Nature Genetics：癌细胞重编程驱动wnt依赖性结直肠癌的表型可塑性

由YAP和AP-1驱动的癌胎（OnF）重编程在wnt依赖性结直肠癌（CRC）中诱导表型可塑性和治疗耐药性。靶向OnF状态联合化疗可显著减弱小鼠模型和患者源性CRC类肿瘤的肿瘤生长。

　　

肿瘤胚胎重编程驱动 WNT 依赖型结直肠癌表型可塑性的研究解读

来自西奈山伊坎医学院（Icahn School of Medicine at Mount Sinai）的研究人员在《Nature Genetics》期刊上发表了题为 “Oncofetal reprogramming drives phenotypic plasticity in WNT-dependent colorectal cancer” 的论文。该研究揭示了结直肠癌（CRC）中肿瘤细胞状态的演变及潜在的表观遗传机制，为提高当前 CRC 治疗的有效性和持久性提供了关键的理论基础，对癌症治疗领域意义重大。

一、研究背景

CRC 是全球范围内癌症相关死亡的第二大主要原因。在 WNT 驱动的 CRC 治疗中，传统观点认为 LGR5 + 癌症干细胞（CSCs）的恶性特征是治疗失败的原因，但近期研究表明，选择性清除该细胞群不足以实现肿瘤的持久消退。同时，肿瘤的表型可塑性作为肿瘤逃避靶向治疗的机制，在多种癌症中受到越来越多的关注，但在 CRC 中，肿瘤的进化和适应性究竟是由细胞可塑性、不同细胞群体，还是两者共同驱动，仍不明确。因此，深入了解 CRC 中肿瘤细胞状态的演变及其潜在机制，对于优化治疗策略、提高患者生存率至关重要。

二、研究材料与方法

1. 小鼠模型构建：通过基因工程技术，构建了模拟 WNT 驱动的 CRC 临床进展的同基因小鼠类器官模型，如利用 Lgr5 驱动的 CreERT2 诱导肠道干细胞发生常见的驱动突变，产生 Apc 突变的癌前病变类器官（Apcnull）和晚期恶性肿瘤类器官（Apcaif::KrasG12D::Smad4mail:Trp53，AKSP） 。

2. 细胞实验：对正常野生型（WT）肠道类器官、癌前 Apcnull 类器官和晚期恶性 AKSP 肿瘤类器官进行单细胞转录组分析，以探究细胞状态的动态变化。通过 RNA 干扰、过表达实验，研究 YAP、AP-1 等关键分子在肿瘤胚胎（OnF）重编程中的作用。利用染色质可及性分析技术（ATAC-seq），研究不同肿瘤阶段染色质景观的变化，以及转录因子结合位点的动态改变。

3. 体内实验：将不同的 VAKSP 报告细胞系移植到免疫缺陷小鼠的侧腹，构建皮下肿瘤模型，研究靶向 OnF 状态和 LGR5 + 状态对肿瘤生长的影响。用 FOLFIRI 化疗方案、白喉毒素（DT）等处理小鼠肿瘤模型，观察肿瘤细胞状态的变化和肿瘤生长情况。

4. 数据分析：使用多种生物信息学工具和统计方法对实验数据进行处理和分析，包括基因表达差异分析、基因集富集分析（GSEA）、转录因子足迹分析等，以挖掘数据背后的生物学意义。

三、研究结果

（一）CRC 进化过程中的动态表型连续体

研究人员构建的小鼠类器官模型显示，在 CRC 发展过程中，肿瘤细胞出现了肿瘤特异性细胞簇，其中部分细胞重新表达胎儿肠道祖细胞的标记，研究人员将这一群体定义为 OnF 细胞，并确定了一个 51 - 基因的特征标记用于追踪其动态变化。在肿瘤发生过程中，细胞组成发生显著变化，肠上皮细胞数量减少，表明肿瘤类器官存在分化阻滞。同时，虽然 APC 功能缺失会引发 LGR5 + 干细胞的爆发，但部分突变细胞会转变为 OnF 状态。随着肿瘤进展到恶性阶段，经典的 LGR5 + 干细胞数量下降，而 OnF 细胞显著扩增。此外，通过对人类 CRC 样本的分析，包括 TCGA/COAD 数据集、Broad 和 SMC/KUL3 队列等，证实了 OnF 状态在 CRC 中的普遍存在，且与肿瘤的转移相关。并且，OnF 评分与谱系可塑性显著相关，表明 OnF 重编程赋予肿瘤细胞更强的可塑性，使其获得多区域的化生身份，导致谱系不忠，这为肿瘤的进展和耐药提供了解释。

（二）YAP 和 AP-1 在驱动表型可塑性中的不同作用

通过 ATAC-seq 分析染色质可及性景观，研究人员发现 CRC 恶性进展过程中染色质景观发生显著变化。转录因子足迹分析表明，在肿瘤发生过程中，一些参与建立肠道细胞尾侧身份和成熟的转录因子（如 CDX 和 HNF 家族成员）活性逐渐降低，同时多个配体调节的核受体（如 PPAR、RXR 等）活性也显著下降。相反，肿瘤类器官特异性事件主要由 TCF/LEF、TEADs 和 AP-1 三个转录因子家族驱动。进一步研究发现，YAP 和 AP-1 在 OnF 重编程中起关键作用。敲低 YAP 或 FOS（AP-1 的一个亚基）会阻碍 OnF 重编程，而使用显性负性形式的 FOS 更强地抑制 AP-1，可完全抑制 OnF 程序。单 细胞多组学分析显示，AP-1 活性与 OnF 状态和谱系不忠高度相关，而 TEADs 活性则呈现出过渡状态的特征。功能验证实验表明，在 WT 类器官中顺序表达组成型激活的 YAP 和 FOS，可诱导 OnF 重编程并触发谱系不忠。这些结果表明，YAP 和 AP-1 协同作用驱动肿瘤起始阶段的 OnF 重编程，而 AP-1 的进一步激活促进了 CRC 进展过程中的表型异质性和谱系可塑性。

（三）RXR 是早期 OnF 重编程的守门员

分析 TCGA/COAD 数据集和小鼠 CRC 模型发现，RXR 在 CRC 肿瘤中表达下调，且在 APC 功能缺失后早期就出现 Rxra 的下调，同时其靶位点及合作伙伴的可及性降低，表明 RXR 在 CRC 中位于 APC 下游。用 RXR 拮抗剂 HX531 处理 WT 类器官，其形态和转录组与人类 CRC 和小鼠肿瘤类器官相似，且 OnF 重编程的特征显著富集。与 APC 缺失相比，RXR 抑制诱导 OnF 基因的增加更显著，且不会导致 LGR5 + 干细胞的扩增。ATAC-seq 和转录因子足迹分析显示，RXR 抑制模拟了 APC 功能缺失诱导的大部分转录因子活性变化，同时显著激活 OnF 转录因子 AP-1 和 TEADs，但不激活 WNT 相关转录因子，这表明 RXR 抑制和 APC 缺失对 WNT 信号通路的调节存在差异。阻断 APC - RXR 调节轴可损害肿瘤起始阶段的 OnF 重编程，而在晚期 AKSP 肿瘤类器官中扰动 RXR 对 OnF 程序无显著影响。此外，短暂暴露于 RXRi 的肠道类器官在抑制剂去除后，仍能在较长时间内维持 OnF 重编程的特征，且其持续可及的染色质区域富集 YAP 和 AP-1 结合基序。这些结果表明，RXR 是 OnF 重编程的守门员，其早期失调可使细胞表观遗传重编程为 OnF 状态，而 YAP 和 AP-1 的激活在肿瘤进展中维持 OnF 状态。

（四）OnF 状态在 CRC 中的治疗相关性

研究人员开发了一种新的遗传追踪工具，构建了包含 OnF 状态相关转录因子顺式调控元件的合成基因座控制区域（sLCR），并与增强型绿色荧光蛋白（eGFP）融合，用于可视化和追踪 OnF 细胞。通过该工具发现，用 FOLFIRI 处理 VAKSP 肿瘤类器官后，混合细胞状态显著富集，而具有活跃 OnF 程序的细胞对治疗相对耐药，LGR5 + 细胞则明显减少。对患者来源的类器官（PDOs）研究发现，FOLFIRI 处理后 OnF 基因表达增加，且 colo13 细胞系中 OnF 标记物上调更为明显，同时经典干细胞标记物和 WNT 靶基因显著减少，AP-1 靶基因激活更强，表明 AP-1 在驱动表型可塑性和治疗耐药中起关键作用。研究还发现，单独靶向 LGR5 + 细胞或 OnF 细胞只能暂时抑制肿瘤生长，而同时靶向这两种细胞状态可导致肿瘤显著缩小和延迟复发。此外，联合 FOLFIRI 和 DT 治疗 VAKSPOnF-DTR 肿瘤类器官，可实现肿瘤的持久消退。同时抑制 YAP - TEAD 和 AP-1 的上游调节因子 KRAS，与 FOLFIRI 联合使用具有高度协同作用，进一步证明了 OnF 程序在 CRC 治疗中的重要性。

四、研究结论与讨论

该研究挑战了传统观点，揭示了经典的 LGR5 + 干细胞和非经典的 OnF 状态并非截然不同的实体，而是表型连续体的两个极端。这种 SC - OnF 谱在 CRC 患者中普遍存在，与分子特征无关。研究还确定了 YAP、AP-1 和 RXR 在 OnF 重编程和 CRC 进展中的关键作用，提出早期 OnF 重编程可能是癌症表型可塑性的普遍机制，RXR 作为 OnF 重编程的关键调节因子，可能与他汀类药物在高脂血症患者中的保护作用相关。此外，研究发现 OnF 程序是 CRC 中耐药状态的关键驱动因素，靶向 OnF 程序可增强当前标准治疗的效果和持久性。然而，研究也存在局限性，虽然揭示了肿瘤细胞内在的 OnF 重编程机制，但肿瘤微环境与肿瘤细胞之间的相互作用在 OnF 重编程中的作用尚未明确。未来的研究需要进一步探究肿瘤微环境如何影响 OnF 重编程，以及开发更有效的靶向 OnF 程序的治疗策略，以改善 CRC 患者的预后。

综上所述，该研究为理解 CRC 的发病机制和治疗耐药提供了新的视角，为开发更有效的治疗方法奠定了重要基础，有望推动 CRC 治疗领域的发展，为患者带来新的希望。