肿瘤干细胞干性维持的调控网络新机制

肿瘤干细胞干性维持的调控网络新机制演讲人2026-01-13CONTENTS肿瘤干细胞干性维持的调控网络新机制肿瘤干细胞干性的核心特征及传统调控机制肿瘤干细胞干性维持调控网络的新机制新机制在肿瘤治疗中的意义与展望总结目录01肿瘤干细胞干性维持的调控网络新机制ONE肿瘤干细胞干性维持的调控网络新机制在肿瘤研究的历程中，我始终被肿瘤干细胞（CancerStemCells,CSCs）这一特殊亚群所吸引。它们如同肿瘤组织中的“种子细胞”，凭借强大的自我更新能力和多向分化潜能，驱动肿瘤的发生、发展、转移及复发。而干性维持（stemnessmaintenance）作为CSCs的核心特性，其调控网络的复杂性远超最初想象——传统上被孤立的信号通路、表观遗传修饰与代谢重编程，如今被证实以动态交互的形式编织成一张精密的网络。近年来，随着单细胞测序、空间多组学及基因编辑技术的突破，我们对这张网络的新机制有了更深入的认识。本文将结合自身研究实践，系统梳理CSCs干性维持调控网络的经典框架与新进展，从信号交叉、表观动态、代谢支撑、微环境互作及非编码RNA调控等多维度，揭示这一网络如何协同作用，并为肿瘤治疗提供新的靶点启示。02肿瘤干细胞干性的核心特征及传统调控机制ONE干性的核心定义与生物学意义肿瘤干细胞的“干性”是其区别于肿瘤其他细胞的本质属性，具体表现为：①自我更新能力（self-renewal），通过不对称分裂或对称分裂维持CSCs库的稳定；②多向分化潜能（multipotency），可分化为肿瘤中异质性的细胞亚群；③肿瘤启动能力（tumor-initiatingcapacity），在移植模型中仅需少量细胞即可形成新肿瘤；④治疗抵抗性（therapyresistance），通过多种机制逃避化疗、放疗及靶向治疗。这些特性使得CSCs成为肿瘤复发和转移的“根源”，也是临床治疗的难点所在。经典信号通路的调控作用在干性维持的传统认知中，三条保守的信号通路——Wnt/β-catenin、Notch和Hedgehog（Hh）——被证实为核心调控者。1.Wnt/β-catenin通路：在正常干细胞中，Wnt通路通过抑制β-catenin的降解复合物（APC、Axin、GSK3β），使其在细胞内积累并进入细胞核，与TCF/LEF家族转录因子结合，激活下游靶基因（如c-Myc、CyclinD1）的表达，促进自我更新。在CSCs中，该通路的异常激活（如APC突变、β-catenin基因突变）常导致干性过度增强。例如，在结直肠癌中，约90%的患者存在Wnt通路激活，而β-catenin的核定位与肿瘤干细胞标志物CD133的表达呈显著正相关。经典信号通路的调控作用2.Notch通路：Notch受体与配体（如Jagged、Delta-like）结合后，经γ-分泌酶酶切释放Notch胞内域（NICD），进入细胞核激活HES/HEY等靶基因，调控细胞命运决定。在CSCs中，Notch通路通过促进对称分裂扩增CSCs数量，或抑制分化维持干性。如急性髓系白血病（AML）中，Notch1的激活可直接上调干性转录因子Hes1，抑制髓系分化，维持白血病干细胞（LSCs）的自我更新。3.Hedgehog通路：Hh配体（如Shh、Ihh）与受体Patched结合后，解除对Smoothened（SMO）的抑制，激活GLI家族转录因子（GLI1、GLI2），促进干性基因（如Nanog、Oct4）表达。在基底细胞癌中，PTCH1突变导致的Hh通路持续激活，是肿瘤干细胞维持的关键机制；而在胰腺癌中，肿瘤微环境中的间质细胞分泌Shh，通过旁分泌方式激活CSCs的Hh通路，促进其存活与增殖。表观遗传修饰的调控作用表观遗传修饰通过调控基因的可及性而不改变DNA序列，在干性维持中发挥“分子开关”的作用。1.DNA甲基化：DNA甲基转移酶（DNMTs）催化CpG岛甲基化，通常抑制基因转录。在CSCs中，干性基因（如OCT4、NANOG）的启动子区域常呈低甲基化状态，而分化基因（如GATA6）则高甲基化。例如，在胶质母细胞瘤干细胞（GSCs）中，DNMT1的高表达通过甲基化沉默分化基因SOX2，维持其干性；而DNMT抑制剂（如5-aza-CdR）可诱导GSCs分化，增强放疗敏感性。2.组蛋白修饰：组蛋白乙酰化（HATs如p300/CBP去乙酰化，HDACs如SIRT1去乙酰化）和甲基化（HMTs如EZH2催化H3K27me3，HDMs如UTX去甲基化）共同调控染色质状态。在CSCs中，EZH2（PRC2复合物核心亚基）通过催化H3K27me3，抑制分化基因（如CDKN2A）的表达，维持干性；而H3K4me3（由MLL复合物催化）则激活干性基因（如SOX2）。表观遗传修饰的调控作用3.非编码RNA的调控：传统认知中，miRNA（如miR-34a、miR-200c）通过靶向干性基因（如Notch、BMI1）抑制干性；而lncRNA（如H19、XIST）则通过海绵吸附miRNA或结合染色质修饰酶，调控干性相关基因表达。例如，在乳腺癌干细胞中，lncRNAH19通过吸附miR-138，上调干性转录因子EZH2，促进干性维持。03肿瘤干细胞干性维持调控网络的新机制ONE肿瘤干细胞干性维持调控网络的新机制随着技术的进步，研究者逐渐认识到，CSCs干性维持并非孤立通路的线性调控，而是多维度、多层次的动态网络。近年来，信号通路的交叉对话、表观遗传的动态整合、代谢重编程的支撑作用、微环境的协同调控及非编码RNA的精细调节等新机制不断被揭示，为我们理解干性维持提供了更全面的视角。信号通路的交叉对话与级联放大传统上被视为独立的三条经典通路，在CSCs中形成复杂的交叉调控网络，实现信号放大与功能协同。1.Wnt与Notch通路的协同激活：在肠癌干细胞中，Wnt/β-catenin通路可直接激活Notch配体Jagged1的表达，后者通过旁分泌方式激活邻近CSCs的Notch通路，形成“Wnt-Notch正反馈环”。这一环路不仅增强自我更新能力，还促进肿瘤细胞的上皮-间质转化（EMT），增强侵袭转移能力。在我们的肝癌干细胞研究中，通过单细胞测序发现，β-catenin高表达的CSC亚群中，Notch1和Jagged1的表达同步升高，而抑制任一通路均可打破这一环路，降低成瘤能力。信号通路的交叉对话与级联放大2.Hh与PI3K/Akt通路的交互作用：Hh通路激活后，GLI1可直接上调PI3K亚单位p110α的表达，激活PI3K/Akt通路；而Akt反过来通过磷酸化抑制GSK3β，增强β-catenin的稳定性，形成“Hh-PI3K-Akt-β-catenin级联放大”。在胰腺癌中，这一环路导致CSCs对吉西他滨的耐药性显著增强——抑制GLI1或PI3K可恢复药物敏感性，其机制与下调ABC转运蛋白（如ABCG2）表达相关。3.免疫检查点信号与干性通路的串扰：近年来，免疫检查点分子（如PD-L1、CTLA-4）在CSCs中的表达及其与干性的关联成为研究热点。在黑色素瘤干细胞中，Notch通路可直接上调PD-L1的表达，一方面通过抑制T细胞活性逃避免疫监视，另一方面通过激活STAT3通路维持干性。这种“免疫逃逸-干性维持”的偶联，使得CSCs在免疫治疗中更具耐受性——联合使用Notch抑制剂和抗PD-1抗体，可显著提高小鼠模型的肿瘤清除率。表观遗传修饰的动态整合与信号响应表观遗传修饰并非静态存在，而是动态响应外界信号，与通路调控形成“正反馈-负反馈”的精确平衡。1.代谢物介导的表观遗传调控：代谢产物作为表观遗传修饰的“原料”，直接影响染色质状态。例如，α-酮戊二酸（α-KG）是组蛋白去甲基化酶（KDMs）和DNA去甲基化酶（TETs）的辅因子，而琥珀酸（succinate）和富马酸（fumarate）则抑制这些酶的活性。在缺氧条件下，CSCs通过糖酵解积累琥珀酸，抑制TET1活性，导致干性基因OCT4启动子区域的DNA甲基化水平升高，维持干性；而当恢复氧供应时，α-KG积累激活TET1，促进OCT4去甲基化，诱导分化。这一“代谢-表观遗传-干性”轴在胶质瘤干细胞中被证实是缺氧适应的关键机制。表观遗传修饰的动态整合与信号响应2.信号通路对表观修饰酶的直接调控：Wnt通路可通过β-catenin/TCF复合物直接转录激活EZH2的表达，而EZH2催化的H3K27me3又可抑制Wnt通路抑制因子（如DKK1）的表达，形成“Wnt-EZH2正反馈环”。在白血病干细胞中，这一环路导致干性基因（如MEIS1）持续高表达，是维持白血病发生的关键。此外，Notch通路的效应分子HES1可直接结合到HDAC1的启动子区域，上调其表达，通过去乙酰化沉默分化基因，增强干性稳定性。3.染色质高级结构的动态变化：近年来，染色质三维构象（如拓扑关联域TADs、增强子-启动子环）在干性调控中的作用备受关注。在胚胎干细胞中，干性基因（如OCT4、SOX2、NANOG）形成“超级增强子”（super-enhancer），通过染色质环相互连接，协同激活转录；而在CSCs中，这种三维结构同样存在。例如，在乳腺癌干细胞中，FOXA1蛋白介导的增强子-启动子环形成，可高效激活干性基因ALDH1A1的表达；而FOXA1的缺失则破坏这一结构，导致干性丧失。代谢重编程的支撑作用CSCs的代谢模式与肿瘤细胞显著不同，其代谢重编程不仅为能量供应和生物合成提供支持，更直接参与干性调控。1.糖代谢的“双模式”调控：传统观点认为CSCs依赖糖酵解（Warburg效应），但近年研究发现，不同组织来源、不同微环境下的CSCs可灵活切换糖代谢模式。在缺氧或营养缺乏条件下，CSCs通过糖酵解产生ATP和乳酸，维持干细胞特性；而在营养丰富条件下，则转向氧化磷酸化（OXPHOS），利用线粒体功能支持长期自我更新。例如，在急性髓系白血病中，LSCs主要依赖OXPHOS，而抑制线粒体复合物I（如用鱼藤酮）可显著抑制其干性；但在实体瘤（如乳腺癌）中，CSCs则更依赖糖酵解，抑制LDHA（乳酸脱氢酶）可诱导分化。代谢重编程的支撑作用2.脂代谢的重塑与干性维持：CSCs通过增强脂质摄取（如CD36表达上调）和从头脂质合成（SREBP通路激活），支持膜合成和信号分子生成。在前列腺癌干细胞中，SREBP2通过激活脂肪酸合成酶（FASN）的表达，促进脂质积累，而FASN抑制剂（如奥利司他）可抑制干性标志物CD44的表达，降低成瘤能力。此外，脂质过氧化产物（如4-HNE）的水平与CSCs的抗氧化能力相关——CSCs通过上调GPX4（谷胱甘肽过氧化物酶4）清除脂质过氧化物，维持氧化还原平衡，这一过程是干性维持的必要条件。3.氨基酸代谢的“支链”作用：支链氨基酸（BCAAs，如亮氨酸、缬氨酸、异亮氨酸）的代谢在CSCs中尤为重要。亮氨酸通过激活mTORC1通路，促进蛋白质合成和细胞生长；而缬氨酸则通过调控线粒体功能，支持OXPHOS。代谢重编程的支撑作用在胰腺癌干细胞中，BCAAs转运蛋白LAT1的表达显著升高，抑制LAT1可阻断BCAAs摄取，导致mTORC1活性下降，干性标志物CD133表达降低，诱导分化。此外，谷氨酰胺代谢作为“氮供体”，通过促进谷胱甘肽合成和TCA循环补充，维持CSCs的氧化还原稳态，其耗竭可显著抑制干性。肿瘤微环境的协同调控CSCs并非孤立存在，而是浸润在复杂的肿瘤微环境（TME）中，通过细胞间通讯、细胞外基质（ECM）及外泌体等相互作用，维持干性。1.细胞间通讯的“旁分泌”调控：肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）、肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）、调节性T细胞（Tregs）等基质细胞通过分泌细胞因子、生长因子，调控CSCs的干性。例如，在肝癌中，CAFs分泌HGF，通过激活CSCs的c-Met通路，促进Wnt/β-catenin通路的激活，维持干性；而TAMs分泌的IL-6则通过JAK2/STAT3通路，上调干性基因OCT4和NANOG的表达。此外，CSCs与内皮细胞的直接接触（如Notch-Delta信号）可促进血管生成，同时维持自身干性——这一“血管-干细胞”niche是肿瘤转移的关键。肿瘤微环境的协同调控2.细胞外基质的“力学信号”传递：ECM的物理特性（如刚度、纤维化程度）可通过整合素（integrin）等受体，传递力学信号至CSCs，调控干性。在乳腺癌中，纤维化基质（刚度升高）通过激活整合素β1/FAK/Src通路，促进YAP/TAZ的核转位，激活干性基因AXL和EGFR的表达；而软化基质则可抑制这一通路，诱导分化。此外，ECM中的蛋白水解酶（如MMP2、MMP9）可降解基底膜，释放生长因子（如TGF-β），促进EMT和干性增强。3.外泌体的“信息载体”作用：CSCs来源的外泌体携带蛋白质、核酸（miRNA、lncRNA、circRNA）等活性物质，可重塑微环境并调控干性。例如，在胶质瘤中，CSCs分泌的外泌体circRNA_0000284可通过海绵吸附miR-139-5p，上调Notch1的表达，诱导邻近细胞向CSCs转化；而在肺癌中，CSCs外泌体中的lncRNAH19可通过激活TAMs的M2极化，分泌更多IL-10，形成“免疫抑制-干性维持”的恶性循环。非编码RNA的精细调控网络非编码RNA作为调控网络的“微节点”，通过多种机制精细调控干性维持，其功能远超出传统认知。1.circRNA的“海绵效应”与“蛋白scaffold”：circRNA因稳定性高、组织特异性强的特点，在CSCs中发挥重要作用。除了经典的miRNA海绵效应，circRNA还可直接与蛋白结合，调控其活性。例如，在结直肠癌干细胞中，circRNA_104075通过结合E3泛素连接酶MDM2，抑制其泛素化降解，稳定p53蛋白，而p53的低表达是干性维持的关键；而在胃癌干细胞中，circRNA_0000190通过结合组蛋白乙酰转移器p300，促进H3K27ac修饰，激活干性基因SOX2的表达。非编码RNA的精细调控网络2.lncRNA的“三维结构介导的基因调控”：部分lncRNA通过形成复杂的三维结构，直接结合染色质或转录因子，调控基因表达。例如，在白血病干细胞中，lncRNARUNX1-IT1通过形成“RNA-DNA三链体”，结合到RUNX1基因启动子区域，抑制其转录，而RUNX1是髓系分化的关键因子，其沉默维持了干性；在乳腺癌干细胞中，lncRNAPVT1通过结合EZH2，将其招募到干性基因KLF4的启动子区域，催化H3K27me3修饰，抑制其表达。3.miRNA的“多靶点协同”与“通路串扰”：单个miRNA可靶向多个干性相关基因，而多个miRNA也可协同调控同一通路。例如，miR-34a可同时靶向Notch1、SIRT1和BCL2，从抑制自我更新、促进分化和抑制凋亡三个维度抑制干性；而miR-200c则通过靶向ZEB1和BMI1，同时抑制EMT和干性。在肝癌中，miR-122的低表达是干性维持的关键，其过表达可通过靶向c-Met和Wnt3a，双重抑制干性通路。应激反应的适应性调控CSCs常处于氧化应激、营养缺乏、DNA损伤等应激状态，其通过激活应激反应通路，不仅存活下来，反而强化了干性。1.氧化应激与NRF2通路的激活：CSCs通过上调NRF2（NF-E2相关因子2），激活抗氧化基因（如HO-1、NQO1），清除活性氧（ROS），维持氧化还原平衡。在胰腺癌中，NRF2的高表达与CD44阳性CSCs的比例正相关，而抑制NRF2可增加ROS积累，诱导细胞凋亡；值得注意的是，适度水平的ROS反而促进干性基因的表达——这一“双刃剑”效应使得CSCs能在氧化应激中找到生存与干性的平衡点。2.DNA损伤修复与干性维持：CSCs具有高效的DNA损伤修复能力（如通过BRCA1、ATM/ATR通路），这使得它们能抵抗放化疗。在乳腺癌干细胞中，BRCA1不仅参与同源重组修复，应激反应的适应性调控还可通过表观遗传修饰（如H2AK119ub1）沉默分化基因，维持干性；而在胶质瘤干细胞中，ATR通路的激活不仅修复DNA损伤，还通过CHK1/p53通路调控细胞周期，使CSCs长期处于G0/G1期，避免化疗药物（如替莫唑胺）的杀伤。3.内质网应激与未折叠蛋白反应（UPR）：CSCs的快速增殖导致内质网应激，而UPR（IRE1α、PERK、ATF6三条通路）的激活可恢复蛋白质折叠平衡，维持存活。在多发性骨髓瘤中，PERK-ATF4通路可上调干性基因OCT4和NANOG的表达，而抑制PERK可诱导内质网应激介发的细胞凋亡；此外，IRE1α通路的XBP1s可通过激活自噬，清除受损细胞器，支持CSCs的自我更新。04新机制在肿瘤治疗中的意义与展望ONE新机制在肿瘤治疗中的意义与展望对肿瘤干细胞干性维持调控网络新机制的揭示，不仅深化了我们对肿瘤生物学特性的理解，更为开发针对CSCs的精准治疗策略提供了关键靶点。靶向干性维持网络的治疗策略1.信号通路抑制剂的联合应用：针对交叉调控的通路，联合使用抑制剂可打破正反馈环，提高疗效。例如，在胰腺癌中，联合GLI1抑制剂（如GANT61）和PI3K抑制剂（如BYL719），可显著抑制CSCs的自我更新能力，吉西他滨的耐药性降低60%；在黑色素瘤中，联合Notch抑制剂（如γ-分泌酶抑制剂DAPT）和抗PD-1抗体，可同时抑制干性和免疫逃逸，小鼠模型的生存期延长2倍。2.表观遗传修饰酶的靶向调控：针对表观遗传修饰酶的抑制剂已进入临床研究。例如，EZH2抑制剂（Tazemetostat）在淋巴瘤中显示出良好疗效，其机制是通过抑制H3K27me3，重新激活分化基因；DNMT抑制剂（地西他滨）联合维甲酸，在急性早幼粒细胞白血病中可诱导CSCs分化，达到长期缓解。此外，针对代谢调控的药物（如FASN抑制剂、LDHA抑制剂）也在临床试验中显示出潜力。靶向干性维持网络的治疗策略3.微环境干预与免疫治疗联合：通过靶向微环境中的基质细胞或外泌体，可破坏CSCs的“保护屏障”。例如，在肝癌中，靶向CAFs的HGF/c-Met抑制剂（如卡博替尼）可减少HGF分泌，抑制CSCs干性；而靶向CSCs外泌体的circRNA_0000284，可阻断其