包括胚胎发育、细胞周期、细胞增殖、肿瘤的发生和发展、肿瘤转移、自我更新和干细胞分化(Yu等人，2010a).

miRNA在调节干细胞中的作用在最初的miRNA发现中是隐含的，线-4和let-7，参与调节幼虫到成体细胞命运的时间秀丽线虫((Lee等人，1993年,Reinhart等人，2000年). 的表达式线-4和第7列在早期胚胎中检测不到，在幼虫晚期增加，在成体阶段高表达，这表明在促进胚胎细胞分化方面具有潜在作用。自从夏普实验室鉴定出在ES细胞中独家表达的miRNA以来(Houbavey等人，2003年)已经描述了干细胞iPSCs和CSCs中特异性miRNA的作用。miRNA在ES细胞中有差异表达(Houbavey等人，2003年). 关键ES细胞转录因子与在ES细胞中优先表达的miRNAs启动子相关(Marson等人，2008年). 对人类乳腺癌干细胞（hBCSCs）中miRNA的分析表明，hBCSC和胚胎癌细胞中miRNA子集的调节是一致的(Shimono等人，2009年). 随后的研究揭示了人类iPSC和人类ESCs的miRNA表达的相似性，但也有明显的差异。有趣的是，这些研究确定了多能干细胞和癌细胞之间的重要差异。总的来说，这些研究表明了干细胞亚群状态和具有新模式的癌症之间的相似性和差异性，这将在下文第3节中进一步讨论。

2.肿瘤干细胞

干细胞在癌症中作用的第一个现代证据是1994年对人类急性髓细胞白血病的研究(Lapidot等人，1994年)，其中通过移植到严重联合免疫缺陷（SCID）小鼠中从AML患者中鉴定出AML启动细胞群。在细胞表面标记物表达（CD34）的基础上富集白血病起始细胞⁺/CD38型⁻). 2003年，在包括乳腺在内的实体肿瘤中发现了人类CSC(Al-Hajj等人，2003年)和脑癌(Singh等人，2003年). 随后的报告发现CSC存在于多种肿瘤中，包括结肠、胰腺、肺、前列腺、黑色素瘤和胶质母细胞瘤。值得注意的是，在非肥胖糖尿病/严重联合免疫缺陷（NOD/SCID）小鼠中，只有100个癌症干细胞能够形成肿瘤(Al-Hajj等人，2003年).

细胞表面标记物如CD44、CD24、CD29、CD90、CD133、上皮特异性抗原（ESA）和醛脱氢酶1（ALDH1）的表达已被用于从不同肿瘤中分离和富集CSC(Al-Hajj等人，2003年,Singh等人，2003年,Ginestier等人，2007年). 值得注意的是，CSC表面标记物的表达具有组织类型特异性，甚至肿瘤亚型特异性。例如，CD44⁺CD24型^−/低乳腺CSCs的谱系和ALDH+特征；CD133型⁺用于结肠、脑和肺；CD34型⁺CD8（CD8）⁻白血病；CD44细胞⁺用于头部和颈部；CD90型⁺用于肝脏；CD44细胞⁺/CD24型⁺/欧洲航天局⁺胰腺CSC(Yu等人，2010a).

CSC的定义是其产生更多SC（自我更新）和产生分化细胞的能力。不对称细胞分裂完成了这两项任务，因为一个后代保留SC身份，另一个经历了一轮细胞分裂和随后的有丝分裂后分化。关于CSC分类标准尚未达成共识，因此尚不可能明确定义CSC亚群在特定肿瘤中的比例、CSC与临床结果的相关性以及CSC的起源。最初，CSC被认为是实体瘤中细胞总数的一小部分，然而，有人声称多达25%的癌细胞可能具有CSC的特性(Kelly等人，2007年). 关于CSC的起源，有几种不同的理论。一种理论认为，CSC起源于正常的干/祖细胞，当遇到特殊的基因突变或环境改变时，这些细胞能够产生肿瘤。一些CSC在细胞特性、表型、功能甚至细胞表面标记方面与正常干/祖细胞相似。例如，CD44⁺/CD24型^−/低被鉴定为乳腺祖细胞的细胞群与CD44相似⁺CD24型^−/低血统⁻用于识别乳腺癌患者CSC的细胞。

另一种关于CSC起源的理论认为，CSC起源于正常的体细胞，它们通过遗传和/或异型改变获得干样特征和恶性行为。例如，癌细胞通过上皮-间充质转化（EMT）获得干样特征。永生化人类乳腺上皮细胞（HMLE）中EMT的诱导导致了间充质性状的获得和干细胞标志物的表达，这些标志物与从HMLE分离的干细胞样细胞相似。此外，这些细胞形成乳房球的能力增强(Mani等人，2008年).

EMT由转录因子驱动，包括SNAI1/2、ZEB1/2或TWIST1/2，这些转录因子增加了上皮细胞的侵袭性。在一些研究中，EMT的诱导增强了自我更新和CSC特征的获得(Ansieau等人，2008年,Mani等人，2008年,Yang等人，2004年). 相反，一些研究表明，具有上皮性表型的肿瘤细胞在循环中存活并形成远处转移(Floor等人，2011年,Tsuji等人，2008年,Korpal等人，2011年,Celia-Terrassa等人，2012年).

在前列腺癌细胞系中，具有强上皮基因程序的亚群富含高转移性TIC，而间充质亚群显示TIC降低。总之，这些研究阐明了支配自我更新和间充质基因相互作用的可塑性和细胞类型特异性特征(Celia-Terrassa等人，2012年).

3.CSC功能

干细胞的信号通路与miRNA调控

CSC的自我更新和分化受到多种调节网络的严格控制，包括来自癌细胞微环境的细胞因子。一些信号通路控制癌症的功能，包括Hedgehog、Notch和Wnt/β-catenin通路，以前已经过综述(Reya和Clevers，2005年,DeSano和Xu，2009年)然而，在此我们回顾了这些通路与细胞极性和细胞分裂对称性的关系。(图1A–E).

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图1

基因表达、细胞增殖和分化调控中的信号通路。（A） 刺猬信号通路；（B） Notch信号通路；（C） Wnt/β-catenin信号通路；（D） 涉及PTEN的信令网络；（E） 海马信号通路。

Wnt信号在调节发育程序和调节干细胞功能中起着重要作用(Clevers，2006年) (图1A). Wnt信号增加导致小鼠垂体瘤(Gaston-Massuet等人，2011年)Wnt驱动干细胞中对称的细胞分裂(Le Grand等人，2009年). Wnt基因家族编码19种富含半胱氨酸的分泌糖蛋白，这些糖蛋白结合Fzd受体(卡瓦诺和基普塔，2003年). 在典型的Wnt信号传导中，Wnt与Fzd结合可激活蓬乱（Dsh），使GSK3β失活，稳定β-catenin，从而诱导靶基因，包括cyclin D1(图1A). 另一种与低密度脂蛋白（LDL）受体相关的受体，称为LRP 5/6，也与Wnt结合，共同诱导典型的Wnt-β-catenin信号。Dickkopf结合并抑制LRP。在非规范Wnt信号中，Wnt结合Fzd和glypican激活Dsh，从而激活Rho和JNK或Ca⁺²流入、NFAT、PKA和CamkII。与本综述相关的另一个非规范途径是平面细胞极性途径（PCP），它通过增强干细胞的平面极化来驱动对称细胞分裂(Le Grand等人，2009年,von Maltzahn等人，2012年). 在这方面，Wnt7a通过Fzd7和Vangl2刺激卫星干细胞的对称扩张(Le Grand等人，2009年).

Notch受体是单通道跨膜蛋白。受体在内质网和高尔基体中加工，导致分裂，产生糖基化钙⁺²稳定的异二聚体。经过处理的受体被转移到膜上，在那里它与配体结合，配体是位于信号传导细胞中的Delta-like和Jagged家族的成员。缺口激活有助于多种干细胞和早期祖细胞的扩增(千叶，2006).

刺猬协调组织祖细胞或干细胞的发育和扩张。Hedgehog配体被翻译为前体，经过自催化处理形成N末端片段（HWN）(图1C). 分泌和旁分泌信号传导需要Dispatched蛋白的参与。HhN（包括印度刺猬、沙漠刺猬和声波刺猬）结合补丁受体（PTCH1），抑制其对光滑（Smo）的构成性抑制，导致Gli转录因子的激活(图1C). 靶向此途径调节干细胞功能的化合物包括环胺、vismodegib、伊曲康唑、PTCN和Gli3抗体以及干扰Gli功能的三氧化二砷。Notch和Wnt通路与受体酪氨酸激酶（RTK）之间的粗话(图1D)生长因子受体信号转导与干细胞扩增的相互作用(图1D).

虽然主要涉及确定生物体大小和作为抑癌途径发挥作用，但最近的研究已经证明Hippo途径在干细胞中的作用。（在中审查(赵等，2010) (图1E). 海马通路成分YAP阻止ESCs分化，TAZI敲除诱导人类CAI细胞分化。血管周围癌干细胞室中高YAP的扩张表明VAP在河马途径CSC维持中的作用(图1E).

LATS 1/2是与果蝇基因同源的核Dbf-2相关激酶Warts公司，其被支架蛋白（MOBS，Mps一种结合激酶激活剂样1A，与果蝇垫Mst 1/2是STE20家族激酶，由包括萨尔瓦多结合（SAV1）在内的几个上游事件激活。Merlin（MER）和Expanded（Ex）蛋白质控制膜和肌动蛋白的结合。Kibra通过促进默和前任Hpo和Sav。河马的下游是转录效应器YAP、TAZ和YKI。YAP调节CTGF、Gli2等基因。河马与Wnt和Notch通路交叉，后者也调节干细胞功能。

干细胞的miRNA调控

miRNAs调节CSC的自我更新、分化和肿瘤发生(图2). 如Dicer或Dgcr8基因敲除中所观察到的，miRNA的全局丢失会导致miRNA处理的全局丢失和自我更新的缺陷，导致无法下调干细胞特异性标记。miRNA在建立ESC特性中发挥重要作用(Martinez和Gregory，2010年). miRNA在转录因子和RNA结合蛋白（OCT4、Sox2、Nanog、Klf4、c-Myc、Tcf3、Lin28）核心网络的建立和维护中发挥着重要的功能作用，确保ESC的身份。其中一些因子占据miRNA簇的调节区域，以协调的方式调节ESCs中miRNA的丰度(Marson等人，2008年). ESC miRNA通过抑制多能性因子的表观遗传沉默来维持ESC程序。Let-7 miRNA通过阻遏ESC miRNA激活的共同靶基因来对抗ESC miRNA的功能。以前曾报道过CSC特异性miRNA表达谱。

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图2

炎症细胞因子网络对CSC的调节。IL-6-IL-6R复合物与gp130的结合以及IL-8与CXCR1/2的结合通过Stat3和Akt信号激活NF-κB通路。NF-κB产生的IL-6和IL-8产生一个正反馈回路，维持构成通路的激活。说明了药物对通路成分的抑制作用。

ESC的miRNA电路包括miRNA促进多能性（miR-290、302、371家族），由多能性转录因子（Oct、Sox2、Nanog、Tcf3、Kfl4）诱导，这些转录因子也诱导Lin28和c-Myc。相反，增殖或抗衰老miRNAs（miR-134、miR296、miR-200c、miR-203、miR-183和Let7 miRNA）反对多功能ESC miRNA的作用(Martinez和Gregory，2010年). 尽管有许多表型相似之处，但在人类iPSC和人类ESCs之间发现了miRNA图谱的显著差异(Chin等人，2009年,Wilson等人，2009年,Neveu等人，2010年). 在某些情况下，多能干细胞miRNA特征和癌症干细胞miRNA谱之间存在一些重叠，通常是有限的。

在肺癌祖细胞中发现miR-142-3p、miR-451、miR-106a、miR-142-5p、miR-15b、miR-20a、miR-106b、miR-25和miR-486的表达改变(钱等人，2008).Shimono等人在11份乳腺癌样本中筛选出460个miRNA，并鉴定出37个在CD44中表达改变的miRNA⁺CD24型^−/低血统⁻乳腺CSC与血统的比较⁻非致瘤性乳腺癌细胞(Shimono等人，2009年).

值得注意的是，miR-200在人基底细胞癌、人干细胞和胚胎癌细胞中下调(图2). miR-200c抑制TGF公司-β诱导的人乳腺癌EMT，抑制乳腺癌细胞的克隆扩张，抑制胚胎癌细胞的体外生长，抑制正常乳腺干细胞形成乳腺导管的能力和人类乳腺CSC驱动的肿瘤形成体内(Shimono等人，2009年). miR-200c介导的BCSC抑制的候选效应物是Bmi-1。Bmi-1是干细胞自我更新的调节因子，是miR-200c的靶基因之一(图2). 乳腺癌中miR-200c的下调伴随着Bmi-1的上调(Shimono等人，2009年).

ESC的miR-302部分，“干细胞miRNA簇”，在ES细胞中高表达，在细胞分化时降低，在体细胞中检测不到(图2). 安Oct4/Sox2-miR-302-环素D1调控ES细胞多能性和自我更新特性的调控网络已经被提出(Card等人，2008年). miR-302过表达将癌细胞转化为与Oct3/4、SSEA-3、SSEA-4、Sox2和Nanog高表达相关的ES-like多能干细胞(Lin等人，2008年).

丰富的let-7包括肺癌和乳腺癌在内的几种癌症的家庭成员减少(Takamizawa等人，2004年,Yu等人，2007年). 与miR-302相比，let-7在干细胞（包括乳腺癌干细胞）中的表达非常低或检测不到，并且随着分化而增加。有人提出，Let7是一个具有抗震性能的前微分因子。在NOD/SCID小鼠中，强制let-7表达抑制乳腺CSC的乳房形成、肿瘤形成和转移(Yu等人，2007年). let-7表达降低维持了乳腺CSC的未分化状态。let-7可以通过定向调节自我更新H-RAS公司，同时通过HMGA2型乳房CSC。总之，这些研究表明，ESC和CSC miRNA的表达和功能具有重要的相似性。

最后，miRNA与通过异型信号调控干细胞的因子之间存在着重要的相互作用。肿瘤微环境（免疫细胞、肿瘤相关成纤维细胞）向肿瘤干细胞发出信号(图2). miRNA也调节可能促进干细胞扩张的分泌细胞因子和趋化因子。miR-17/20抑制IL-8分泌，阻止肿瘤干细胞迁移和转移(图2). miRNA在调节异型信号传导中的作用有待进一步研究。

4.临床相关性

CSCs是一种新的癌症靶点。Hoey等人。针对Notch信号通路的组成部分δ样4配体（DLL4）开发抗体。在人结肠癌小鼠模型中，抗DLL4抑制Notch靶基因的表达并降低肿瘤细胞的增殖。此外，抗DLL4抗体单独或与化疗药物伊立替康联合使用都会降低CSC功能(Hoey等人，2009年).Jin等人。将单克隆抗体7G3应用于IL-3受体α链（CD123），以治疗AML小鼠模型中的白血病干细胞。7G3治疗通过IL-3介导的细胞内信号传导和白血病干细胞（CD34）的自我更新减少了白血病干细胞的植入⁺CD38型⁻)被7G3抑制(Jin等人，2009年).Ginestier等人试验了一种通过使用CXCR1特异性抗体或小分子CXCR1抑制剂repertaxin阻断IL-8受体CXCR1来靶向乳腺CSC的策略。抗CXCR1治疗后，乳腺CSC的数量减少。此外，在人类乳腺癌异种移植中，瑞贝塔辛抑制肿瘤生长，抑制转移，并减少乳腺癌CSC的数量(Ginestier等人，2010年).

这些研究与之前在小鼠身上进行的研究一致(Wu等人，2008)IL-8免疫中和抗体阻断乳腺癌转移体内(Wu等人，2008)细胞命运决定因子Dachshund（DACH1）的过度表达(Wu等人，2011年). DACH1在人类乳腺癌中的表达缺失与预后不良相关。在CSC标记物高表达的乳腺癌细胞系和基底部乳腺癌表型的患者样本中，内源性DACH1降低。乳腺癌细胞中DACH1的过度表达减少肿瘤形成体内减少了乳房层的形成在体外(Wu等人，2011年).

CSC的金标准是肿瘤的再生，该肿瘤类似于CSC起源的原始肿瘤。然而，CSC比例与临床结果之间缺乏相关性，限制了靶向CSC的转化应用。CSC可能具有抵抗当前癌症治疗的能力，从而导致癌症的复发和转移。还假设肿瘤中CSC的比例可能与癌症的严重程度相关(Diehn和Clarke，2006年). 然而，需要更多的临床证据和研究来证明肿瘤中耐药CSC比例与肿瘤侵袭性之间的相关性。在确定CSC特异性表面标记物、了解CSC致瘤能力的调节以及将CSC与临床结果联系起来方面取得的进展将有助于推动靶向CSC的临床治疗应用。

致谢

脚注

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