南开大学刘林团队等揭示静息态肿瘤干细胞是癌症复发和耐药的根本原因

2021-02-18 生物世界

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端粒（Telomere）是存在于真核生物染色体末端并维持基因组稳定的帽子样结构（TTAGGG重复序列），大部分体细胞的端粒长度由于没有端粒酶 （Telomerase）的维持会随着细胞分裂而不断缩短，并最终走向衰老。但是已知有超过90%的肿瘤细胞却可以依靠端粒酶来延长端粒使其达到 永生化 （Immortalization） 的状态，然而单纯地通过抑制端粒酶活性来治疗肿瘤的效果欠佳。

结直肠癌 （Colorectal Cancer, CRC）是第三大最常见恶性肿瘤的疾病，其死亡率也排全球第三。尽管近年来随着肠癌早筛、靶向和免疫治疗有所普及，但根据 CA：A Cancer Journal for Clinicians 最新发布的 Colorectal Cancer Statistics, 2020 （2020年结直肠癌统计报告）表明，结直肠癌治疗的生存率依然不容乐观且呈现发病年轻化，且越来越多的研究表明肿瘤转移和复发是大多数结直肠癌终末期患者死亡的主要原因。

以5-氟尿嘧啶和奥沙利铂为代表的一线治疗方案，其主要针对于正处于增殖状态的肿瘤细胞，虽然能明显改善早期治疗效果，但病人往往会出现耐药反应而导致复发和转移。

进一步研究发现 肿瘤干细胞 （Cancer Stem Cell, CSC）是导致结直肠癌患者治疗后复发的潜在元凶，残留下来的肿瘤干细胞不仅可以维持自己的干细胞特性，同时也为肿瘤的持续增长提供新的补充。由此可见，肿瘤干细胞是肿瘤复发和转移的始作俑者。虽然肿瘤干细胞在多种肿瘤中存在已成为共识，但长久以来为什么肿瘤干细胞会产生耐药性、耐药机制又是什么，以及肿瘤干细胞的真实特征却一直没有被很好的解析，这不仅与肿瘤异质性密切相关，也与传统的把肿瘤当作一个混合整体来研究的局限性有关。

近日，南开大学、南方医科大学、天津医科大学以及耶鲁大学的研究人员合作，在 Advanced Science 杂志上发表了题为： Colorectal cancer stem cell states uncovered by simultaneoussingle-cell analysis of transcriptome and telomeres 的研究论文， 利用整合单细胞技术揭秘了结直肠癌的肿瘤干细胞特异性特征 。

研究团队通过单细胞转录组整合端粒长度检测技术发现结直肠癌肿瘤干细胞处于静息状态且具有相对短的端粒长度，在特定条件下又可以转变为快速增长且端粒获得延长的肿瘤细胞，这些静息态的肿瘤干细胞可能是导致肿瘤复发和耐药的根本原因。

研究团队在前期研究的基础上建立了一套可以在单细胞水平上对端粒长度和转录组 （SMART-seq2） 同时进行定量的分析方法 （scT&R-seq），随后利用该技术对病人原代结直肠癌进行了深入分析。

首先采用传统的、被广泛应用的肿瘤干细胞标志物（CD44，CD133，LGR5）来富集肿瘤干细胞，结果发现这些已知标志物标记的“肿瘤干细胞”群体存在更为复杂的异质性，而真正的具有强干性的肿瘤干细胞所占比例极其稀少。

令人惊讶的是， 肿瘤干细胞的增殖活性较低，处于静息状态，而且具有相对较短的端粒长度 。拟时序结果表明肿瘤干细胞可以重塑为肿瘤上皮细胞 （Cancer Epithelial Cell, EPC），这些肿瘤上皮细胞具有高的增殖活性，且端粒较长，同时端粒酶等端粒维持相关的基因被激活。

随后，利用10×Genomics平台对整个肿瘤组织和癌旁组织进行更大规模的单细胞分析，10×Genomics数据进一步验证了SMART-seq2的分析结果。不仅如此，通过分析10×Genomics单细胞转录组中的拷贝数变异（CNV）发现：与正常的干细胞相比，肿瘤干细胞具有更多的CNV，这些特征性的CNV可以很好地将正常干细胞与肿瘤干细胞区分开来。

有趣的是，同样对肿瘤上皮细胞进行分析发现，肿瘤上皮细胞的CNV也具有明显的特异性特征，而且这些特征性CNV与肿瘤干细胞一致性高，进一步提示了增殖的肿瘤上皮细胞是来自于静息态的肿瘤干细胞。此外，研究人员还发现肿瘤干细胞和肿瘤上皮细胞的特征性表达基因均与结直肠癌预后密切相关。