肿瘤干细胞干性维持的信号通路交叉

肿瘤干细胞干性维持的信号通路交叉演讲人CONTENTS肿瘤干细胞干性的核心概念与生物学意义维持肿瘤干细胞干性的关键信号通路信号通路交叉网络的构建与调控机制交叉网络失调与肿瘤恶性表型的关联针对交叉通路的靶向治疗策略与挑战总结与展望目录肿瘤干细胞干性维持的信号通路交叉在肿瘤研究的漫长历程中，肿瘤干细胞（CancerStemCells,CSCs）的发现为我们理解肿瘤的异质性、复发耐药及转移机制提供了全新的视角。CSCs凭借其强大的自我更新能力和多向分化潜能，被视为肿瘤发生、发展的“种子细胞”。而干性（Stemness）作为CSCs的核心属性，其维持机制一直是肿瘤生物学领域的研究焦点。经过多年探索，学界逐渐认识到，CSCs干性的维持并非单一信号通路的独立作用，而是多条信号通路在分子水平上精密交叉、协同调控的结果。这种复杂的交叉网络如同一张无形的“调控网”，确保了CSCs干性的稳定与动态平衡，也成为肿瘤治疗中难以攻克的“堡垒”。作为一名长期致力于肿瘤微环境与干细胞调控研究的科研工作者，我将结合自身的研究实践与领域进展，系统阐述肿瘤干细胞干性维持的信号通路交叉机制，以期为破解肿瘤治疗困境提供新的思路。01肿瘤干细胞干性的核心概念与生物学意义1CSCs的定义与核心特征01020304肿瘤干细胞是指存在于肿瘤组织中，具有自我更新能力、多向分化潜能，并能驱动肿瘤发生、异质性形成及转移复性的少量细胞亚群。其核心特征可概括为：-多向分化潜能：分化产生具有不同表型的肿瘤细胞，构成肿瘤的异质性；05-治疗抵抗性：通过增强DNA修复、药物外排、处于静息状态等机制抵抗放化疗，导致肿瘤复发。-自我更新能力：通过不对称分裂或对称分裂维持自身数量，确保CSCs库的稳定；-肿瘤起始能力：在移植实验中，仅需少量CSCs即可在免疫缺陷小鼠体内重建与原发肿瘤相似的异质性肿瘤；这些特征决定了CSCs在肿瘤恶性进展中的“主导地位”，而干性正是这些特征的分子基础。062干性维持的生物学意义干性维持是CSCs发挥“种子细胞”作用的前提，其生物学意义贯穿肿瘤发生、发展、转移及复发的全过程：1-肿瘤发生：CSCs通过异常激活干性相关通路，逃逸正常细胞增殖调控，形成肿瘤；2-异质性形成：CSCs分化产生不同表型的子代细胞，导致肿瘤内部细胞在形态、功能、治疗敏感性上的差异；3-转移与定植：CSCs通过上皮-间质转化（EMT）获得迁移能力，并在远端器官通过干性维持适应微环境，形成转移灶；4-治疗抵抗与复发：残留的CSCs在治疗后通过重激活干性通路修复损伤，最终导致肿瘤复发。5因此，深入解析干性维持的分子机制，尤其是信号通路的交叉调控，对靶向清除CSCs、改善肿瘤预后具有重要价值。602维持肿瘤干细胞干性的关键信号通路维持肿瘤干细胞干性的关键信号通路在长期进化过程中，CSCs“劫持”了正常干细胞的经典信号通路，通过异常激活这些通路维持干性。目前已明确的核心通路包括Wnt/β-catenin、Hedgehog（Hh）、Notch、STAT3、PI3K/Akt/mTOR及NF-κB等，这些通路在CSCs中既独立发挥调控作用，又通过交叉网络形成精密的调控体系。2.1Wnt/β-catenin信号通路：干性维持的“经典引擎”1.1通路分子组成与激活机制Wnt通路是进化上高度保守的信号通路，其核心调控分子包括Wnt配体、Frizzled受体、LRP5/6共受体、β-catenin、APC/Axin/GSK-3β降解复合物及TCF/LEF家族转录因子。在无Wnt信号时，β-catenin与Axin、APC、GSK-3β等形成降解复合物，被磷酸化后经泛素-蛋白酶体途径降解；当Wnt配体与受体结合后，抑制GSK-3β活性，β-catenin得以积累并入核，与TCF/LEF结合激活下游靶基因（如c-Myc、CyclinD1、Nanog等），促进细胞增殖与干性维持。1.2在CSCs中的功能与调控靶点在多种肿瘤（如结直肠癌、乳腺癌、胶质瘤）中，Wnt通路呈异常激活状态，直接调控CSCs的自我更新与肿瘤起始能力。例如：01-在结直肠癌中，APC基因突变导致β-catenin降解障碍，持续激活下游干性基因，驱动CSCs扩增；02-在乳腺癌中，Wnt3a配体通过自分泌方式激活CSCs的Wnt通路，上调Oct4、Sox2等干细胞转录因子，增强肿瘤球形成能力。03此外，Wnt通路还可与其他通路（如Notch、Hh）交叉，形成正反馈环路，进一步强化干性维持。042.2Hedgehog（Hh）信号通路：胚胎发育程序的“重启者”052.1通路分子组成与激活机制Hh通路由配体（Shh、Ihh、Dhh）、受体（Patched,Ptch）、共受体（Smoothened,Smo）及下游转录因子（Gli1/2/3）组成。在无配体时，Ptch抑制Smo活性，Gli蛋白被蛋白酶体降解；当Hh配体与Ptch结合后，解除对Smo的抑制，激活Gli蛋白，入核后靶基因（如Gli1、Ptch1、Nanog）的表达，促进细胞增殖与分化调控。2.2在CSCs中的功能与调控靶点03-在胰腺癌中，肿瘤微环境中的间质细胞分泌Shh配体，通过旁分泌方式激活CSCs的Hh通路，增强其化疗抵抗能力。02-在基底细胞癌中，Ptch或Smo基因突变导致Hh通路constitutive激活，驱动CSCs自我更新；01Hh通路在胚胎发育中调控细胞命运决定，而在肿瘤中，其异常激活导致“胚胎发育程序重启”，维持CSCs干性。例如：04值得注意的是，Hh通路与Wnt、Notch通路存在显著交叉，如Gli可直接激活Wnt通路下游基因β-catenin，形成协同调控。3.1通路分子组成与激活机制Notch通路由Notch受体（Notch1-4）、配体（Jagged1/2、Delta-like1/3/4）、γ-分泌酶及下游转录因子（Hes/Hey家族）组成。配体与受体结合后，经ADAM蛋白酶和γ-分泌酶两步酶切，释放Notch胞内结构域（NICD），入核后结合CSL蛋白（RBP-Jκ），激活下游靶基因（如Hes1、Hey1），调控细胞分化、增殖与凋亡平衡。3.2在CSCs中的功能与调控靶点Notch通路在CSCs中主要通过调控“自我更新-分化”平衡维持干性。例如：-在乳腺癌中，Notch1激活上调CSCs表面标志物CD44，增强肿瘤起始能力；抑制Notch1可诱导CSCs分化，降低化疗耐药性；-在脑胶质瘤中，Notch3信号通过激活Hes5，维持CD133+CSCs的干性，促进肿瘤复发。此外，Notch通路与Wnt通路的交叉尤为密切：NICD可直接上调β-catenin表达，而β-catenin又可增强Notch配体Delta-like1的转录，形成“正反馈循环”。4.1通路分子组成与激活机制STAT3（SignalTransducerandActivatorofTranscription3）是JAK-STAT通路的重要成员，其激活依赖于酪氨酸磷酸化。生长因子（如EGF、IL-6）或细胞因子与受体结合后，激活JAK激酶，磷酸化STAT3单体，形成二聚体入核，结合靶基因启动子，调控细胞增殖、存活及炎症反应。4.2在CSCs中的功能与调控靶点STAT3是肿瘤微环境中炎症信号的核心效应器，在CSCs干性维持中发挥“枢纽”作用。例如：-在肝癌中，肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）分泌的IL-6激活CSCs的STAT3通路，上调Nanog、Oct4表达，增强自我更新能力；-在胰腺癌中，STAT3通过诱导EMT转录因子Snail，促进CSCs的侵袭转移，同时上调ABCG2药物外排泵，介导吉西他滨耐药。STAT3与多条通路存在交叉：可通过激活PI3K/Akt通路增强Survivin表达，抑制CSCs凋亡；也可与NF-κB协同上调IL-6，形成“炎症-干性”正反馈环路。2.5PI3K/Akt/mTOR信号通路：细胞代谢与存活的“能量调节器”5.1通路分子组成与激活机制PI3K/Akt/mTOR通路是细胞内重要的信号转导通路，上游接受生长因子、胰岛素等刺激，PI3K激活后产生PIP3，招募Akt至细胞膜并激活，Akt通过磷酸化抑制TSC1/2复合物，激活mTORC1，促进蛋白合成、细胞增殖及代谢重编程（如糖酵解增强）。5.2在CSCs中的功能与调控靶点CSCs通过激活PI3K/Akt/mTOR通路满足其高代谢需求，维持干性。例如：-在乳腺癌中，PI3KCA突变激活Akt，通过磷酸化FoxO转录因子，抑制其促分化作用，维持CD44+/CD24-CSCs亚群；-在白血病中，mTORC1通过调节线粒体生物合成，维持CSCs的氧化磷酸化能力，抵抗化疗药物诱导的氧化应激。该通路与STAT3、Wnt通路交叉显著：Akt可直接磷酸化β-catenin，增强其稳定性；STAT3也可通过上调PI3K表达，形成“STAT3-PI3K-Akt”信号轴。6.1通路分子组成与激活机制NF-κB家族包括RelA（p65）、RelB、c-Rel、p50/p52等亚型，通常与IκB蛋白结合存在于胞质中。在炎症、应激刺激下，IKK复合物磷酸化IκB，促其降解，NF-κB二聚体入核，激活靶基因（如IL-6、TNF-α、Bcl-2），调控炎症反应、细胞凋亡及增殖。6.2在CSCs中的功能与调控靶点NF-κB通过介导炎症反应与抗凋亡信号维持CSCs干性。例如：-在结直肠癌中，NF-κB激活上调COX-2，促进PGE2分泌，激活Wnt/β-catenin通路，协同维持CSCs干性；-在胶质瘤中，NF-κB通过诱导Survivin表达，抑制CSCs凋亡，同时上调CD133表达，增强肿瘤球形成能力。NF-κB与STAT3存在“双向激活”关系：STAT3可促进NF-κB核转位，而NF-κB又可上调IL-6表达，激活STAT3，形成“炎症放大环路”。03信号通路交叉网络的构建与调控机制信号通路交叉网络的构建与调控机制上述信号通路并非孤立存在，而是在CSCs中通过分子水平的相互作用，形成复杂的交叉网络。这种交叉调控既增强了干性维持的稳定性，又赋予了CSCs对外界环境的适应性，是肿瘤“难治性”的重要分子基础。3.1转录因子协同：多通路信号的“整合中心”转录因子是信号通路交叉的核心节点，它们通过结合相同或相邻的DNA序列，协同调控下游靶基因表达。例如：-β-catenin与Gli的协同：在基底细胞癌中，β-catenin与Gli1可直接结合，共同激活干性基因（如Nanog、Oct4）的转录，这种协同作用强任一单独因子，是CSCs自我更新的关键；信号通路交叉网络的构建与调控机制-STAT3与NF-κB的协同：在肝癌CSCs中，STAT3（p65亚基）与RelA形成二聚体，共同结合到IL-6基因启动子的κB位点，增强IL-6分泌，通过自分泌方式进一步激活STAT3和NF-κB，形成“正反馈闭环”；-Notch与Hh的协同：在神经胶质瘤中，Notch1激活后上调Gli2表达，而Gli2又可增强Notch配体Jagged1的转录，两条通路相互激活，共同维持CD133+CSCs的干性。这种转录因子间的协同作用，实现了多通路信号的“级联放大”，确保干性相关基因的持续高表达。信号通路交叉网络的构建与调控机制3.2共享上游信号：生长因子与细胞因子的“多通路激活”CSCs微环境中丰富的生长因子和细胞因子可作为“共享上游信号”，同时激活多条通路。例如：-EGF的双重激活：表皮生长因子（EGF）通过结合EGFR，一方面激活Ras/MAPK通路促进增殖，另一方面激活PI3K/Akt通路抑制凋亡，同时PI3K/Akt可间接激活Wnt/β-catenin通路（通过抑制GSK-3β），实现“一石三鸟”的调控效果；-IL-6的多通路调控：白细胞介素-6（IL-6）通过gp130/JAK2激活STAT3，同时激活PI3K/Akt通路，并诱导NF-κB入核，三条通路协同上调Bcl-2、Survivin等抗凋亡基因及Nanog、Oct4等干性基因，增强CSCs的生存与自我更新能力；信号通路交叉网络的构建与调控机制-TGF-β的双重角色：在CSCs中，TGF-β一方面通过Smad通路诱导EMT，促进转移；另一方面通过激活PI3K/Akt/mTOR通路，维持干性，并与Wnt通路交叉上调Snail、ZEB1等EMT转录因子。共享上游信号的存在，使得CSCs能够对微环境中的单一刺激产生“多维度响应”，增强其适应性。3表观遗传调控：交叉网络的“表观开关”表观遗传修饰通过调控染色质状态，影响信号通路相关基因的表达，是交叉网络动态调控的“开关”。例如：-组蛋白修饰的调控：在乳腺癌CSCs中，组蛋白乙基转移酶EZH2通过催化H3K27me3修饰，抑制抑癌基因p16的表达，同时激活Wnt/β-catenin通路，促进干性维持；而组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂可通过增加组蛋白乙酰化，下调Notch通路下游基因Hes1的表达，诱导CSCs分化；-非编码RNA的介导：miR-34a可直接靶向Notch1和Sirt1，抑制Notch通路活性并增强p53功能，从而抑制CSCs干性；而lncRNAHOTAIR通过结合PRC2复合物，沉默Wnt通路拮抗剂DKK1，激活β-catenin，促进CSCs自我更新；3表观遗传调控：交叉网络的“表观开关”-DNA甲基化的调控：在胶质瘤CSCs中，启动子区超甲基化沉默Wnt通路拮抗剂SFRP1，导致β-catenin持续激活，而DNA甲基化抑制剂5-Aza可恢复SFRP1表达，抑制干性。表观遗传修饰通过“可逆性”改变基因表达，使CSCs能够根据外界环境动态调整交叉网络的活性，维持干性的“可塑性”。4肿瘤微环境：交叉网络的“外部调节器”肿瘤微环境（TME）中的间质细胞、细胞外基质（ECM）、缺氧及酸性代谢产物等，可通过旁分泌或直接接触方式，调控CSCs信号通路交叉网络。例如：-癌相关成纤维细胞（CAFs）的旁分泌：CAFs分泌的HGF通过激活c-Met/PI3K/Akt通路，上调NF-κB表达，促进CSCs分泌IL-6，激活STAT3，形成“CAF-CSCs”旁分泌环路；-缺氧的诱导：缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）在缺氧条件下激活，上调Notch配体Delta-like1和Hh配体Shh的表达，同时增强Wnt/β-catenin通路活性，协同维持CSCs干性；-ECM的重塑：纤维连接蛋白（FN）通过整合素α5β1激活FAK/Src通路，增强PI3K/Akt和ERK信号，同时诱导EMT转录因子Twist1表达，与Wnt/β-catenin通路交叉促进CSCs侵袭与干性维持。12344肿瘤微环境：交叉网络的“外部调节器”微环境的“生态调控”使得CSCs信号通路交叉网络能够响应局部微环境变化，实现“局部适应”，这也是肿瘤异质性的重要来源。04交叉网络失调与肿瘤恶性表型的关联交叉网络失调与肿瘤恶性表型的关联信号通路交叉网络的异常激活是CSCs恶性表型的重要驱动因素，其失调与肿瘤进展、转移、耐药及复发密切相关。1促进肿瘤起始与异质性形成交叉网络通过协同激活干性相关基因，增强CSCs的自我更新与分化能力，驱动肿瘤起始与异质性形成。例如，在结直肠癌中，Wnt/β-catenin与Hh通路交叉激活，共同上调c-Myc和Nanog，促进CSCs增殖，同时通过不对称分化产生具有不同突变负荷的子代细胞，形成肿瘤异质性，这解释了为何单一靶向某一通路的疗效有限——残留的CSCs可通过其他通路代偿维持干性。2增强侵袭转移能力交叉网络通过诱导EMT、上调基质金属蛋白酶（MMPs）及促进血管生成，增强CSCs的侵袭转移能力。例如，在胰腺癌中，TGF-β/Smad与Wnt/β-catenin通路交叉激活Snail和ZEB1，诱导EMT，同时上调MMP-9降解ECM，促进CSCs侵袭；而在转移灶中，HIF-1α与Notch通路交叉上调CXCR4，引导CSCs向转移器官定植，形成“转移前微环境”。3介导治疗抵抗与复发交叉网络是CSCs治疗抵抗的核心机制，其通过多重途径增强CSCs的存活与修复能力。例如，在乳腺癌中，PI3K/Akt与STAT3通路交叉上调Survivin和Bcl-2，抑制化疗药物诱导的凋亡；而在放疗后，NF-κB与Wnt通路交叉激活DNA修复基因（如BRCA1），促进CSCs损伤修复，最终导致肿瘤复发。临床研究显示，多种肿瘤组织中多条通路同时激活的患者，其复发风险显著高于单一通路激活者，这直接证明了交叉网络在预后中的重要性。05针对交叉通路的靶向治疗策略与挑战针对交叉通路的靶向治疗策略与挑战鉴于信号通路交叉网络在CSCs干性维持中的核心作用，针对交叉节点的靶向治疗成为克服肿瘤耐药、清除CSCs的新策略。然而，该领域仍面临诸多挑战。1双重或多重通路抑制剂针对两条及以上关键通路开发双重抑制剂，是阻断交叉网络最直接的策略。例如：-Wnt/Notch双重抑制剂：PRI-724（β-catenin抑制剂）与RO4929097（γ-分泌酶抑制剂）联用，在胶质瘤模型中协同抑制CSCs干性，延长生存期；-PI3K/Akt/STAT3三重抑制剂：如LY3023414（mTOR抑制剂）与Stattic（STAT3抑制剂）联用，在肝癌中通过阻断能量代谢与炎症信号，清除CSCs；-Hh/Notch双重抑制剂：Vismodegib（Smo抑制剂）与DAPT（γ-分泌酶抑制剂）联用，在胰腺癌中显著降低CD133+CSCs比例，抑制肿瘤生长。1双重或多重通路抑制剂然而，双重抑制剂面临选择性低、毒副作用大的问题，需通过优化药物结构（如开发PROTAC降解剂）提高靶向性。2靶向交叉节点分子识别并抑制通路交叉的关键节点分子，可实现“精准打击”。例如：-β-catenin/Gli复合物抑制剂：在基底细胞癌中，阻断β-catenin与Gli1的相互作用，可协同抑制下游干性基因表达，疗效优于单一通路抑制；-STAT3/NF-κB共抑制剂如JAK/IKK抑制剂，可同时阻断两条通路的激活，在肝癌中显著抑制CSCs的炎症与存活信号；-转录因子共抑制如利用小分子干扰RNA（siRNA）或CRISPR-Cas9技术敲除c-Myc（Wnt与Hh通路的共同下游靶点），可显著降低CSCs的自我更新能力。交叉节点分子的发现依赖于蛋白质组学、相互作用组学等高通量技术，未来需进一步加强“节点图谱”的绘制。3联合常规治疗与免疫治疗将交叉通路靶向治疗与化疗、放疗或免疫治疗联合，可发挥协同作用。例如：-靶向治疗+化疗：Wnt抑制剂（LGK974）联合吉西他滨，在胰腺癌中通过清除CSCs减少复发；-靶向治疗+免疫治疗：STAT3抑制剂（napabucasin）联合PD-1抗体，在肺癌中通过逆转CSCs的免疫抑制微环境（如上调PD-L1），增强T细胞杀伤作用；-靶向治疗+放疗：Notch抑制剂（RO4929097）联合放疗，在胶质瘤中通过抑制DNA修复增强放疗敏感性，同时清除放疗后残留的CSCs。联合治疗需关注