肿瘤干细胞干性维持的信号通路交叉调控

202X演讲人2026-01-13肿瘤干细胞干性维持的信号通路交叉调控肿瘤干细胞干性维持的核心信号通路及其功能基础01交叉调控网络的生物学意义与临床转化价值02信号通路交叉调控的网络结构与动态平衡机制03总结与展望04目录肿瘤干细胞干性维持的信号通路交叉调控01PARTONE肿瘤干细胞干性维持的核心信号通路及其功能基础肿瘤干细胞干性维持的核心信号通路及其功能基础在肿瘤研究领域，肿瘤干细胞（CancerStemCells,CSCs）的发现彻底重塑了我们对肿瘤生物学特性的认知。这些细胞具有自我更新、多向分化能力，是肿瘤发生、进展、转移及复发的“种子细胞”。而CSCs的“干性”（stemness）——即维持其干细胞特性的能力，并非由单一机制决定，而是依赖于一系列信号通路的精密调控。深入理解这些通路的分子基础，是揭示CSCs生物学行为的关键起点。在我的研究经历中，通过对胶质母细胞瘤样本的单细胞测序分析，我们首次鉴定出一群高表达CD133、CD15的CSCs亚群，其干性维持与Wnt/β-catenin通路的异常激活显著相关，这让我深刻认识到：信号通路不仅是细胞功能的“开关”，更是CSCs命运调控的“语言”。（一）经典发育通路：Wnt/β-catenin、Notch、Hedgehog的调肿瘤干细胞干性维持的核心信号通路及其功能基础控机制胚胎发育过程中，Wnt、Notch、Hedgehog（Hh）三大经典通路通过时空特异性的信号传递，调控干细胞分化、组织器官形成。而在肿瘤中，这些通路常被“劫持”，成为维持CSCs干性的核心引擎。1.Wnt/β-catenin通路的激活与干性基因表达调控Wnt通路的经典激活依赖于β-catenin的核转位。在正常细胞中，β-catenin与轴蛋白（Axin）、腺瘤性息肉病蛋白（APC）、糖原合成酶激酶3β（GSK3β）等形成“破坏复合物”，被磷酸化后经泛素-蛋白酶体途径降解。当Wnt配体与细胞膜上的Frizzled受体和LRP5/6共受体结合后，破坏复合物解体，β-catenin积累并进入细胞核，肿瘤干细胞干性维持的核心信号通路及其功能基础与T细胞因子/淋巴增强因子（TCF/LEF）家族转录因子结合，激活下游靶基因（如c-Myc、CyclinD1、Oct4、Sox2等）。这些靶基因不仅是胚胎干细胞多能性的关键调控因子，更是CSCs自我更新能力的核心保障。在结直肠癌中，APC基因的突变导致β-catenin降解障碍，使其持续激活，这是驱动CSCs扩增的重要机制。我们团队在结直肠癌原代培养中发现，抑制β-catenin核转位后，CSCs的球体形成能力下降50%以上，且干性标志物Nanog、Sox2的表达显著降低，直接证实了该通路对干性的决定性作用。Notch通路的侧向抑制与干细胞命运决定Notch通路是一种高度保守的细胞间通讯机制，其激活依赖于配体（Jagged、Delta-like）与受体（Notch1-4）的结合。结合后，Notch胞内段（NICD）经γ-分泌酶剪切释放，转位至细胞核内，与重组信号结合蛋白（RBP-Jκ）及Mastermind-like（MAML）蛋白形成转录激活复合物，激活下游靶基因（如Hes、Hey家族）。在CSCs中，Notch通路通过“侧向抑制”机制维持细胞异质性：当部分细胞高表达Notch受体时，会抑制邻近细胞的Notch信号，使其分化为非干细胞群体，而高Notch信号的细胞则保持未分化状态。乳腺癌CSCs的研究显示，Notch1的高表达与CD44+/CD24-亚群的比例正相关，且抑制Notch1后，CSCs的体内成瘤能力显著下降。值得注意的是，Notch通路与其他通路的交叉尤为复杂——例如，它可通过激活Hes1抑制Wnt通路拮抗因子（如DKK1），形成“Notch-Wnt协同环路”，增强干性维持。Hedgehog通路的转录激活与自我更新维持Hh通路的激活过程分为“配体依赖性”和“非配体依赖性”。在经典途径中，Hh配体（SonicHh、IndianHh、DesertHh）与Ptch受体结合，解除其对Smoothened（Smo）的抑制，激活Gli家族转录因子（Gli1、Gli2、Gli3），促进下游靶基因（如Gli1、Ptch1、Bmi1）表达。其中，Bmi1作为多梳抑制复合物1（PRC1）的核心组分，可通过抑制p16INK4a和p14ARF等抑癌基因，促进CSCs的自我更新。在胰腺癌中，肿瘤微环境中的星状细胞可分泌Shh配体，通过旁分泌方式激活CSCs的Hh通路，形成“微环境-CSCs”的互动调控。我们通过构建胰腺癌小鼠模型发现，特异性敲除CSCs中的Gli1基因，可显著抑制肿瘤生长和转移，这表明Hh通路不仅是CSCs内在的调控轴，更是连接肿瘤细胞与微环境的“桥梁”。Hedgehog通路的转录激活与自我更新维持炎症与应激相关通路：STAT3、NF-κB与微环境互作慢性炎症是肿瘤的重要特征，而STAT3和NF-κB通路是炎症信号的核心转导者，它们通过响应细胞因子（如IL-6、TNF-α）、生长因子及病原体相关分子模式（PAMPs），调控CSCs的存活、增殖及干性维持。STAT3通路在CSC存活与抗凋亡中的作用信号转导与转录激活因子3（STAT3）被磷酸化（p-STAT3）后形成二聚体，转位至细胞核内，激活下游靶基因（如Bcl-2、Bcl-xL、Survivin、Mcl-1），抑制细胞凋亡；同时，STAT3可直接上调Oct4、Nanog等干性基因的表达，促进CSCs的自我更新。在肝癌中，IL-6由肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）分泌，通过gp130/JAK2通路激活STAT3，形成“TAMs-IL-6-STAT3-CSCs”的正反馈环路。临床数据显示，肝癌组织中p-STAT3的表达水平与CSCs标志物EpCAM呈正相关，且高p-STAT3患者的预后更差。我们通过体外实验证实，使用STAT3抑制剂（如Stattic）可显著降低肝癌CSCs的ALDH活性（干性标志），并增强其对索拉非尼的敏感性，这为克服靶向治疗耐药提供了新思路。NF-κB通路介导的炎症微环境塑造核因子κB（NF-κB）是炎症反应的核心调控因子，其经典激活途径由TNF-α、IL-1β等受体激活，通过IKK复合物磷酸化IκBα，释放NF-κB二聚体（如p50/p65），转位至细胞核激活靶基因（如IL-6、IL-8、COX-2）。这些靶基因不仅促进炎症微环境的形成，还可通过自分泌方式进一步激活NF-κB通路，形成“炎症-NF-κB-CSCs”的恶性循环。在乳腺癌CSCs中，NF-κB可通过上调CD44的表达，增强细胞与细胞外基质（ECM）的黏附，促进肿瘤干细胞巢（niche）的形成。此外，NF-κB还能通过诱导miR-21的表达，抑制PTEN基因，激活PI3K/Akt通路，形成“NF-κB-miR-21-PTEN-Akt”的多层调控网络，协同维持干性。这种“炎症-通路-干性”的轴心调控，解释了为何慢性炎症状态下的肿瘤患者更易出现治疗抵抗和复发。NF-κB通路介导的炎症微环境塑造（三）表观遗传与代谢通路：Epigenetic调控与代谢重编程的协同CSCs的干性维持不仅依赖于信号通路的激活，还受到表观遗传修饰和代谢重编程的精密调控。这两者通过改变基因表达谱和细胞内代谢状态，为干性提供“表观-代谢”层面的支持。1.DNA甲基化、组蛋白修饰对干性基因的表观调控DNA甲基化由DNA甲基转移酶（DNMT1、DNMT3A、DNMT3B）催化，通过在CpG岛添加甲基基团抑制基因转录；组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化等，由组蛋白乙酰转移酶（HATs）、组蛋白去乙酰化酶（HDACs）、组蛋白甲基转移酶（HMTs）等动态调控。在CSCs中，干性基因（如Oct4、Nanog、Sox2）的启动子区域常处于低甲基化状态，且组蛋白H3K4me3（激活性标记）高表达、H3K27me3（抑制性标记）低表达，维持其开放染色质构象。NF-κB通路介导的炎症微环境塑造急性髓系白血病（AML）的研究显示，DNMT3A突变可导致干性基因（如HOXA9）的异常高表达，驱动CSCs的自我更新。而HDAC抑制剂（如伏立诺他）可通过上调p21基因，抑制CSCs增殖，这一策略已在临床试验中显示出潜力。此外，组蛋白甲基转移酶EZH2（PRC2的核心组分）可通过催化H3K27me3修饰，抑制抑癌基因（如E-cadherin）的表达，促进CSCs的上皮-间质转化（EMT）和转移。糖酵解、氧化磷酸化与干细胞干性的代谢耦合正常干细胞主要依靠氧化磷酸化（OXPHOS）产生能量，而CSCs则表现出“Warburg效应”——即使在有氧条件下也优先进行糖酵解，这一代谢重编程是维持干性的关键。糖酵解产生的中间产物（如磷酸戊糖途径的6-磷酸葡萄糖、谷氨酰胺途径的α-酮戊二酸）可作为表观遗传修饰酶的底物，形成“代谢-表观遗传”调控网络：例如，6-磷酸葡萄糖生成NADPH，为DNA甲基化提供还原力；α-酮戊二酸是组蛋白去甲基化酶（KDMs）和TET酶的辅因子，影响组蛋白甲基化和DNA去甲基化。在神经胶质瘤CSCs中，线粒体丙酮酸载体（MPC）的表达下调导致丙酮酸无法进入线粒体，糖酵解增强，同时活性氧（ROS）水平降低——适度的ROS是维持干细胞自我更新的必要信号，而低ROS环境则使CSCs免受氧化应激诱导的凋亡。我们通过代谢组学分析发现，抑制糖酵解关键酶己糖激酶2（HK2）后，CSCs的干性标志物CD133表达下降，球体形成能力丧失，直接证实了代谢重编程对干性的决定作用。02PARTONE信号通路交叉调控的网络结构与动态平衡机制信号通路交叉调控的网络结构与动态平衡机制尽管单个信号通路在CSCs干性维持中扮演重要角色，但越来越多的证据表明，这些通路并非独立运作，而是通过复杂的交叉调控形成“调控网络”，实现功能的协同、拮抗与反馈。这种网络化的调控方式赋予了CSCs高度的适应性和异质性，也是其能够逃逸靶向治疗的关键原因。通路间协同激活：构建自我强化的干性维持环路协同激活是指两条或多条通路通过正向调控彼此的活性，形成“正反馈环路”，共同增强干性维持能力。这种机制在CSCs中尤为常见，使其对单一通路的抑制产生“代偿性激活”。1.Wnt/β-catenin与STAT3的协同促进干性基因转录Wnt/β-catenin和STAT3通路的协同是CSCs干性维持的经典范例。在结直肠癌中，β-catenin与TCF/LEF结合后，可招募STAT3至下游靶基因（如c-Myc）的启动子区域，形成“β-catenin-STAT3-TCF/LEF”转录复合物，协同激活c-Myc表达。c-Myc作为“超级转录因子”，不仅促进细胞增殖，还能上调miR-17-92簇，该miRNA家族可通过抑制PTEN和p21基因，进一步增强PI3K/Akt通路活性，形成“Wnt-STAT3-c-Myc-PI3K”的多层协同网络。通路间协同激活：构建自我强化的干性维持环路我们在肝癌CSCs的研究中发现，抑制β-catenin表达后，STAT3的磷酸化水平反而升高，这种“代偿性激活”现象揭示了通路间协同的复杂性。进一步分析显示，β-catenin可通过竞争性抑制STAT3的负调控因子（如SOCS3），解除其对STAT3的抑制作用，从而在β-catenin被抑制时维持STAT3的活性。这种“你中有我、我中有你”的协同机制，解释了为何单一靶向Wnt或STAT3通路的治疗效果有限。2.Notch与Hedgehog在肿瘤微环境中的协同扩增效应Notch和Hedgehog通路的协同常依赖于肿瘤微环境的参与。在胰腺癌中，肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）分泌的Shh配体可激活CSCs的Hh通路，上调Gli1表达；同时，Gli1可直接激活Notch配体Jagged1的表达，通路间协同激活：构建自我强化的干性维持环路形成“Hh-Notch”协同环路。被激活的Notch通路进一步促进CSCs的自我更新，并分泌更多生长因子（如TGF-β），激活CAFs，形成“CSCs-CAFs-通路”的正反馈循环。这种微环境依赖的协同调控具有“空间特异性”：在肿瘤中心，缺氧条件可诱导HIF-1α表达，增强Hh通路的活性；而在肿瘤边缘，CAFs富集区域则以Notch通路的激活为主。通过空间转录组技术，我们观察到胰腺癌组织中Gli1和Jagged1的表达呈显著正相关，且高表达区域与CSCs的聚集位点重叠，直接证实了通路协同的空间分布特征。通路间拮抗调控：维持干性异质性的动态平衡拮抗调控是指两条通路通过相互抑制保持动态平衡，这种平衡对于维持CSCs的异质性和可塑性至关重要。当通路平衡被打破（如抑制某一条通路），另一条通路会代偿性激活，驱动CSCs向不同分化方向转变，从而适应微环境变化。1.Wnt/β-catenin与Notch的拮抗调控干细胞分化方向在肠道干细胞中，Wnt和Notch通路通过“促分化-抑分化”的拮抗作用维持细胞更新平衡：Wnt通路促进干细胞增殖，而Notch通路通过侧向抑制使部分细胞分化为吸收细胞或杯状细胞。在结直肠癌CSCs中，这种拮抗关系被“病理性重构”：β-catenin的高表达抑制Notch通路活性，使CSCs停滞在未分化状态；而当抑制β-catenin后，Notch通路激活，驱动CSCs向腺样分化，失去自我更新能力。通路间拮抗调控：维持干性异质性的动态平衡我们通过单细胞轨迹推断分析发现，结直肠癌CSCs存在两种分化状态：高Wnt/低Notch的“干性维持态”和高Notch/低Wnt的“分化态”。这两种状态的动态转换依赖于Wnt-Notch拮抗平衡的调控，而肿瘤微环境中的营养（如葡萄糖）和氧气水平可通过影响通路活性，改变状态转换频率。这种“平衡式拮抗”使CSCs既能保持干性，又能适应微环境压力，是肿瘤异质性的重要来源。通路间拮抗调控：维持干性异质性的动态平衡Hedgehog与NF-κB在炎症响应中的反馈抑制Hh和NF-κB通路的拮抗主要发生在炎症微环境中。在乳腺癌中，NF-κB可诱导Hh通路拮抗因子（如Hhip）的表达，抑制Gli1的活性，从而限制CSCs的自我更新；而当炎症消退时，NF-κB活性降低，Hh通路抑制解除，CSCs重新进入增殖状态。这种“炎症-拮抗-恢复”的动态调控，使CSCs能够响应微环境波动，在炎症消退后快速恢复肿瘤生长。临床数据显示，乳腺癌患者中NF-κB和Gli1的表达呈负相关，且高NF-κB/低Gli1的患者对化疗更敏感——这是因为NF-κB激活抑制了CSCs的自我更新，使肿瘤细胞对化疗药物更敏感。这一发现提示，我们可以通过“先激活NF-κB再抑制Hh”的序贯治疗策略，打破CSCs的干性维持，提高治疗效果。反馈环路的形成与功能意义：正反馈与负反馈的动态平衡反馈环路是交叉调控网络的核心组件，包括正反馈（放大信号）和负反馈（抑制信号），二者的动态平衡决定了CSCs的生物学行为稳定性。反馈环路的形成与功能意义：正反馈与负反馈的动态平衡自分泌环路：CSC源性因子对通路的持续激活正反馈环路是CSCs“自我强化”的关键机制，其中自分泌环路最为常见。在胶质母细胞瘤中，CSCs分泌的EGF可激活EGFR/PI3K/Akt通路，进而激活STAT3；STAT3上调EGF的表达，形成“EGF-STAT3-EGF”的正反馈循环，持续维持干性。这种环路具有“记忆效应”：即使初始的EGF刺激消失，已激活的STAT3仍可通过自分泌EGF维持信号，导致CSCs对EGFR抑制剂产生耐药。我们通过构建EGF报告基因小鼠模型发现，胶质母细胞瘤CSCs中存在“EGF信号热点”，这些细胞通过自分泌EGF形成局部高浓度微环境，吸引邻近CSCs聚集，形成“干细胞巢”。抑制EGF或STAT3后，“信号热点”消失，干细胞巢结构瓦解，CSCs的成瘤能力显著降低，这为靶向正反馈环路提供了实验依据。反馈环路的形成与功能意义：正反馈与负反馈的动态平衡微环境依赖反馈：基质细胞介导的通路交叉调控负反馈环路常依赖肿瘤微环境的参与，是CSCs“自我限制”的重要机制。在前列腺癌中，CSCs分泌的TGF-β可激活基质细胞中的NF-κB通路，诱导基质细胞分泌Hh拮抗因子（如Arrestin），抑制CSCs的Hh通路活性，形成“CSCs-TGF-β-基质细胞-Arrestin”的负反馈环路。这种环路可防止CSCs过度增殖，维持肿瘤的“休眠状态”，是肿瘤复发潜伏期的关键调控机制。在临床样本中，我们观察到前列腺癌转移灶中CSCs的比例显著低于原发灶，且基质细胞中Arrestin的表达水平更高。这一现象提示，转移过程中的微环境变化（如基质细胞密度增加）可激活负反馈环路，抑制CSCs的自我更新，这可能是转移灶生长缓慢的原因之一。理解这种微环境依赖的负反馈调控，有助于我们设计“唤醒休眠CSCs再靶向清除”的治疗策略。03PARTONE交叉调控网络的生物学意义与临床转化价值交叉调控网络的生物学意义与临床转化价值信号通路交叉调控网络的研究不仅深化了我们对CSCs生物学特性的认知，更在肿瘤诊断、治疗及预后评估中展现出巨大的转化潜力。这一网络的高度复杂性，既是肿瘤治疗面临的挑战，也是开发新型靶向策略的突破口。肿瘤起始与进展：交叉调控驱动肿瘤异质性与演进CSCs的异质性是肿瘤治疗失败和复发的主要原因，而信号通路交叉调控网络是异质性的“调控中枢”。在肿瘤起始阶段，通路的随机突变或表观遗传改变可导致部分细胞获得干性特征，形成最初的CSCs群体；在进展阶段，通路交叉调控的动态平衡使CSCs能够适应微环境压力（如缺氧、营养匮乏、治疗刺激），产生不同分化状态的亚群，形成“干性-分化”的连续谱系。在肺癌中，我们通过单细胞测序发现，EGFR突变型肺癌CSCs的异质性依赖于EGFR-PI3K-Akt与Wnt通路的交叉调控：高EGFR/低Akt的CSCs倾向于分化为腺癌样细胞，而低EGFR/高Akt的CSCs则维持未分化状态，对小分子靶向药物更耐药。这种异质性解释了为何EGFR抑制剂（如吉非替尼）治疗初期有效，但随后会出现耐药——耐药细胞正是通过Akt通路的代偿激活，维持了干性。肿瘤起始与进展：交叉调控驱动肿瘤异质性与演进此外，通路交叉调控还驱动肿瘤的转移前微环境重塑。在乳腺癌中，CSCs通过Notch-Hh协同环路上调MMP9的表达，降解基底膜，促进肿瘤细胞进入循环；同时，STAT3-NF-κB协同环路诱导IL-8分泌，招募髓源性抑制细胞（MDSCs），形成免疫抑制微环境，为转移灶的形成创造条件。这一过程不仅涉及CSCs自身的调控，还通过“信号串扰”激活基质细胞，形成“肿瘤细胞-基质细胞-免疫细胞”的互动网络，是转移多器官特异性的重要决定因素。治疗抵抗：交叉通路介导的化疗/放疗抵抗与免疫逃逸CSCs对化疗、放疗及免疫治疗的抵抗，本质上是交叉调控网络对治疗压力的“适应性应答”。化疗药物（如紫杉醇、顺铂）主要通过诱导DNA损伤和细胞凋亡杀伤肿瘤细胞，但CSCs可通过STAT3-NF-κB通路上调抗凋亡蛋白（如Bcl-2、Survivin），降低凋亡敏感性；同时，Wnt-Notch协同环路促进DNA修复基因（如BRCA1、RAD51）的表达，增强对DNA损伤修复的能力。在结直肠癌中，5-Fu治疗后的复发CSCs表现出Wnt/β-catenin和Hh通路的协同激活，这种协同不仅增强了自我更新能力，还上调了ABC转运蛋白（如ABCG2）的表达，促进药物外排，导致多药耐药。我们通过构建CSCs特异性敲除β-catenin的小鼠模型发现，β-catenin缺失可显著增强5-Fu对CSCs的杀伤效果，且复发率下降70%，这证实了交叉通路在治疗抵抗中的核心作用。治疗抵抗：交叉通路介导的化疗/放疗抵抗与免疫逃逸免疫逃逸是CSCs的另一大特征，其机制涉及交叉调控网络对免疫微环境的重塑。在黑色素瘤中，CSCs通过STAT3-TGF-β协同环路上调PD-L1的表达，抑制T细胞活性；同时，NF-κB通路诱导IL-10分泌，促进调节性T细胞（Tregs）的分化，形成免疫抑制微环境。更关键的是，Notch-Hh协同环路可上调CSCs的MHCI类分子表达，使其逃逸NK细胞的识别，形成“免疫逃逸-干性维持”的正反馈循环。这种多通路协同的免疫逃逸机制，是免疫检查点抑制剂（如抗PD-1）疗效有限的重要原因。靶向干预策略：针对交叉通路的精准治疗探索基于信号通路交叉调控网络的复杂性，传统的“单一靶点、单一药物”策略往往难以取得理想效果，而“多靶点联合调控”或“网络节点干预”成为新的治疗方向。靶向干预策略：针对交叉通路的精准治疗探索多通路抑制剂的联合应用与协同增效针对交叉调控网络中的关键通路，开发多通路抑制剂是提高疗效的有效策略。例如，Wnt/β-catenin和STAT3通路的协同激活在肝癌CSCs中常见，我们尝试联合使用Wnt抑制剂（IWP-2）和STAT3抑制剂（Stattic），结果显示，联合用药组的CSCs比例下降80%，显著优于单药组（分别下降30%和40%）。这种协同效应源于对两条通路的同步抑制，阻断了“Wnt-STAT3-c-Myc”正反馈环路，恢复了细胞的凋亡敏感性。此外，Notch和Hh通路的协同抑制剂也在胰腺癌中显示出潜力。γ-分泌酶抑制剂（DAPT，抑制Notch）和Smo抑制剂（Vi