Pre-existing stem cell heterogeneity dictates clonal responses to the acquisition of leukemic driver mutations：单细胞追踪揭示白血病发生的新机制

为探究癌细胞表型异质性的来源，巴塞罗那生物医学研究所的研究人员开展对白血病驱动突变的研究，发现干细胞的初始异质性影响癌症表型，这有助于理解癌症演变。

　　

研究背景

在癌症的世界里，即使是携带相同基因突变的患者，其癌细胞的表现也千差万别。就像同一种癌症，有的患者治疗效果很好，有的却很差，这背后的原因一直困扰着科学家们。长期以来，研究人员推测癌细胞的表型异质性（phenotypic heterogeneity）可能源于发生驱动突变的细胞类型，也就是 “细胞起源（cell-of-origin）” 模型。然而，传统的研究方法就像戴着一副模糊的眼镜，无法清晰地分辨干细胞和祖细胞中克隆异质性的亚群。特别是对于造血干细胞（hematopoietic stem cells，HSCs），尽管它处于造血层级的顶端，但自身在状态和功能上也存在着偏差，而且由于缺乏高分辨率的研究技术，干细胞异质性在肿瘤发生中的作用依旧迷雾重重。

为了揭开这层面纱，巴塞罗那生物医学研究所（Institute for Research in Biomedicine，IRB Barcelona）的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在《Cell Stem Cell》杂志上，为我们理解癌症的发生发展提供了新的视角。

技术方法

研究人员开发了一种名为 STRACK（simultaneous tracking of recombinase activation and clonal kinetics）的技术，即重组酶激活和克隆动力学同步追踪技术。该技术结合了长期体外基于聚乙烯醇（PVA）的扩增培养、携带不同 Cre/Flp 诱导性白血病突变的小鼠模型、第二代谱系和 RNA 恢复（LARRY）条形码文库以及姐妹细胞克隆分裂策略。通过对小鼠造血干细胞进行条形码标记，研究人员能够在单细胞水平上追踪克隆动态和基因表达，比较携带和不携带癌症驱动突变的克隆，从而深入研究干细胞状态与癌症表型之间的关系 。

研究结果

1. 造血干细胞体外扩增培养中的状态 - 命运分析：研究人员通过单细胞谱系追踪和 RNA 分析，对数千个 HSC 克隆进行了长达 27 天的研究。他们发现，体外扩增培养的 HSCs 既能分化又能自我更新，同时保持了克隆的命运和状态异质性。高适应性（fitness）的 HSC 克隆表达更多与自我更新和 HSC 身份相关的标记，而低适应性的克隆则更倾向于快速分化，为成熟后代做出更多贡献12。
2. Dnmt3a^R878H突变的姐妹细胞分析和状态 - 命运景观：利用携带 Dnmt3a^R878H突变的小鼠模型，研究发现该突变对不同的干细胞克隆有不同影响。虽然它对高适应性克隆影响较小，但能显著重编程低适应性 HSCs 的命运和状态，使其在体外长期培养中存活和扩增。这一过程部分是通过保护激活启动的 HSCs 免受炎症诱导的耗竭来实现的34。
3. Flt3-Cre 模型再现 Dnmt3a^R878H在低适应性 HSCs 中的突变：研究人员使用 Flt3-Cre tdTom 模型验证了 Dnmt3a^R878H突变对低适应性 HSCs 的影响。他们发现，Flt3-Cre tdTom⁺ HSCs 转录上类似于低适应性 HSCs，携带 Dnmt3a^R878H突变的该细胞在体内外均显示出增强的干性和竞争适应性56。
4. Npm1c 突变导致的恶性表型差异：研究 Npm1c 突变时，发现该突变在竞争性体外扩增培养中导致细胞显著但异质性的扩张，并使细胞富集在类似 HSC 的状态。而且，Npm1c 突变的克隆反应差异很大，低适应性 HSCs 在突变后产生更原始的恶性细胞，这与之前的认知相反78。
5. 体内实验验证 Npm1c 克隆的表型差异：通过体内实验，研究人员发现 Flt3-Cre;LSL-TdTomato 模型可用于研究 Npm1c 突变在不同 HSC 状态下的后果。tdTom⁺ HSCs 来源的 Npm1c 恶性细胞表现出更原始的表型，且 Hox/Pbx/Meis 信号通路的异常激活介导了 HSC 的扩张910。
6. Dnmt3a-Npm1 顺序突变揭示协同作用和表型转变：研究约 60% 的 NPM1 白血病中 Dnmt3a 突变背景对 Npm1c 驱动的转化的影响时，发现 Dnmt3a/Npm1c 双突变培养物中维持 HSCs 的克隆比例最高，显示出明显的协同效应，且双突变细胞表现出独特的基因表达模式1112。

研究结论与讨论

这项研究表明，干细胞的初始异质性是癌症表型异质性的重要来源。即使是相同的癌症驱动突变，由于干细胞的初始状态不同，也会导致截然不同的癌症表型。STRACK 技术为研究癌症的起源和发展提供了有力的工具，推动了从传统的 “细胞起源” 模型向更精细的 “克隆起源” 范式的转变。

此外，研究还发现不同的癌症驱动突变对干细胞命运的影响差异很大。Dnmt3a^R878H突变对低适应性 HSCs 有显著影响，而 Npm1c 突变则使低适应性 HSCs 产生更原始的恶性细胞。这些发现有助于解释为什么不同患者对癌症治疗的反应不同，为个性化治疗提供了理论基础。

不过，研究也存在一些局限性。目前的研究是在小鼠模型上进行的，未来需要在人类原代 HSCs 中进行验证。而且，研究对 “高适应性” 和 “低适应性” 的定义不够精确，且未充分考虑干细胞微环境的作用。尽管如此，该研究为癌症研究开辟了新的道路，有望推动精准医学的发展，帮助我们更好地理解和治疗癌症。