肿瘤干细胞的来源及主要调节机制

雷艳敏 黄常新⋆

·综述·

肿瘤干细胞的来源及主要调节机制

雷艳敏 黄常新⋆

据最新统计显示，全世界每年有1270万人被确诊为癌症，而死亡人数高达760万人［1］。随着研究深入，除传统治疗方法外，近些年出现在细胞分子水平上的抗肿瘤治疗，如免疫治疗、靶向治疗、基因治疗等。然而，效果并不理想，肿瘤的复发、转移仍时有发生。肿瘤干细胞理论的提出及肿瘤干细胞的首次发现［2］为患者带来希望。该理论认为肿瘤产生耐药、转移、复发的根本原因是肿瘤干细胞的存在［3-6］。本文重点阐述肿瘤干细胞的生长调节机制和相应治疗药物的研究进展。

1 肿瘤干细胞

以往认为在细胞生长过程中其核酸受体内外因素的影响，导致抑癌基因沉默、原癌基因激活、凋亡程序破坏、细胞周期调控异常等，进一步恶化最终引起肿瘤的发生。随着对肿瘤研究的深入，人们在肿瘤中发现了干细胞［7］，如人急性粒细胞白血病干细胞［2］、乳腺癌干细胞、脑瘤干细胞等。学者们逐渐认为肿瘤组织中仅有一小部分细胞可以产生肿瘤且维持肿瘤生长，这类细胞即为肿瘤干细胞。而肿瘤干细胞的定义于2006年被美国癌症研究学会提出，即肿瘤中拥有自我更新和产异质性肿瘤细胞能力的细胞。

2 肿瘤干细胞起源

对于肿瘤干细胞的来源，目前认为：（1）肿瘤干细胞来源于正常成体干细胞。一方面，正常细胞需要经过多次基因突变和突变基因的积累才能变成肿瘤细胞，而成体干细胞的不断自我更新为其提供可能。另一方面，肿瘤干细胞和成体细胞具有较多相似的表面抗原分子，且均具有自我更新和分化等能力。Shackleton等［8］研究中发现干细胞在乳腺癌小鼠模型的肿瘤进展过程前有扩增现象，这进一步提示该说法的可能性。（2）肿瘤干细胞来源于定向祖细胞，所谓定向祖细胞是具有限制性的特点的成体细胞。一方面，其分裂增殖能力具有有限性；另一方面，分化也具有限制性，即只能向特定某一方向细胞系列分化。该观点认为定向祖细胞发生突变后重新获得无限增殖和分化能力形成肿瘤干细胞。Lapidot 等［2］在严重免疫缺陷小鼠上接种人急性粒细胞白血病细胞的实验中发现引起小鼠发生白血病的起始细胞是CD34+CD38-细胞。该细胞比集落形成细胞幼稚。白血病干细胞可以在MLL-AF9融合蛋白的作用下由粒细胞-巨噬细胞祖细胞转化而来［9］。（3）肿瘤干细胞来源于成熟细胞［10］，成熟细胞在内外因素作用下去分化后成为幼稚细胞，具有分裂增殖能力。（4）肿瘤干细胞来源于干细胞同其他突变细胞的融合体。该新的细胞重新获得自我更新复制的能力，可以积累更多的突变，最终发生癌变。Taylor［11］发现来源于不同中枢神经系统区域的室管膜瘤是各自分子表现完全不同的疾病，更深入的分析具有区域特异性的RGCs在室管膜瘤中的表达剖面，发现RGCs阳性细胞能在裸鼠中形成肿瘤，认为是该细胞是形成肿瘤的干细胞。这表明肿瘤干细胞的来源还与其所在组织器官的位置有关。肿瘤干细胞来源于正常细胞在内外因素影响下经过各种非常途径最终获得无限增殖和分化能力的产物。

3 肿瘤干细胞生长调节机制

肿瘤干细胞和干细胞具有很多相同的信号通路，如Wnt，Notch，Hedgehog，PTEN等，调节着细胞的自我更新、增殖、分化及凋亡。而正常细胞信号通路调控的失常可导致癌变的发生，干细胞突变为肿瘤干细胞，具有自我更新和无限增殖的能力［12］。而针对信号通路的靶向治疗对肿瘤治疗具有重大意义。

3.1 Wnt信号通路 Wnt通路存在于正常人体干细胞中，主要包括Wnt，ABC，β-catenin，T细胞因子（TCF），淋巴样增强因子转录因子（LEF）等。当该通路被激活时，癌基因即β-catenin被激活，抑癌基因即ABC失活，合成的β-联蛋白与复合体分离，易位于细胞核与TCF/LEF结合，激活原癌基因c-myc［13］，从而维持细胞的自我更新能力，抑制其分化、增殖和凋亡等。肿瘤干细胞高表达如β-catenin、wnt-1等Wnt通路信号分子，而肿瘤干细胞中该信号通路激活是由下调β-catenine的APC基因突变或β-cateninN-末端的丝氨酸残基位点突变促发，如在Cui等［14］研究中发现乳腺癌干细胞中高表达β-catenin mRNA。还有研究发现β-catenin表达与肺癌干细胞的化疗敏感性、肿瘤转移及细胞凋亡有关［15］。

3.2 Notch通路 组织特异性是Notch通路有别于其他通路对细胞的调节作用的一大特点。当该通路被激活时相应的Notch受体与配体结合，通过一系列连锁反应，使细胞核内相应的转录抑制因子失活，促进靶基因如hey、hes活化，进一步转录、翻译，最终调节细胞的生长和分化。刘天舒等［16］研究发现在阻断Notch通路后肺癌干细胞生长抑制效应比普通肺癌细胞明显。但也有研究发现该通路具有抑癌基因的作用，抑制细胞增殖，防止恶性变的发生［17］。

3.3 Hedgehog（HH）通路 HH通路是一种最经典的干细胞调节通路，在干细胞自我更新、分化、增殖中发挥重要作用，调节胚胎发育的全过程。依据是否依赖Gli蛋白，分为经典的HH/Gli信号通路和非经典的Hh信号通路。经典信号通路中的Gli蛋白具有锌指结构，有Gli1、Gli2、Gli3三种，Gli1、Gli2起转录激活作用，而Gli2是主要的转录激活子，Gli3是主要的转录抑制子。当有HH信号时，HH与跨膜蛋白受体复合物Patched结合，使另一跨膜蛋白受体复合物Smoothened激活，抑制转录因子Gli被降解，使其以完整形式（主要是Gli2）进入细胞核内，促进靶基因转录；当无HH信号时，Smoothened被抑制，Gli降解为具有转录抑制作用的片段（主要是Gli3）后进入细胞核内，在靶基因启动子上起抑制作用。非经典HH信号通路进一步依据是否依赖Smo蛋白细分为I型（不依赖Smo蛋白）和II型（依赖Smo蛋白）通路，前者通过受体Ptc1发挥着促进细胞增殖、抗凋亡作用，而后者通过激活如Rac1、RhoA等小G蛋白Rho家族调控细胞骨架形态、运动及迁移。Belgacem YH［18］等研究中发现钙离子依赖的信号通路可能在HH通路调节某些细胞增殖、分化、凋亡等生理过程中占有一定地位。

同样HH通路在维持多种肿瘤干细胞的特性中必不可少，常见有乳腺癌、多发性骨髓瘤、胰腺癌等。有研究显示，胰腺癌干细胞HH通路表达率是胰腺癌细胞的11倍，是正常胰腺细胞的43倍［19］。异常活化的HH通路能促进血管新生因子VEGF-A［20］的表达增加，促进肿瘤血管的形成。

3.4 PTEN信号通路 该通路是通过PTEN蛋白产物对1，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇去磷酸化来减少其在胞内蓄积，从而减少AKT激酶、S6激酶、mTOR等下游产物激活发挥抑癌作用。该通路对细胞的生长增殖、分化、粘附、凋亡过程发挥作用。而当PTEN基因缺失时，通过上述途径导致AKT激酶等下游产物激活，刺激蛋白质合成，下调G1期p27表达，从而对凋亡前因子产生抑制并促进细胞周期进行。同时该通路具有使P53蛋白水平升高、活性增强，并使基因组更加稳定的作用。当PTEN基因失活，下游事件如mTOR通路促进蛋白合成、抑制凋亡等发生，人体正常干细胞将失去自我维持能力，最终导致癌前病变及肿瘤的发生。Huang Q等研究发现在胶质瘤干细胞中存在PTEN基因的丢失［21］，经过对神经干细胞和脑胶质瘤干细胞的PTEN mRNA比较后推测该通路是胶质瘤形成始动因素。

3.5 JAK-STAT信号通路 该通路是由细胞因子介导，具体过程：细胞因子与酪氨酸激酶相关受体结合引起该受体二聚化；与受体偶联的JAK相互靠近，并经酪氨酸磷酸化过程而被活化；进而活化的JAK催化受体磷酸化，促进STAT的结合和激活；激活的STAT入核后实现基因的转录和表达。正常情况下，STAT，特别是STAT3受多种因素的控制，使其活化快速而短暂；而在恶性肿瘤细胞中STAT3处于持续活化状态，通过基质金属蛋白酶类基因的表达，促进细胞外基质降解，有利于肿瘤的侵袭与转移；通过诱导血管内皮生长因子的表达，促进肿瘤血管的生成；通过对免疫系统的负性调控，有利于肿瘤的免疫逃逸。活化的STAT还参与肿瘤干细胞的增殖与自我更新能力［22］。

4 针对生长调节机制相关药物研制

最新研究发现［23］，在Wnt信号通路方面，沙利霉素是最具代表性药物，其选择性作用于乳腺癌干细胞，对正常干细胞无明显作用。其通过对该通路共受体LRP6磷酰化阻滞和分解诱导发挥作用，杀伤效果是紫杉醇的100倍左右。

在Notch信号通路方面，通过体内外研究发现由奥康制药开发的选择性阻断剂人源性Notch2/3单抗对Notch2、Notch3信号通路具有阻断作用，目前用于转移或复发的实体恶性肿瘤患者化疗临床前用药；非选择性阻断剂，如：注射封闭肽SAHM1后白血病小鼠体内hey1 、hes1下降，抑制病情发展。在HH通路方面，也有研究发现该通路与肿瘤干细胞的生长及凋亡有关。肿瘤的生长是肿瘤干细胞分裂的结果。在胰腺癌的治疗中，HH抑制剂联合吉西他滨治疗可使肿瘤持续性缩小；而Genentech公司研制的vismodegib作为Hh小分子和Smo抑制剂成为进展性基底细胞癌的治疗药物，且被美国FDA批准［24］。在PTEN信号通路方面，发现制备通路下游底物的拮抗剂可对肿瘤干细胞的生长产生抑制，而对正常细胞不产生任何影响。JAK-STAT信号通路方面，STAT3作为恶性肿瘤治疗的新靶标，由美国波士顿生物技术公司合成的抗肿瘤药物在临床Ⅱ期实验中取得明显疗效。

5 展望

肿瘤干细胞理论的提出为恶性肿瘤的治疗提供了新的视角。肿瘤干细胞是肿瘤耐药、转移、复发的元凶，是造成肿瘤患者病情发展急剧恶化的根本，从生长调节机制方面控制肿瘤干细胞的生长、增殖是肿瘤治疗领域进一步发展的方法之一。随着研究的深入，现已掌握一些肿瘤干细胞的鉴定、分离和培养方法。对肿瘤干细胞的代谢过程和信号通路、更多组织类型的肿瘤干细胞相关标记物、肿瘤干细胞耐药性和放射抵抗性等方面还需进一步的深入研究。

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杭州市科技局资助项目（20130733Q38）

310053 浙江中医药大学第二临床医学院（雷艳敏）310015 杭州市第二人民医院（黄常新）*通信作者