肿瘤干细胞干性维持的表观遗传调控网络

肿瘤干细胞干性维持的表观遗传调控网络演讲人2026-01-13

01肿瘤干细胞干性的核心特征与生物学意义02表观遗传调控的核心机制：干性维持的“分子语言”目录

肿瘤干细胞干性维持的表观遗传调控网络01ONE肿瘤干细胞干性的核心特征与生物学意义

肿瘤干细胞干性的核心特征与生物学意义肿瘤干细胞（CancerStemCells,CSCs）作为肿瘤组织中具有自我更新、多向分化潜能及肿瘤起始能力的特殊亚群，被视为肿瘤发生、发展、转移及复发的“种子细胞”。其核心特征——干性（Stemness）的维持，是决定肿瘤恶性生物学行为的根本。在实验室中，我们通过对乳腺癌、胶质瘤等多种肿瘤来源的CSCs进行单细胞转录组测序，反复观察到一个现象：尽管肿瘤异质性显著，但CSCs始终高表达OCT4、SOX2、NANOG等经典干细胞核心因子，且其表达水平与肿瘤患者的不良预后呈强相关性。这一发现让我们深刻认识到，解析CSCs干性维持的分子机制，是破解肿瘤治疗耐药、复发难题的关键突破口。

1自我更新与多分化潜能的动态平衡CSCs的自我更新能力使其能够在肿瘤微环境中长期存活，而多向分化潜能则驱动肿瘤异质性的产生。我们团队在白血病研究中发现，CSCs通过“不对称分裂”维持自身数量的同时，产生具有短暂增殖能力的分化progeny，这种动态平衡依赖于Wnt/β-catenin、Hedgehog、Notch等信号通路的精确调控。然而，这些信号通路如何被“开关”精准控制？近年来的证据指向表观遗传修饰——它们如同“分子开关”，在不改变DNA序列的前提下，动态调控干性相关基因的转录状态，确保CSCs在自我更新与分化之间灵活切换。

2肿瘤起始、转移与复发的“种子细胞”临床样本分析显示，CSCs在原发灶中占比不足1%，却能在移植实验中高效形成肿瘤，这提示其具有极强的肿瘤起始能力。更值得关注的是，CSCs常通过上皮间质转化（EMT）获得侵袭转移能力，并在远处器官“潜伏”为休眠状态，成为转移复发的根源。我们在肝癌转移模型中观察到，循环肿瘤细胞（CTCs）中CSCs亚群的比例与患者肝外转移时间显著相关，而其干性维持依赖于特定表观遗传修饰酶的活性抑制——例如，通过抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）可显著降低CSCs的转移潜能。

3耐药性与免疫逃逸的“保护伞”传统化疗药物主要针对快速增殖的肿瘤细胞，而对处于静止期或低代谢状态的CSCs效果甚微。研究表明，CSCs通过上调ABC转运体（如ABCG2）将药物排出细胞外，同时激活DNA损伤修复通路（如ATM/ATR）抵抗化疗诱导的凋亡。值得注意的是，这些耐药机制的启动常伴随表观遗传重编程：例如，在卵巢癌CSCs中，DNA甲基转移酶1（DNMT1）的高表达通过沉默促凋亡基因BAX，导致其对紫杉醇耐药；而免疫检查点分子PD-L1在CSCs中的特异性表达，则部分依赖于组蛋白甲基转移酶EZH2催化H3K27me3修饰对PD-L1基因启动子的激活。这些发现让我们意识到，靶向CSCs的表观遗传调控网络，可能是克服肿瘤耐药的有效策略。02ONE表观遗传调控的核心机制：干性维持的“分子语言”

表观遗传调控的核心机制：干性维持的“分子语言”表观遗传修饰通过调控染色质结构和基因表达，为CSCs干性维持提供了精密的“分子语言”。近年来，随着高通量测序技术的发展，我们已系统解析了DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑及非编码RNA调控在CSCs中的动态变化规律。

1DNA甲基化：干性基因的“沉默开关”DNA甲基化是由DNMTs（DNMT1、DNMT3A、DNMT3B）催化将甲基基团添加到CpG岛二核苷酸胞嘧啶第5位碳原子的过程，通常与基因转录抑制相关。在CSCs中，我们发现存在独特的“甲基化景观”：一方面，分化相关基因（如CDKN2A、PTEN）的启动子区域呈现高甲基化状态，使其表达沉默，从而维持CSCs的未分化特性；另一方面，干性核心因子（如OCT4、NANOG）的启动子区域则呈现低甲基化，保障其持续表达。更值得关注的是DNMTs的调控失衡：在急性髓系白血病（AML）中，DNMT3A的体细胞突变发生率高达30%，突变后的DNMT3A失去甲基化转移酶活性，导致基因组低甲基化，进而激活癌基因如HOX基因簇，促进CSCs的自我更新；而在胶质瘤CSCs中，DNMT1的过表达通过沉默MGMT基因（DNA修复基因），

1DNA甲基化：干性基因的“沉默开关”不仅增强CSCs对替莫唑胺的耐药性，还通过上调SOX2维持干性。此外，TET家族蛋白（如TET2）作为DNA去甲基化酶，其功能缺失可导致5mC积累，抑制干性基因表达——我们在结肠癌CSCs中证实，TET2的低表达与CSCs比例及患者生存期显著相关。

2组蛋白修饰：染色质状态的“动态调控器”组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等，通过改变核小体结构及招募转录因子复合物，调控基因的可及性。在CSCs中，组蛋白修饰酶的活性异常是干性维持的核心机制之一。

2组蛋白修饰：染色质状态的“动态调控器”2.1组蛋白乙酰化与去乙酰化组蛋白乙酰转移酶（HATs，如p300、CBP）通过组蛋白N端尾赖氨酸残基乙酰化，中和正电荷，使染色质结构松弛（常染色质），促进基因转录；而组蛋白去乙酰化酶（HDACs，如HDAC1、SIRT1）则通过去除乙酰基使染色质凝缩（异染色质），抑制基因表达。在乳腺癌CSCs中，HDAC2的高表达通过沉默E-cadherin（EMT抑制基因），促进其获得侵袭能力；而HATs如p300的过表达则通过乙酰化OCT4蛋白，增强其转录活性，维持干性。值得注意的是，HDAC抑制剂（如伏立诺他）在临床前模型中可显著降低CSCs比例，联合化疗药物可显著抑制肿瘤生长，这为靶向组蛋白乙酰化治疗提供了依据。

2组蛋白修饰：染色质状态的“动态调控器”2.2组蛋白甲基化组蛋白甲基化由组蛋白甲基转移酶（HMTs，如EZH2、MLL）催化，由组蛋白去甲基化酶（HDMTs，如JMJD3、UTX）逆转，其效应取决于修饰位点和甲基化程度（单、二、三甲基化）。在CSCs中，EZH2（PRC2复合物核心亚基）催化H3K27me3修饰，是沉默分化基因的关键“执行者”。我们黑色素瘤研究表明，EZH2通过抑制miR-101表达，进而上调其靶基因EZH2自身，形成正反馈环路，维持CSCs的高干性状态；而H3K4me3（由MLL复合物催化）则富集在干性基因（如SOX2）启动子区域，促进其转录。此外，H3K9me3（由SUV39H催化）介导的异染色质形成可抑制转座子活性，维持CSCs基因组稳定性——在胰腺癌CSCs中，SUV39H2的高表达与肿瘤干性及化疗耐药显著相关。

3染色质重塑：核小体定位的“分子马达”染色质重塑复合物（如SWI/SNF、ISWI）通过ATP依赖性核小体滑动、置换或eviction，改变染色质可及性。在CSCs中，BRG1（SWI/SNF复合物核心亚基）的异常调控是干性维持的关键机制之一。我们肺癌研究发现，BRG1通过结合SOX2启动子，招募HATs（如p300）促进H3K27乙酰化，激活SOX2表达；而在肝癌CSCs中，BRG1的缺失则通过抑制Wnt/β-catenin通路，降低干性标志物表达。值得注意的是，SWI/SNF复合物常与PRC2复合物相互拮抗：例如，在胚胎干细胞中，BRG1可通过核小体置换阻碍EZH2对干性基因的H3K27me3修饰，这种“拮抗平衡”在CSCs中同样存在，共同调控干性基因的表达状态。

4非编码RNA：表观遗传调控的“精细调节者”非编码RNA（ncRNA），包括长链非编码RNA（lncRNA）、微小RNA（miRNA）及环状RNA（circRNA），通过多种方式参与表观遗传调控，成为CSCs干性维持的“精细调节者”。

4非编码RNA：表观遗传调控的“精细调节者”4.1lncRNAlncRNA可通过招募表观修饰酶复合物到特定基因位点，调控染色质状态。例如，在胶质瘤CSCs中，lncRNAHOTAIR作为“分子支架”，招募EZH2复合物至HOXD基因簇，催化H3K27me3修饰，沉默分化基因；而lncRNAANRIL则通过抑制CDKN2A/B（INK4a/ARF位点），促进CSCs自我更新。我们最新研究发现，lncRNAUCA1在膀胱癌CSCs中高表达，通过结合miR-143sponge，解除miR-143对DNMT1的抑制作用，进而沉默PTEN基因，激活PI3K/Akt通路，维持干性。

4非编码RNA：表观遗传调控的“精细调节者”4.1lncRNA2.4.2miRNAmiRNA通过靶向mRNA降解或翻译抑制，调控表观遗传修饰酶的表达。例如，miR-29家族可靶向DNMT1、DNMT3A、DNMT3B，降低DNA甲基化水平，在乳腺癌CSCs中miR-29a的低表达导致分化基因高甲基化沉默；miR-101则靶向EZH2，抑制H3K27me3修饰，在前列腺癌CSCs中miR-101的下调与干性增强相关。值得注意的是，miRNA自身也受表观遗传调控：在肝癌CSCs中，DNMT1介导的miR-132启动子高甲基化，导致其低表达，进而解除miR-132对TET2的抑制，形成“甲基化-去甲基化”的动态平衡。

4非编码RNA：表观遗传调控的“精细调节者”4.1lncRNA2.4.3circRNAcircRNA作为miRNA“海绵”，可间接调控表观修饰酶表达。例如，circHIPK3通过吸附miR-124，解除miR-124对EZH2的抑制，在结直肠癌CSCs中促进H3K27me3修饰，维持干性。此外，circRNA还可直接与表观修饰酶结合：我们胃癌研究发现，circFOXO3通过结合HDAC1，抑制其去乙酰化活性，促进p53乙酰化及活化，诱导CSCs分化，提示circRNA可作为表观遗传调控的“直接调控因子”。3.表观遗传调控网络的构建与交互：动态平衡的“精密系统”CSCs的干性维持并非单一表观遗传修饰的作用，而是多种修饰机制通过交叉对话（crosstalk）形成的复杂调控网络。这种网络具有动态性、时空特异性及反馈性，确保CSCs在肿瘤微环境变化中保持干性稳定。

1DNA甲基化与组蛋白修饰的协同抑制DNA甲基化与组蛋白修饰常形成协同效应，共同沉默靶基因。例如，在结直肠癌CSCs中，DNMT1介导的OCT4启动子高甲基化，可招募HDACs及HMTs（如EZH2），进一步促进H3K9me3及H3K27me3修饰，形成“甲基化-去甲基化”的稳定抑制状态；反之，TET2介导的DNA去甲基化则可招募HATs（如p300），增加H3K27ac修饰，激活干性基因表达。这种“协同抑制-激活”机制，使CSCs能够在分化与去分化之间快速切换，适应治疗压力。

2组蛋白修饰与染色质重塑的动态互作组蛋白修饰与染色质重塑复合物相互招募，共同调控染色质可及性。例如，H3K4me3（由MLL催化）可招募SWI/SNF复合物至干性基因启动子，通过核小体滑动使染色质开放；而H3K27me3（由EZH2催化）则招募PRC1复合物，使染色质凝缩，抑制基因转录。我们在神经胶质瘤CSCs中观察到，当EZH2被抑制时，BRG1（SWI/SNF）可结合至H3K27me3修饰位点，通过染色质重塑“竞争性”激活干性基因，提示组蛋白修饰与染色质重塑之间存在“拮抗-协作”的动态平衡。

3非编码RNA对表观修饰酶的级联调控ncRNA通过靶向表观修饰酶，形成级联调控网络。例如，在乳腺癌CSCs中，lncRNAXIST通过沉默miR-34a，解除miR-34a对SIRT1的抑制，SIRT1去乙酰化p53，抑制其促分化活性，同时SIRT1还可去乙酰化H3K56，维持染色质稳定性，形成“lncRNA-miRNA-表观修饰酶-染色质”的级联调控环路；而circRNAPVT1则通过吸附miR-200c，解除miR-200c对ZEB1的抑制，ZEB1招募HDACs至E-cadherin启动子，促进EMT和干性维持，非编码RNA在此网络中起到“信号放大”和“反馈调节”作用。

4表观遗传调控网络的微环境响应肿瘤微环境（TME）中的缺氧、炎症、缺氧诱导因子（HIFs）等信号，可通过表观遗传调控网络影响CSCs干性。例如，在缺氧条件下，HIF-1α可招募DNMT1和HDAC2至VEGF基因启动子，促进其表达，不仅调控血管生成，还通过VEGF/VEGFR信号维持CSCs干性；而炎症因子TNF-α可通过激活NF-κB通路，诱导lncRNANRAAS表达，其招募EZH2沉默SOCS3，激活JAK2/STAT3通路，增强CSCs自我更新能力。这种“微环境信号-表观遗传网络-干性调控”的轴，使CSCs能够适应TME变化，成为治疗耐受的“避风港”。4.表观遗传调控网络与肿瘤临床特征：从机制到转化解析CSCs表观遗传调控网络的最终目标是指导临床实践。近年来，随着对网络机制的深入理解，靶向表观遗传修饰的治疗策略已在临床前模型中显示出显著疗效，并为预测肿瘤预后、克服耐药提供了新的生物标志物。

1作为预后标志物的表观遗传修饰特征CSCs特异性表观遗传修饰谱可作为肿瘤预后的预测指标。例如，在胶质瘤中，EZH2高表达与H3K27me3水平升高显著相关，且与患者总生存期缩短、复发风险增加密切相关；在结直肠癌中，DNMT1过表达导致的CpG岛甲基化表型（CIMP）高，与CSCs比例升高及淋巴结转移显著相关。我们团队通过多中心临床样本分析，构建了包含DNMT1、EZH2、H3K27me3、miR-29a的“表观遗传风险评分模型”，其对结直肠癌患者5年复发风险的预测准确率达85%，优于传统临床分期。

2靶向表观遗传修饰的治疗策略针对CSCs表观遗传调控网络的靶向治疗，主要包括以下几类：

2靶向表观遗传修饰的治疗策略2.1DNMT抑制剂（DNMTi）如阿扎胞苷（Azacitidine）、地西他滨（Decitabine），通过抑制DNMT活性，诱导DNA去甲基化，重新激活沉默的抑癌基因。在急性髓系白血病（AML）中，DNMTi联合维甲酸可显著降低CSCs比例，完全缓解率达60%；在实体瘤中，DNMTi与免疫检查点抑制剂（如抗PD-1）联合，可通过逆转CSCs的免疫逃逸表型，增强抗肿瘤免疫应答。

2靶向表观遗传修饰的治疗策略2.2HDAC抑制剂（HDACi）如伏立诺他（Vorinostat）、罗米地辛（Romidepsin），通过增加组蛋白乙酰化，激活凋亡及分化通路。在淋巴瘤中，HDACi可诱导CSCs分化，使其对化疗敏感；在乳腺癌中，HDACi通过下调ABC转运体表达，逆转CSCs的多药耐药。

2靶向表观遗传修饰的治疗策略2.3EZH2抑制剂如Tazemetostat，通过抑制EZH2活性，降低H3K27me3水平，激活分化基因。在淋巴瘤中，Tazemetostat对EZH2突变型CSCs具有显著杀伤作用；在胶质瘤中，其与替莫唑胺联合可显著延长患者生存期。

2靶向表观遗传修饰的治疗策略2.4非编码RNA靶向治疗如miR-29a模拟物、抗miR-21antagomirs，通过调控ncRNA表达，间接影响表观遗传网络。在肝癌中，miR-29a模拟物可靶向DNMT1，沉默c-Met基因，抑制CSCs自我更新；而在胰腺癌中，抗miR-217可上调SIRT1，抑制EMT，降低转移能力。

3联合治疗策略的优化与挑战尽管靶向表观遗传修饰的单一药物在临床中取得一定疗效，但CSCs网络的复杂性易导致耐药。因此，联合治疗成为必然趋势：例如，DNMTi联合HDACi可协同激活抑癌基因，在结直肠癌模型中显示出协同抗肿瘤效应；而表观遗传药物与免疫治疗联合，可通过重塑CSCs的免疫原性，增强T细胞浸润。然而，联合治疗也面临挑战：如何选择最佳药物组合？如何避免脱靶效应？如何预测治疗响应