细胞融合与肿瘤干细胞

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1、1细胞融合与肿瘤干细胞近年来，随着肿瘤起源的干细胞假说逐渐得到人们的认可，使人们开始从新的角度思考肿瘤的起源问题。长期以来，人们发现肿瘤细胞具有非整倍体及染色体紊乱的特征，而细胞融合的实验也发现融合的细胞也具有这种特征。因此，猜想肿瘤的这些特征是否与发生细胞融合有关？进一步推论，肿瘤细胞和巨噬细胞或其他迁移来的骨髓源细胞(BMDCs)发生融合是否可以解释这一现象呢？而 BMDCs-肿瘤细胞融合在许多动物模型和人类肿瘤也已经检测到。发育生物学的研究表明上皮-间质转换(epithelial-mesenchymal transition，EMT)是发育过程中的一个极其重要的环节，而在肿瘤侵袭和转移过

2、程被激活。在诱导人乳腺上皮 EMT 过程中，乳腺上皮出现间质的特征并表达了干细胞的表面标记，具有干细胞样特性。从乳腺上皮分离的干细胞样细胞也表达与经历 EMT 过程的乳腺上皮相似的标记。因此，EMT 过程与上皮干细胞样特性的获得具有某种联系。本文将主要探讨肿瘤发生过程中肿瘤干细胞、细胞融合和 EMT 间的联系。一、肿瘤干细胞(cancer stem cells,CSCs)CSCs 在前面已有详细介绍。在这里，仅简单提及。CSCs 指那些有自我更新能力的肿瘤细胞，能够产生不同表型，区别于其他细胞的恶性干细胞。不同组织的干细胞具有不同的内在自我更新能力和分化成特定细胞的能力 【1，2】 。大多数肿

3、瘤具有一群异质性细胞，这群细胞的增殖潜能和移植成瘤能力与其他细胞不同。CSCs 在造血系恶性肿瘤第一次被阐明，这群细胞仅有一小部分即可成瘤 【3-6】 。CSCs 可以通过它们的表面标记来鉴定和富集 【4，7-11】 。在移植实验中，这些细胞产生新的肿瘤，包含有新的 CSCs 和不成瘤的异质性群体。迄今为止，CSCs 已经在乳腺癌 【1，2】 和中枢神经系统肿瘤 【13-16】 等众多肿瘤中得到鉴定。CSCs 是否来源于正常的组织源干细胞、骨髓源干细胞或经历了分化和转分化的成熟细胞，仍然不清楚。是否 CSCs 代表一种或多种表型仍然不清楚 【17，18】 。二、细胞融合1. 概述在体内外，循环

4、的 HSCs 可以和肝细胞、心肌细胞、少突胶质细胞和蒲肯野纤维等融合 【19-26】 。生物学细胞融合对某些生物过程和调节是必须的。在这些过程中的缺陷可能导致不育(精卵融合)，某些肌疾病(成肌细胞融合缺陷)，癫痫前和骨硬化症(密质骨) 【27-30】 。图1 生理条件下的细胞融合(引自：Nature Reviews Cancer,2005.5,899-904)2细胞融合对于发育和机体行为模式是必须的，在发育过程中存在着精细的调节【31，32】 。细胞融合可能导致了多核和单核细胞的产生。在发育过程中，多核的巨细胞，骨，肌、胎盘的形成 【32】 【图 1a】。相同或不同细胞的融合也可以发生，干细胞

5、和分化的细胞融合产生异核体就是一个很好的例子。仙台病毒诱导鼠Erlich 细胞和人 Hela 的细胞融合第一次阐明异核体的特征。异核体随时间的推移比较稳定，并且融合细胞的功能和特征也被体现出来。目前看来，在肝再生和组织修复过程中，异核体具有重要的功能 【22】 【图 1b】。融核体代表在异核体形成的过渡过程中的单个的有核细胞。融核体的形成通常以染色体缺失为特征。经典的融核体形成过程是鼠骨髓瘤细胞和 B 细胞间的融合【图 1c】。在细胞转分化过程中，融核体的形成也具有重要作用 【22】 。2. 肿瘤细胞的非整倍体(Aneuploidy)特征除了发生在不同类型癌的特异基因突变，肿瘤可以以染色体获得

6、、缺失和或重排的面貌出现。肿瘤细胞为非整倍体的概念远在 1890 年就有人提出 【33】 ，并在 1914 年由 Boveri【34】 有详细的描述。在近年，非整倍体相对于肿瘤抑制基因和原癌基因特异性突变已经退居次要地位。实际上，目前仍然普遍认为非整倍体的发生是肿瘤发生中的一个后期事件而不是一个原因。这可能不完全正确。如致癌剂(如石棉和砷)开始的时候并不引起基因突变，然而它们却引起非整倍体损害的出现。另外，正常细胞暴露于化学致癌剂出现非整倍体要远早于它们表现出癌的特性。因此，获得或缺失整条染色体可以进而损坏调节正常细胞生长调控的检验和平衡机制。另一方面，许多正常细胞在体内外结合或引入合适的癌基

7、因后也能够变成肿瘤 【35，36】 。但这些细胞中仅仅部分能够发展为肿瘤，表明其他不确定因素可能参与了肿瘤的起始 【35，36】 。因此，可能存在这样一个结论：突变和染色体重排在肿瘤起始阶段具有重要作用，这两种机制参与了 CSCs 的形成。3. CSCs 和细胞融合 越来越多的证据表明不合适的细胞融合可能有助于肿瘤的形成。许多肿瘤细胞存在融合基因。肿瘤细胞间或肿瘤细胞和正常宿主细胞间的混乱融合能够使细胞产生新的特性，并且肿瘤细胞和正常成体细胞的融合产生比亲本更具恶性的细胞 【11，37，38】 。如增殖速度加快转移能力增强，耐受凋亡信号，包括化疗药物 【37】 。进一步的证据表明，肿瘤相关巨噬

8、细胞，通过他们高的融合基因潜能，可能在肿瘤细胞融合中具有重要作用 【11，38】 。假设，在高融合的环境下，突变吸引干细胞过来，参与了细胞融合的发生，这可能导致基因重新程序化并产生肿瘤干细胞。1911 年，Aichel 第一次提出肿瘤进展过程中的细胞融合理论：细胞融合引起染色体数量异常，进而引起肿瘤形成 【39】 。他认为非整倍体可能是肿瘤细胞3和侵入的白细胞发生融合产生的，认为额外的染色体和染色体数量上的异常导致转移表型的出现。几十年以后，Meckler 【44，45】 和 Goldenberg【33，34】 分别独立提出了相同的理论：转移是由肿瘤细胞和白细胞融合产生的。现在几个实验室报道融

9、合可以使细胞出现非整倍体和获得高转移潜能。1984 年 LaGarde 和Kerbel【44】 也做出总结：融合可能导致肿瘤细胞基因表达发生重要改变。这些过程导致了已经有显著缺失或获得恶性侵袭的肿瘤细胞亚群的进展，并因此可能是产生大规模基因型和表型变异的遗传机制。如果正常宿主细胞正好是一个淋巴造血干细胞，它可能对使细胞出现异常的转移特性，现在已经有相当多的证据支持这一观点。已知的侵袭和转移的途径很多，并且其过程也已经了解清楚 【33，45】 。然而，从非转移的细胞群体中产生的转移细胞仍然不能够被人们所理解。引起上皮中肿瘤或黑色素瘤细胞脱离邻近细胞采取迁移表型，穿过基底膜进入真皮层，进入血循环或

10、淋巴，经过渗出，在淋巴结、远隔组织或器官形成新的肿物的机制是什么？长期以来认为与宿主选择性压力作用下，不稳定的肿瘤基因组在不具有转移能力的原位肿瘤里产生了具有转移能力的细胞 【34，35】 。这一观点继续为设想的肿瘤进程提供了最好的框架。然而很难设想这个过程是如何通过持续、渐进的转移表型的突变产生的，这些突变表型要求在原位肿瘤激活或沉默大量基因 【46】 。解决这一问题的的方法是激活控制多条信号途径和起始前转移级联反应的管家调控基因。这一点已经在发育过程中 EMT 管家调节子的报告中证实，如 SNAIL、SLUG、分泌蛋白、酸、SPARC 和 TWIST 在侵袭和转移过程中有相似的作用。在这个

11、过程中，它们激活了与细胞粘附和转移相关的间质途径 【36，46】 。例如，在乳腺癌，TWIST 激活 microRNA-10b,而 microRNA-10b 又反过来引起前转移基因 RHOC 的表达，它增加了受影响细胞的转移潜能 【36】 。然而，诸如TWIST 等的管家调节子在肿瘤中自我上调的机制仍然是很清楚。目前认为，至少在某种条件下，这种情况是可以通过肿瘤细胞和 BMDCs 的融合产生。尽管从上皮到间质基因表达的过渡确实是侵袭和转移的特征，表达的基因经常与迁移的 BMDCs 相似，如巨噬细胞和其他髓系细胞。迁移的 BMDCs 和肿瘤细胞发生融合共同表达融合后的基因组为这种现象提供了可能的

12、解释 【36，48-50】 按照这一的观点，融合理论比以往提出的任何理论更接近于统一肿瘤进展的解释。融合代表了一种非突变机制，它可以解释与恶性相关的基因缺失表达模式。巨噬细胞-肿瘤细胞融合的研究已经阐明了在亲本和融合细胞的基因表达模式。在这种细胞，基因表达反应了髓系基因和肿瘤细胞基因的结合，这些都是以解除细胞分裂为背景的。实际上，许多与肿瘤进展相关的分子和特征是通过正常的髓系细胞表达的，如血管生成、移动、趋化和趋向性、免疫信号、基质解除和重塑、对低氧的耐受和对化疗药物的耐受 【48，49】 。肿瘤细胞发生融合可能对转移细胞的非整倍体和基因重排有作用 【47，51】 。进一步假设，肿瘤细胞-BM

13、DCs 融合可能CSCs 的来源 【52】 。毫无疑问，从动物和人肿瘤的研究表明，在体内这种融合是4转移的来源 【47-49】 。CSCs 的模型中，参与干细胞自我更新调节的基因似乎是重要的。几个实体瘤细胞异质性模型已经提出。一个模型认为肿瘤中的不同细胞能够增殖并形成新的肿瘤 【53】 。这个模型表明增殖的子细胞并不是必须表现出和亲本细胞相同的的表型。另一个模型表明仅 CSCs 有广泛的增殖和成瘤能力。这一过程提示了CSCs 群体自我更新的能力 【54】 。在肿瘤内的一些肿瘤细胞像正常干细胞一样具有分化的能力。这些肿瘤细胞表现出许多正常细胞特征，这一事实表明在这些细胞存在有限数量的突变。因此可

14、以提出这样的假设：在肿瘤起始的过程中仅有少量的突变就可以了。目前，有大量证据表明在肿瘤内仅有一小群细胞具有自我更新特征 【1，2】 。要是肿瘤起始只需要少量突变，那么，为什么细胞表现出广泛的染色体紊乱，而且这些在早期癌细胞中频繁发现？转 分化可能参与了融合细胞分裂的减少。融合细胞分裂减少，导致新的体细胞的产生。因此，由于转分化的存在，供体来源的二倍体细胞不能排除细胞融合事件的发生。B 细胞融合可以作为肿瘤干细胞产生的机制。体细胞和干细胞融合可能产生基因不稳定。另外，在突变的干细胞或体细胞间发生融合可能易于肿瘤干细胞的产生。突变可能发生在干细胞、体细胞和融合细胞。在从人髓母细胞瘤 【13】 和胶

15、质瘤 【16】 中分离的肿瘤起始细胞中染色体紊乱已经被观察到。有趣的是，这两个报道都描述了非整倍体的 CSCs 群体，而髓母细胞瘤和胶质瘤干细胞有不同的核型 【13，16】 ，包括不同的非整倍体癌干细胞群体的存在。这就产生一个明显的问题：肿瘤的非整倍体是如何来的？在许多肿瘤非整倍体的早期表现表明非整倍体的获得非常快。通常的观点是：一套关键突变影响控制基因组稳定性的分子，这些分子反过来导致非整倍体的出现。然而，有众多报道表明细胞可以通过细胞融合获得其他细胞的表型。例如，小鼠图2 细胞融合，潜在的细胞转分化机制。引自：Nature Reviews Cancer,2005.5,899-904)5的骨

16、髓细胞可以和胚胎干细胞发生融合并自发的采取受体细胞的表型，没有详细的遗传分析，可能被作为转分化或去分化的解释 【55】 。另外，体外神经干细胞和胚胎干细胞融合，融合细胞注射到鼠胚泡。融合细胞获得了组织特异性特征和宿主细胞的分化潜能 【56】 。许多融合细胞是非整倍体。然而，也不排除融合细胞经历减数分裂产生二倍体。因此，一个二倍体细胞也可能是一个融合细胞。由于 CSCs 显示出和正常干细胞惊人的相似性，因此，感觉上，正常干细胞代表了恶性转化的靶细胞。一个肿瘤起始的可改变模型是干细胞和经历了与癌发展相关的突变的细胞的融合。这种融合可能表达干细胞特征并可能表象大量的染色体缺失和非整倍体。它们也可能包含了独特的细胞幸存程序，这种程序可能与正常干细胞相似并促进了肿瘤的进展。因此，干细胞和体细胞融合，接受了一系列确定的突变打击，这可能解释染色体紊乱的存在，这些在肿瘤发育过程中产生【图 2】。 假定癌干细胞存在，那么就可能存在这种细胞，它们可以和体细胞融合并产生非整倍体，遗传不稳定的癌细胞。总之，正常细胞到癌细胞过程中的转分化事件可能发生在肿瘤发生的早期和