鄒庚藝，張曉彤，李惠霞

作者單位：300071 天津，南開(kāi)大學(xué)醫(yī)學(xué)院（鄒庚藝、張曉彤）；300060天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院國(guó)家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/天津市腫瘤防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/天津市惡性腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心（李惠霞）

現(xiàn)如今，腫瘤仍是危害人類健康的重大疾病，對(duì)于腫瘤的起源主要有兩種觀點(diǎn)，即克隆形成學(xué)說(shuō)和腫瘤干細(xì)胞模型。后者認(rèn)為腫瘤是由一群包含各種表型和生物學(xué)特征的細(xì)胞組成，這些細(xì)胞具有很強(qiáng)的異質(zhì)性[1]，腫瘤形成的關(guān)鍵在于其中一小部分類似于成體干細(xì)胞的腫瘤細(xì)胞，它們分化程度低，致瘤能力強(qiáng)，具有自我增殖及多向分化的潛能，被稱為腫瘤干細(xì)胞（cancer stem cells，CSCs）[2-4]。腫瘤干細(xì)胞與腫瘤的復(fù)發(fā)、進(jìn)展有著密不可分的聯(lián)系。其中重要的特性莫過(guò)于細(xì)胞可長(zhǎng)期處于靜息狀態(tài)，腫瘤干細(xì)胞的細(xì)胞間期延長(zhǎng)，化療藥物不能對(duì)其產(chǎn)生殺傷作用，當(dāng)其進(jìn)入分裂期的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)。本文主要關(guān)注表觀遺傳學(xué)對(duì)腫瘤干細(xì)胞的分裂、自我更新以及擴(kuò)散的影響。

1 腫瘤干細(xì)胞的來(lái)源與特征

有假說(shuō)認(rèn)為，腫瘤干細(xì)胞的起源是由于成體干細(xì)胞的突變以及錯(cuò)誤的信號(hào)調(diào)節(jié)造成的。位于器官組織中的成體干細(xì)胞可以維持靜息期，這對(duì)腫瘤干細(xì)胞的產(chǎn)生有著一定的助力[5]。近年來(lái)，不斷有研究表明，腫瘤干細(xì)胞是由于成體干細(xì)胞基因錯(cuò)配而形成，同時(shí)腫瘤干細(xì)胞又保留了成體干細(xì)胞無(wú)限增殖的特性[6]。祖細(xì)胞是一種來(lái)源于干細(xì)胞的早期分化類型，相較于干細(xì)胞它有更為定向的細(xì)胞特征，比如較低的自我更新能力以及有限的復(fù)制性[7]。關(guān)于祖細(xì)胞的特性，很多研究顯示其可以分化成為腫瘤干細(xì)胞。一個(gè)正常的祖細(xì)胞，經(jīng)過(guò)誘導(dǎo)后可以分化成多種家系的腫瘤干細(xì)胞[8]。另一個(gè)關(guān)于腫瘤干細(xì)胞起源的說(shuō)法是，體細(xì)胞可以作為腫瘤的起源細(xì)胞，這種說(shuō)法首先在 Mintz 等[9]的實(shí)驗(yàn)中被證明，他們通過(guò)向 6 d 胎齡的小鼠胚胎中注射早期發(fā)育畸形的胚胎細(xì)胞，證明腫瘤早期可以來(lái)源于體細(xì)胞的突變。最近關(guān)于體細(xì)胞細(xì)胞核的基因重排可以發(fā)育成為誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（induced pluripotent stem cells，iPSCs）的發(fā)現(xiàn)也同樣可以證明這一假說(shuō)[10]。

盡管關(guān)于腫瘤干細(xì)胞來(lái)源的方式說(shuō)法不一，但是這兩種理論的走向是基本一致的。無(wú)論是腫瘤始動(dòng)細(xì)胞或是腫瘤干細(xì)胞，不考慮它們的來(lái)源方式，只觀察其細(xì)胞功能可以發(fā)現(xiàn)，它們都具有自我更新的能力，可以進(jìn)行自我復(fù)制，同時(shí)不會(huì)失去腫瘤的異質(zhì)性。眾多的腫瘤干細(xì)胞使得腫瘤組織不斷地增生繁殖，從一個(gè)小的亞群，逐漸發(fā)展并占據(jù)大部分組織。

眾所周知，正常的成體干細(xì)胞的主要功能就是為其所在的組織提供分化的最終產(chǎn)物——能夠維持組織穩(wěn)定性及功能的體細(xì)胞。和正常的成體干細(xì)胞一樣，腫瘤干細(xì)胞的存在也是為了能夠保持腫瘤組織無(wú)限的增殖和自我更新，同時(shí)分化成為具有特定功能的細(xì)胞表型。對(duì)于這類腫瘤干細(xì)胞，科研人員們有著這樣的定義：腫瘤干細(xì)胞是一類能夠致癌的細(xì)胞群，它們對(duì)于腫瘤的發(fā)生發(fā)展有著重要的作用，同時(shí)可以維持、調(diào)控腫瘤的固有特性，例如細(xì)胞的靜息期、無(wú)限制的自我更新、對(duì)化療和放療的內(nèi)在抗性等，以及定向分化成為子代腫瘤細(xì)胞的能力[11]。當(dāng)在體外培養(yǎng)腫瘤干細(xì)胞時(shí)，其呈現(xiàn)出一種錨定-不依賴性的生長(zhǎng)狀態(tài)，對(duì)外源生長(zhǎng)刺激因子的依賴較少、失去細(xì)胞接觸抑制效應(yīng)，導(dǎo)致永生化，這種錨定-不依賴性生長(zhǎng)是腫瘤細(xì)胞的特征之一。靜息狀態(tài)下的腫瘤干細(xì)胞的永生性是其最有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的增長(zhǎng)特征，在擴(kuò)增過(guò)程中其可以無(wú)限增殖，并可以通過(guò)不平衡的增長(zhǎng)潛能發(fā)育成兩種表型的細(xì)胞，一種是可以定向分化成腫瘤的成體細(xì)胞，其并沒(méi)有無(wú)限增殖的潛能；另一種是與腫瘤干細(xì)胞具有相同功能的子代細(xì)胞，它具有無(wú)限增殖的潛能，這種增殖方式被稱之為自我更新，大部分腫瘤組織是由分化水平高的子代腫瘤細(xì)胞構(gòu)成的。同時(shí)腫瘤干細(xì)胞還具有另一個(gè)特征就是在體外培養(yǎng)的克隆形成以及體內(nèi)培養(yǎng)的成瘤特性。

總之，這些結(jié)果都表明腫瘤干細(xì)胞與正常干細(xì)胞具有較高的相似性。如前所述，干細(xì)胞的特性在很大程度上受表觀遺傳學(xué)的調(diào)控，由此思考表觀遺傳學(xué)在調(diào)節(jié)腫瘤干細(xì)胞的功能和表型中也具有重要作用。

2 表觀遺傳學(xué)對(duì)腫瘤干細(xì)胞的調(diào)控

在體細(xì)胞重新編碼的進(jìn)程中，逆轉(zhuǎn)錄病毒、非病毒載體或者是化學(xué)手段產(chǎn)生的過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子使得相應(yīng)的核染色質(zhì)重塑，以完成體細(xì)胞向干細(xì)胞的轉(zhuǎn)換。重新編碼是以循序漸進(jìn)的方式進(jìn)行的，首先是要重新編碼的細(xì)胞因子和 DNA上與干細(xì)胞相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，抑制分化的基因，使其不再表達(dá)相應(yīng)的蛋白。同時(shí)染色質(zhì)重構(gòu)會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)染色質(zhì)中的蛋白表達(dá)，去除大部分或者所有與細(xì)胞分化相關(guān)的分子標(biāo)志物，將體細(xì)胞從已經(jīng)分化的狀態(tài)轉(zhuǎn)化成未分化的干細(xì)胞[12]。同樣的過(guò)程也會(huì)發(fā)生在腫瘤干細(xì)胞的形成中，無(wú)論是從成體干細(xì)胞、祖細(xì)胞或者是已經(jīng)分化的體細(xì)胞來(lái)逐漸演變成為腫瘤干細(xì)胞，上述過(guò)程都是不可缺少的。這些與腫瘤起始相關(guān)的細(xì)胞會(huì)經(jīng)歷一個(gè)相似的 DNA 甲基化以及染色體重排的過(guò)程，最終形成有致癌能力的腫瘤干細(xì)胞。

因此，在腫瘤形成的過(guò)程中，表觀遺傳學(xué)對(duì)其的調(diào)控主要存在兩種機(jī)制：①通過(guò)暴露原癌基因位點(diǎn)促進(jìn)轉(zhuǎn)錄因子過(guò)表達(dá)，以調(diào)控中間產(chǎn)物為主，促進(jìn)腫瘤的形成；②促進(jìn)腫瘤發(fā)生的始動(dòng)因子的過(guò)表達(dá)，成為腫瘤形成過(guò)程中的起始因素。我們現(xiàn)階段對(duì)于表觀遺傳學(xué)是通過(guò)哪些機(jī)制，哪些通路來(lái)調(diào)控克隆細(xì)胞的增殖以及相關(guān)基因表達(dá)的知識(shí)廣度以及深度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，特別是對(duì)其中的關(guān)鍵事件的了解更是有限。每個(gè)腫瘤基因啟動(dòng)子甲基化的中位頻率為 250 ～ 800，根據(jù)腫瘤的不同類型，非同義替換基因發(fā)生突變的頻率不同，其最高在 150 ～ 170[13]。此外，正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞中自發(fā)的突變率約為每個(gè)分區(qū)的每核苷酸堿基對(duì)的 10-10[14]，與這個(gè)突變率相比，發(fā)生錯(cuò)配甲基的頻率會(huì)高很多，每個(gè)分區(qū)的每個(gè) CpG 雙核苷酸大約為 2 × 105[15]。因此盡管原發(fā)灶與轉(zhuǎn)移灶的 DNA 超甲基化相關(guān)的重要啟動(dòng)子是一致的，然而復(fù)制 DNA 甲基化的高錯(cuò)配率或許表明，在腫瘤進(jìn)展的過(guò)程中表觀遺傳上對(duì) DNA 的修飾比基因本身的遺傳變異性更加多變難測(cè)。

因此，表觀遺傳變異性對(duì)腫瘤進(jìn)展的確切作用仍需要更為深入的研究。表觀遺傳學(xué)對(duì)染色體的眾多修飾過(guò)程中，甲基化能夠傳遞到子代，同時(shí)當(dāng)它精準(zhǔn)地定位到編碼區(qū)時(shí)能夠直接影響基因所行使的功能，對(duì)器官以及組織的功能產(chǎn)生影響。因此，或許可以利用其進(jìn)行克隆篩選，同時(shí)影響腫瘤異質(zhì)性的形成。無(wú)論是偶然發(fā)生的表觀遺傳學(xué)改變或是異常轉(zhuǎn)錄都可以作為潛在的篩選條件對(duì)細(xì)胞的基因畸變進(jìn)行遴選，包括抑癌基因的沉默或是 DNA 修復(fù)基因的缺失。這種表觀遺傳學(xué)的改變可以增加細(xì)胞的可塑性，在腫瘤進(jìn)展的過(guò)程中，可以促進(jìn)腫瘤起始亞群的形成。關(guān)于腫瘤干細(xì)胞的起源，還有一種等級(jí)假說(shuō)，認(rèn)為腫瘤干細(xì)胞是一群穩(wěn)定的突變細(xì)胞亞群，有著誘發(fā)腫瘤發(fā)生的能力，有著不同的腫瘤細(xì)胞表型，一個(gè)腫瘤中存在不同表型的干細(xì)胞，有特定的表型能夠適應(yīng)當(dāng)前腫瘤所提供的微環(huán)境而進(jìn)行增殖，而有的細(xì)胞表型則更加適應(yīng)其他的微環(huán)境。無(wú)論是根據(jù)這些理論中的哪一個(gè)或是將這些理論組合在一起來(lái)理解，腫瘤細(xì)胞群其內(nèi)在固有的異質(zhì)性都與表觀遺傳學(xué)的修飾密不可分。

等級(jí)假說(shuō)理論與細(xì)胞的可塑性模型之間一直存在分爭(zhēng)。然而現(xiàn)在已有證據(jù)證明，表觀遺傳學(xué)的修飾可以使細(xì)胞在干細(xì)胞狀態(tài)和定向分化后具有功能的細(xì)胞間轉(zhuǎn)化。在腫瘤中發(fā)生的上皮細(xì)胞-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）現(xiàn)象也同樣會(huì)發(fā)生在正常細(xì)胞的轉(zhuǎn)化過(guò)程中[16]。EMT 的過(guò)程中，間充質(zhì)細(xì)胞和干細(xì)胞有很多的相似之處，例如持續(xù)的自我更新以及遷移能力。上述這些行為，在健康成人的細(xì)胞更新中同樣也會(huì)發(fā)生，組織中細(xì)胞的更新需要這些反應(yīng)來(lái)作為基石。這種內(nèi)在的細(xì)胞行為在正常細(xì)胞和癌癥相關(guān)的上皮新生細(xì)胞中都可觀察到，不同的信號(hào)傳導(dǎo)會(huì)使細(xì)胞在上皮細(xì)胞和間充質(zhì)細(xì)胞之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在特定的細(xì)胞微環(huán)境下可以改變細(xì)胞的表型[16]。相較于正常細(xì)胞，在癌變細(xì)胞中，這種轉(zhuǎn)化過(guò)程會(huì)進(jìn)行得更加高效。就以乳腺癌細(xì)胞為例，數(shù)據(jù)顯示，類似于干細(xì)胞表型的細(xì)胞或是間充質(zhì)細(xì)胞可以在腫瘤進(jìn)展的任何時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)、轉(zhuǎn)化等，使有著上皮細(xì)胞特性的腫瘤組織中的細(xì)胞表型更加豐富[17]。表觀遺傳學(xué)是如何調(diào)控上皮細(xì)胞間充質(zhì)轉(zhuǎn)化這一過(guò)程的呢？有一種假設(shè)，在任何特定的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生的上皮細(xì)胞間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，其決定因素主要是關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的染色質(zhì)調(diào)節(jié)及其下游分子標(biāo)志物的表達(dá)[18]。

在這種假設(shè)的調(diào)節(jié)機(jī)制中，Wnt 和 TGF-β 的激活，以及 E-cadherin 的表達(dá)調(diào)節(jié)都是該通路的關(guān)鍵分子。在未分化狀態(tài)中，存在一些基因的控制區(qū)域（或啟動(dòng)子），尤其是那些對(duì)于發(fā)育至關(guān)重要的基因，這些區(qū)域通過(guò)與被激活或抑制的組蛋白進(jìn)行“交流”，保持可塑性，生物學(xué)家將這種狀態(tài)命名為“二價(jià)狀態(tài)”。為了調(diào)節(jié)染色質(zhì)的表達(dá)，基因沉默在此起到了很大的作用?；虺聊?PcG 蛋白以及其伴隨的 H3K27me3 標(biāo)記調(diào)控，來(lái)控制啟動(dòng)子的“二價(jià)狀態(tài)”[19]。因此，當(dāng)間充質(zhì)細(xì)胞或是其他干細(xì)胞樣的細(xì)胞表型在維持這種“二價(jià)狀態(tài)”時(shí)，細(xì)胞中表達(dá) E-cadherin 的基因會(huì)處在一個(gè)靜息狀態(tài)，當(dāng)與 Wnt 和 TGF-β 激活相關(guān)的基因的表達(dá)被抑制時(shí)，維持上皮細(xì)胞表型的相關(guān)信號(hào)通路的表達(dá)就會(huì)增加，細(xì)胞可塑性的關(guān)鍵在于，在大多數(shù)的上皮細(xì)胞中基因通常被維持在“二價(jià)狀態(tài)”。相反而言，當(dāng)與Wnt 和 TGF-β 激活相關(guān)的基因的表達(dá)被激活時(shí)，會(huì)觸發(fā)上皮細(xì)胞間充質(zhì)轉(zhuǎn)化進(jìn)程。關(guān)于染色質(zhì)調(diào)控的分子機(jī)制（“二價(jià)狀態(tài)”的染色質(zhì)與異常啟動(dòng)子導(dǎo)致的 DNA 甲基化）是現(xiàn)階段在癌癥中關(guān)于細(xì)胞可塑性的關(guān)鍵因素。同時(shí)，細(xì)胞的狀態(tài)能影響腫瘤早期的進(jìn)展，這一現(xiàn)象或許在癌前病變中就已經(jīng)出現(xiàn)，作為起始步驟導(dǎo)致腫瘤的進(jìn)展。這些表觀遺傳學(xué)的改變，令具有癌變趨勢(shì)的細(xì)胞能夠與慢性感染中的細(xì)胞一樣，在細(xì)胞增殖過(guò)程中保留其表型[20]。在細(xì)胞代謝過(guò)程中，PcG 蛋白和 DNA 甲基化轉(zhuǎn)移酶（DNMTs）的復(fù)合物能夠迅速地整合進(jìn)啟動(dòng)子、CpG 島以及與轉(zhuǎn)錄沉默相關(guān)的基因中[21]。

在 DNA 損傷修復(fù)過(guò)程中，如果發(fā)生錯(cuò)誤，當(dāng)轉(zhuǎn)錄沒(méi)有停止時(shí)，這個(gè)錯(cuò)誤將會(huì)在每一代細(xì)胞中進(jìn)行累積。所以上述的轉(zhuǎn)換過(guò)程通?？梢宰鳛檫^(guò)渡事件來(lái)保護(hù)啟動(dòng)子區(qū)的正常代謝。然而，在慢性炎癥和“二價(jià)狀態(tài)”或是典型的 PcG標(biāo)記基因所導(dǎo)致的低轉(zhuǎn)錄狀態(tài)等外周環(huán)境影響下，或許會(huì)使啟動(dòng)子對(duì)于上述蛋白的復(fù)合物以及異常累積的 DNA 甲基化的抗性更差[22]。干細(xì)胞相關(guān)基因的染色質(zhì)異常甲基化以及染色質(zhì)的轉(zhuǎn)錄抑制能夠減少細(xì)胞群的可塑性，使細(xì)胞維持異?？寺?，在損失分化能力的同時(shí)保留自我更新的能力[22]。這種類型的染色質(zhì)改變，也可以影響到腫瘤細(xì)胞亞群的生成，以及該亞群腫瘤細(xì)胞異質(zhì)性的維持，這與腫瘤的進(jìn)展和復(fù)發(fā)以及自我更新是密不可分的。這些細(xì)胞亞群有著較少的可塑性，不易逆轉(zhuǎn)其細(xì)胞的干性特點(diǎn)，這一細(xì)胞特征就給了腫瘤在任何時(shí)間點(diǎn)上都有進(jìn)展和復(fù)發(fā)的機(jī)會(huì)（圖 1）。

圖 1 表觀遺傳學(xué)對(duì)腫瘤干細(xì)胞的影響

3 表觀遺傳學(xué)對(duì)癌癥治療及治療抵抗的影響

通過(guò)改變腫瘤細(xì)胞的表觀遺傳抑制腫瘤進(jìn)展是一種較為新穎的治療方法。晚期腫瘤難以治愈的重要原因之一在于腫瘤細(xì)胞的耐藥性，改變耐藥腫瘤細(xì)胞的表觀遺傳能夠改變治療過(guò)程中的耐藥性問(wèn)題。如今，表觀遺傳學(xué)無(wú)論在開(kāi)發(fā)新抑癌藥物方面還是在改變腫瘤細(xì)胞的耐藥性方面都已經(jīng)得到了越來(lái)越多的關(guān)注。表觀遺傳相關(guān)的治療在保護(hù)、延緩甚至逆轉(zhuǎn)腫瘤細(xì)胞耐藥性方面存在巨大的潛力。最近有綜述報(bào)道，應(yīng)用小分子物質(zhì)能夠逆轉(zhuǎn) DNA 甲基化和組蛋白的去乙?；?，提示我們選取其他靶向藥物來(lái)調(diào)節(jié)染色質(zhì)調(diào)控蛋白[23]。其中背景之一是近期一個(gè)令人興奮的數(shù)據(jù)，提示染色質(zhì)改變可同步出現(xiàn)在相關(guān)的干細(xì)胞群體中，同時(shí)提示了染色質(zhì)改變?cè)诙嘀刂委煹闹委熜阅退幍难葑冎械淖饔肹24]。當(dāng)然，對(duì)靶向治療，這些抵抗是由靶分子在直接下游通路發(fā)生或者互補(bǔ)通路中直接產(chǎn)生的新突變?cè)斐蒣25]。因此，表觀遺傳的改變能在腫瘤細(xì)胞的耐藥性中起重要作用。事實(shí)上，腫瘤細(xì)胞耐藥性的可逆模型已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中成功獲得。這種腫瘤細(xì)胞耐藥性，在行停藥處理或者組蛋白去乙酰酶抑制劑處理后可被逆轉(zhuǎn)，這與有異質(zhì)性的腫瘤細(xì)胞群或經(jīng)誘導(dǎo)的腫瘤干細(xì)胞所產(chǎn)生的耐藥性相一致。相反，在這些存在耐藥性的細(xì)胞亞群中有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是 H3K4me3 脫甲基酶和人賴氨酸特異性脫甲基酶 5A（JARID1A）處于非常高的水平，而 H3K4me3 在所有細(xì)胞中表達(dá)較低。JARID1A 作為相關(guān)蛋白在維護(hù)腫瘤啟動(dòng)細(xì)胞的功能上起著重要作用[26]。這些數(shù)據(jù)證明腫瘤細(xì)胞亞群的干細(xì)胞樣表型和染色質(zhì)改變是有可塑性的，這些可逆的表觀遺傳異?？赡軐?duì)有原發(fā)耐藥的腫瘤亞群提供潛在的治療策略。表觀遺傳相關(guān)的治療作為一種預(yù)備治療手段，可能對(duì)那些藥物或者常規(guī)靶向化學(xué)治療抵抗的腫瘤細(xì)胞敏感。

4 結(jié)論與展望

研究表明，表觀遺傳學(xué)機(jī)制在腫瘤干細(xì)胞的多向分化和調(diào)控中發(fā)揮非常重要的作用，但目前的成果并不能使我們對(duì)腫瘤干細(xì)胞的表觀遺傳組學(xué)特點(diǎn)有一個(gè)全面的了解。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展，獲得了上千種腫瘤的全基因組DNA 序列，同時(shí)也推動(dòng)了表觀遺傳學(xué)的全基因組測(cè)序，目前許多腫瘤的表觀遺傳學(xué)圖譜已經(jīng)明確，下一步，最需要的就是排除腫瘤中的異質(zhì)細(xì)胞，對(duì)關(guān)鍵的腫瘤干細(xì)胞的表觀遺傳學(xué)修飾進(jìn)行全基因組范圍的檢測(cè)，明確腫瘤干細(xì)胞表觀遺傳基因組，以真正推動(dòng)腫瘤的臨床診斷、治療以及預(yù)防。