Introduction

过去数十年，癌症被认为是一种异常增殖和存活的疾病，因此相应的治疗手段主要也着眼于这些性质。虽然确实带来了一定的成功，但也能看到已经到达了这些治疗方法的极限，因此从肿瘤生成的其他方面着手研究显得尤为重要。从良性病变转为恶性的一个关键表现是逐渐转变为未分化状态：良性病变通常更加分化，而恶性病变则更多呈现未分化状态，表明在发展过程中出现了分化信号的逆转。由于许多驱动未分化状态的信号同时是决定干细胞命运的关键，因此肿瘤严重依赖这些信号来维持它们的侵略性状态可能也不是那么让人意外。
此外，干细胞信号，也称作干细胞程序，即与胚胎及成体干细胞未分化状态相关的信号或基因表达程序，与肿瘤发生，传播和治疗耐药性也密切相关。虽然 driver mutations 是启动肿瘤形成的关键，但是这些突变发生在哪个细胞内同样重要。另外在肿瘤形成之后，部分细胞维持干细胞状态，称为肿瘤干细胞（cancer stem cell, CSC），更具有侵略性，意味着产生抗性以及复发的可能性更高。因此，理解并靶向这些信号，对于改善治疗效果有着重要意义。

In cancer initiation

已经有研究表明，正常组织中，呈现出干细胞和前体细胞性质的细胞群更容易发生癌变。确定细胞的起源对于理解允许发生转化的环境以及转换所需信号都至关重要，例如 BCR-ABL 突变，其在干细胞中会导致慢性粒细胞白血病（chronic myeloid leukaemia, CML），在祖细胞中则会导致 B 细胞急性淋巴细胞白血病（B-ALL）；而这种细胞起源的差异与不同的信号通路密切相关：β-catenin 丢失会阻断 CML 繁殖，但对 B-ALL 的影响则没那么大。因此，起源细胞能够同时决定癌症的性质及其依赖关系
在部分实体瘤中，细胞起源与肿瘤类型之间也存在关联，例如对于滤泡间上皮细胞或者毛囊细胞，p53 缺失和 KRAS 表达会导致鳞细胞癌，不过滤泡间上皮细胞发展来的肿瘤中大部分仍为上皮细胞，转向恶性的潜能有限，而毛囊细胞发展来的肿瘤中同时具有上皮和间叶肿瘤细胞，具有更高的恶性发生率。以上研究结果表明，起源细胞的转录组成分选择性地对某些类型的肿瘤表现出更强的放纵性，是一个与驱动突变同样强有力的导致肿瘤形成的因素
相反，在神经干细胞和颗粒神经前体细胞中，Hedgehog 信号通路的活化都将会导致侵略性成神经管细胞瘤，且具有相似的分子表达谱，表明在某些情况下，驱动突变，而不是起源细胞，能够使细胞状态趋同，从而决定肿瘤表达谱。目前而言，还无法确定各种类型的肿瘤中，到底是起源细胞还是相关的突变起决定作用
除了转录组外，表观遗传学状态也可能影响肿瘤发生和突变状态。最近有研究表明 DNA 或者组蛋白甲基化特征能够覆盖致癌基因诱导的衰老程序，此外，逃脱衰老的转化细胞 DNA 甲基化水平增加，导致分化相关基因启动子失活。以上结果表明表观图谱是决定转化性和干细胞或祖细胞表型获得性的关键性因素。另外，一项针对超过10000个肿瘤样本的研究发现甲基化组，转录组以及蛋白组个分支均按照组织起源富集。转换前发生的表观状态的变化可能起到与驱动突变相同的作用，例如气管上皮细胞长期暴露于香烟刺激下，甲基化模式发生改变，导致异常的 KRAS，WNT 和 EGFR 信号，甲基化状态的变化使得细胞仅需单个突变就能发生转化，而不是常规的三个突变。因此，进一步理解表观机制是如何导致干细胞表型的获得和维持，对我们及早干预和阻止宽容性状态至关重要。

In tumour propagation

除了参与建立起源细胞和启动肿瘤发生过程之外，控制细胞命运的程序还能通过遗传和表观遗传机制在肿瘤增殖中发挥关键的作用。各种干细胞信号通路，如 WNT，NOTCH 以及在 Hedeghog 通路在多种肿瘤中能够通过突变活化，像驱动突变一样发挥作用，表明干细胞信号在推动肿瘤生长过程中带来的巨大影响。在部分肿瘤中，编码干细胞信号通路成分的基因重复发生突变；另一些肿瘤中，这些基因则是通过表观遗传的方式发生活化。具有干细胞性质的癌症细胞受到严密的调控，获得或者丢失表观修饰都可能是有害的。此外，由于表观调控对诸多程序均能产生影响，因此靶向它们可能有效地干扰癌症中的干细胞状态
除了表观修饰外，干细胞命运还受到不对称分裂（asymmetric division）（细胞分离时的差异化导致后代细胞命运的不同）调控，被滥用的不对称分裂可能成为推动肿瘤的助力。当对称和不对称分裂平衡时，肿瘤处于异质性状态，同时包含干细胞和大量癌症细胞，为低度恶性；但当平衡向着对称分裂（symmetric division，细胞命运决定物均分，产生的后代可以是未分化，symmetric renewal，也可以是分化的，symmetric commitment）偏移时，就会导致肿瘤干细胞扩增，进而趋向更强的侵略性，更加未分化的状态，表明破坏不对称分裂可能导致肿瘤向着更加恶性化的状态发展，也意味着可能通过维持不对称分裂来控制某些侵略性癌症

In metastasis

传统观点认为原位癌中的细胞发生上皮-间叶转换，进入循环，迁移至其他位点，之后维持间叶细胞状态的基因关闭，发生间叶-上皮转换，从而使得恶性肿瘤成功生长，这一模型与干细胞模型有惊人的相似之处，后者假设肿瘤中部分细胞具有更强的适应性，能够驱动肿瘤生长，迁移后能够在新的位点重生并迅速重构肿瘤异质性。研究结果发现绝大部分浸润肿瘤细胞表达干细胞标志基因，EMT 细胞和循环肿瘤细胞之间的转录组图谱也具有显著的一致性，CSCs 中也会同时表达 EMT 和干细胞标志基因，以上种种表明 EMT 细胞和 CSCs 可能代表着重叠的概念
不过两者之间可能并非完全重叠。有研究人员提出了转移干细胞（metastatic stem cell）的概念，是一类具有更强转移能力，但可能缺少一些干细胞的特征，如治疗抗性或传播肿瘤的能力，它们可能是干细胞的一个亚群，或者由于发生了驱动转移所需的突变进化而来

In therapy resistance

癌症治疗的一大挑战是并非所有肿瘤细胞均对治疗方法有着相同的敏感性，或者能够被有效地针对，因此理解它们对药物敏感性的差异的原因有助于开发更有效的治疗方法，控制肿瘤的生长。部分研究认为一些治疗方法直接诱导产生新的突变，从而使得细胞获得抗性，而另一些则认为具有抗性的克隆早就存在，在治疗后驱动肿瘤的重生。除了基因组异质性外，表观异质性也是导致癌症细胞敏感性差异的关键因素，而这些主要取决于被劫持的正常干细胞特征，如药物转运蛋白的表达，DNA 损失修复能力的提升，以及保护性环境的构建
细胞毒性药物受到 ABC 转运蛋白的控制，该类转运体通常比较混杂，能够非特异性清除一系列有毒药剂。因此虽然化疗能够消灭大量肿瘤细胞，但无法清除持续高表达 ABC 转运体的的侵略性干细胞
靶向治疗是过去几十年肿瘤治疗中的一大亮点，以 imatinib 为例，它能够有效地封锁 CML 中 BCR-ABL 的活性，从而阻止 CML 的发展。但是，许多接受该治疗的病人断药后很快会由于白血病干细胞的存在而复发。虽然 imatinib 能够有效封锁 BCR-ABL，但是 CML 干细胞并不依赖 BCR-ABL，反而有多条替代信号通路，因此对其并不敏感。类似的情况在肺癌中也存在，表明药物抗性并不一定是新突变带来的进化所致，以及干细胞是残留病灶的重要贡献者。有研究利用机器学习研究表观组和转录组特征，发现细胞干性高，未分化肿瘤状态对应更低程度的免疫浸润以及 PD-L1 信号的下调，而这些预示着对免疫治疗的应答效果较差。以上表明 CSCs 信号能够通过直接调节肿瘤浸润淋巴细胞来改变肿瘤微环境
抗性除了与干细胞有关外，越来越多的研究表明微环境可能起着同样重要的作用，内皮细胞等成分能够与 CSCs 互作，产生治疗抗性

REF

Lytle NK, et al. Stem cell fate in cancer growth, progression and therapy resistance. Nat Rev Cancer. 2018 Sep 18. doi: 10.1038/s41568-018-0056-x. [Epub ahead of print]