Nat Commun︱朱涛团队报道乳腺癌肿瘤干细胞调控铁死亡及转移的克隆化增殖新机制

撰文︱武明明

责编︱王思珍 

肿瘤干细胞具有自我更新、高度转移和治疗抵抗能力，其在肿瘤的恶性进展中发挥着关键作用。肿瘤干细胞和非肿瘤干细胞群体在肿瘤发展过程中维持着亚群间的动态平衡，每个亚群都可以重构出整个肿瘤细胞群体。人为富集出的肿瘤干细胞可以迅速分化形成非肿瘤干细胞，而富集的非肿瘤干细胞也可以缓慢的形成肿瘤干细胞。但维持这种平衡的机制目前还不是特别清楚。在之前的研究中，乳腺癌非肿瘤干细胞群体可以分泌IL6促进肿瘤干细胞群体的维持[1]。在胶质母细胞瘤中，非肿瘤干细胞可以分泌BDNF促进肿瘤干细胞的自我更新[2]。因此，非肿瘤干细胞可能会为肿瘤干细胞提供一种支持性的环境，富集的肿瘤干细胞由于缺失了这种支持性的环境，会快速分化。但是，目前尚不清楚肿瘤干细胞本身是否会自主性的调控作用。

肿瘤干细胞为什么会自主性的抑制其自身的干细胞特性，这一特征在肿瘤发生发展中的具体作用是什么？肿瘤转移是一个多步骤的过程。首先，原位肿瘤细胞发生去分化和EMT进程，侵袭进入血管或淋巴管。肿瘤细胞在血管中生存并转运到远端组织器官中，到达转移灶后，肿瘤细胞进入再分化和MET进程，促进转移灶的克隆化增殖。因此作者猜测肿瘤干细胞调控的自主性抑制作用是否和转移灶的再分化及克隆化增殖相关？

2022年3月16日，中国科学技术大学的朱涛团队与清华大学深圳国际研究生院的Peter E Lobie团队联合在Nature Communications上发表题为“Cancer Stem Cell Regulated Phenotypic Plasticity Protects Metastasized Cancer Cells from Ferroptosis”的研究论文，揭示了肿瘤干细胞调控的表型可塑性保护转移性肿瘤细胞免于铁死亡的新机制。

为了探究乳腺癌肿瘤干细胞是否可以调控细胞亚群的动态平衡，作者首先用ALDH标记的方法流式分选得到了ALDH阳性的肿瘤干细胞和ALDH阴性的非肿瘤干细胞，然后将分选得到的细胞与红色荧光蛋白RFP标记的T47D细胞进行混合共培养。经过2天共培养后，检测RFP标记的细胞群体的干细胞比例。结果发现，与肿瘤干细胞共培养可以显著抑制乳腺癌细胞的干细胞比例，而与非肿瘤干细胞共培养则对干细胞比例没有影响（图1 A）。为了验证这一现象是否是细胞接触依赖的，作者收集了肿瘤干细胞和非肿瘤干细胞的条件培养基培养T47D细胞。结果发现，肿瘤干细胞条件培养基同样可以抑制所培养细胞的干细胞比例（图1 B）。这表明肿瘤干细胞可以通过非接触依赖的形式抑制其周围群体的干细胞比例。为了在小鼠体内验证这一现象，作者将luciferase标记的肿瘤细胞与未标记的肿瘤干细胞或对照肿瘤细胞混合后注射进入小鼠乳腺脂肪垫。两周后，作者用小动物活体成像的方法检测luciferase标记的细胞群体的肿瘤起始能力。结果发现与肿瘤干细胞共移植同样可以抑制细胞的肿瘤起始能力（图1 C, D）。这表明乳腺癌肿瘤干细胞可以在体外及体内抑制肿瘤群体干细胞特性。作者对这一现象的机制进行了研究发现，Wnt/β-catenin信号通路受到了肿瘤干细胞分泌因子的抑制（图1 E）。通过分析高通量测序数据发现，DKK1在肿瘤干细胞中高表达（图1 F）。DKK1是一种分泌性蛋白，其可以抑制Wnt/β-catenin信号通路。进一步研究表明肿瘤干细胞正是通过分泌DKK1来抑制周围细胞的干细胞特异性的（图1 G）。

图1 乳腺癌肿瘤干细胞分泌DKK1抑制肿瘤群体干细胞特性

（图源：Mingming Wu et al., Nat Commun, 2022）

但是肿瘤干细胞为什么会自主性的抑制其自身的干细胞特性，这一特征在肿瘤发生发展中的具体作用是什么？作者接下来验证这一现象是否和转移灶的再分化及克隆化增殖相关。作者再次将luciferase标记的肿瘤细胞和未标记的肿瘤干细胞或对照细胞混合在一起，通过尾静脉的方式注射进小鼠体内，并应用小动物活体成像的方式检测luciferase标记的细胞群体的体内转移能力。结果发现肿瘤干细胞可以促进luciferase标记细胞群体的转移（图2 A, B）。进一步地，敲低DKK1的乳腺癌肿瘤干细胞无法促进luciferase标记细胞群体的转移（图2 B）。这说明乳腺癌肿瘤干细胞是通过分泌DKK1来促进肿瘤的转移。作者接下来在高转移性的MDA-MB-231细胞中敲低DKK1的表达，检测DKK1对乳腺癌转移的影响。结果发现，无论是在原位肿瘤模型还是尾静脉转移模型中，敲低DKK1均可抑制肺转移的发生（图2 C, D）。为了探寻这一现象的临床治疗意义，作者进一步在小鼠模型中检测DKK1的小分子抑制剂是否可以治疗乳腺癌的转移。在原位肿瘤模型中，两种DKK1抑制剂，WAY262611和Gallocyanine，均可抑制肿瘤的肺转移（图2 E）。在尾静脉转移模型中，WAY262611对肺转移有着大概50%的抑制效率，而Gallocyanine几乎完全抑制了肺转移的发生（图2 F）。这表明DKK1抑制剂可能作为一种潜在的的抑制乳腺癌转移的药物。

图2 乳腺癌肿瘤干细胞分泌DKK1促进肿瘤转移

（图源：Mingming Wu et al., Nat Commun, 2022）

为了进一步探究乳腺癌肿瘤干细胞分泌的DKK1促进转移灶克隆化增殖的机制，作者对肿瘤干细胞条件培养基所培养的乳腺癌细胞进行了高通量RNA测序，结果发现代谢相关通路和铁死亡通路在肿瘤干细胞条件培养基组相对富集（图3 A）。铁死亡是一种非凋亡的细胞死亡过程，与细胞的异常代谢及脂质过氧化相关。之前报道称肺转移灶是一个高ROS及高铁死亡的环境，而肿瘤干细胞又对铁死亡高度敏感[3]。因此，作者猜测DKK1促进转移灶处肿瘤干细胞的分化可能会促进转移灶抵御铁死亡的压力，从而促进转移灶的克隆化增殖。为了验证这一猜想，作者进行实验发现，肿瘤干细胞条件培养基或DKK1重组蛋白均能促进乳腺癌细胞对铁死亡的抵抗（图3 B, C）。因此，肿瘤干细胞分泌DKK1可以促进肿瘤细胞对铁死亡的抵抗。在小鼠体内，当敲低DKK1可以抑制肿瘤转移时，同时用铁死亡保护剂Liproxstatin-1可以逆转这一抑制作用（图3 D）。这说明DKK1是通过调控铁死亡来调控肿瘤转移的。进一步研究表明，DKK1抑制剂联合铁死亡诱导剂治疗可以完全阻断肿瘤转移的发生（图3 E）。机制研究表明，乳腺癌干细胞分泌的DKK1可以上调SLC7A11的表达（图3 F）。SLC7A11是半胱氨酸-谷氨酸转运系统的重要组分，在铁死亡过程中发挥着关键性作用[4]。DKK1可以抑制Wnt/β-catenin下游的STAT3信号通路，而STAT3信号通路可以抑制SLC7A11的表达[5]。在此，DKK1可以通过抑制STAT3信号通促进SLC7A11的表达（图3 G）。因此，乳腺癌肿瘤干细胞分泌DKK1促进SLC7A11的表达，从而促进转移灶对铁死亡的抵抗，促进转移灶的克隆化增殖。

图3 乳腺癌肿瘤干细胞分泌DKK1促进铁死亡抵抗

（图源：Mingming Wu et al., Nat Commun, 2022）

图4 文章总结图：肿瘤干细胞调控的表型可塑性保护转移性肿瘤细胞免于铁死的新机制

（图源：Mingming Wu et al., Nat Commun, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究首次发现了乳腺癌肿瘤干细胞具有自主性的抑制作用，并鉴定出肿瘤干细胞通过分泌DKK1抑制肿瘤群体的干细胞特性。该研究首次证实了肿瘤干细胞调控的抑制作用可以促进转移灶细胞的分化和转移灶的克隆化增殖，并阐明DKK1通过调控SLC7A11的表达来促进转移灶的铁死亡抵抗。同时，该研究表明DKK1的小分子抑制剂可以极为有效的抑制乳腺癌的转移，可能作为一种潜在的新型乳腺癌治疗策略（图4）。

当然，该研究还有一些待解决的问题，有待于未来工作的进一步研究。比如，该研究只用了乳腺癌作为主要研究模型，DKK1抑制剂在其他肿瘤中的应用还有有待于进一步研究。虽然该研究表明DKK1抑制剂在小鼠体内没有明显毒副作用，但是其在人体中的安全性及有效性还不清楚，从该研究到临床转化还有漫长的路程。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29018-9

中国科学技术大学生命医学部武明明和张肖为本文的共同第一作者。中国科学技术大学生命医学部朱涛教授、清华深圳国际研究生院Peter E. Lobie院士为本文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委和深圳湾实验室等基金的资助。朱涛教授团队长期从事于乳腺癌治疗抗性及转移相关研究，相关成果以通讯作者发表在Nature Nanotechnology、Cell Research、Nature Communications和Cancer Research等学术期刊。

第一作者武明明（左6），第一作者张肖（左5），通讯作者朱涛（左7）

（照片提供自：中科大朱涛实验室）

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参考文献（上下滑动查看）  

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[5] K. Linher-Melville, S. Haftchenary, P. Gunning, G. Singh, Signal transducer and activator of transcription 3 and 5 regulate system Xc- and redox balance in human breast cancer cells, Mol Cell Biochem, 405 (2015) 205-221.

制版︱王思珍

本文完