Cancer Discovery发表顶级综述：Hallmarks of Cancer：New Dimensions

摘要

介绍

癌症标志被认为是人类细胞从正常状态进入肿瘤生长状态时获得的一组功能能力，更具体地说，这些能力对于它们形成恶性肿瘤的能力至关重要。在这些文章中 ( 1, 2 ），鲍勃·温伯格和我列举了我们想象中的共同点，这些共同点在细胞表型水平上将所有类型的癌细胞联合起来。目的是提供一个概念支架，使不同人类肿瘤类型和变异的复杂表型能够根据一组通用的基础细胞参数合理化。最初，我们设想六种不同标志性功能的互补参与，后来将这个数字扩大到八种。这一表述受到以下认识的影响：人类癌症的发展是多步骤过程的产物，并且这些功能能力的获得可能以某种方式映射到肿瘤发病机制的可区分步骤。当然，跨越多种肿瘤类型和日益增多的亚型的恶性发病机制的多样性包括各种畸变（以及因此获得的能力和特征），这些畸变是特定肿瘤发生途径中必然规避的组织特异性屏障的结果。虽然我们认识到这种专门的机制可以发挥作用，但我们将标志指定限制为在人类癌症谱系中具有广泛参与性的参数。我们将标志指定限制为在人类癌症谱系中具有广泛参与性的参数。我们将标志指定限制为在人类癌症谱系中具有广泛参与性的参数。

目前的八个标志包括（ 图1 ，左）维持增殖信号传导、逃避生长抑制剂、抵抗细胞死亡、实现复制永生、诱导/进入脉管系统、激活侵袭和转移、重新编程细胞代谢和避免免疫破坏的获得能力。 。在这个概念的最新阐述中（ 2 ），放松细胞代谢管制和避免免疫破坏被划分为“新兴标志”，但十一年后的现在，很明显，它们与最初的六个标志一样，可以被视为核心标志。癌症的标志，并且被包含在当前的描述中（ 图1 ，左）。

图 1.

本质上：癌症标志，大约 2022 年。左图，癌症标志目前体现了八项标志性功能和两项有利特征。除了 2000 年提出的六项获得能力——癌症标志 (1) 之外，2011 年提出的两个临时“新兴标志”(2)——细胞能量学（现在更广泛地描述为“重新编程细胞代谢”）和“避免癌症”免疫破坏”——已被充分验证为核心集的一部分。鉴于人们越来越认识到肿瘤可以通过开启血管生成或通过选择正常组织血管来充分血管化（ 128 ），这一标志也被更广泛地定义为主要通过侵袭和转移诱导或以其他方式进入支持肿瘤生长的脉管系统的能力。 2011 年的续集进一步将“促进肿瘤的炎症”作为第二个启用特征，补充了总体的“基因组不稳定和突变”，它们从根本上共同参与了激活肿瘤生长和进展所需的八个标志（功能）功能。是的，这篇综述纳入了其他拟议的新兴标志和启用特征，包括“解锁表型可塑性”、“非突变表观遗传重编程”、“多态微生物组”和“衰老细胞”。癌症图形的特征改编自 Hanahan 和 Weinberg (2)。

正如我们当时指出的那样，这些标志性特征本身无法解决癌症发病机制的复杂性，即允许进化的肿瘤前细胞在癌症发生过程中发展和获得这些异常表型能力的精确分子和细胞机制。肿瘤的发生和恶性进展。因此，我们在讨论中添加了另一个概念，被描述为“使能特征”，即肿瘤异常状况的后果，为癌细胞和肿瘤提供了采用这些功能特征的手段。因此，使能特征反映了获得标志的分子和细胞机制，而不是上述八种能力本身。这两个促成过程是基因组不稳定和促肿瘤炎症。

我们进一步认识到，本文定义的肿瘤微环境（TME）由异质且相互作用的癌细胞和癌症干细胞群体以及多种募集的基质细胞类型（转化的实质和相关基质）组成，现在已得到广泛认可在肿瘤发生和恶性进展中发挥着不可或缺的作用。

鉴于人们对这些表述的持续兴趣以及我们鼓励持续讨论和完善标志计划的持久意图，考虑一个经常提出的问题是适当的：这个概念模型是否有其他特征可以纳入，尊重确保需要它们广泛适用于所有人类癌症？因此，我提出了几个前瞻性的新标志和启用特征，这些标志和特征可能在适当的时候被纳入癌症概念化标志的核心组成部分。这些参数是“解锁表型可塑性”、 “ 非突变表观遗传重编程”、“多态性微生物群”和“衰老细胞”（ 图 1） ， 正确的）。重要的是，支持这些命题的例子是说明性的，但绝不是全面的，因为有越来越多且越来越有说服力的已发表证据支持每个小插图。

解锁表型可塑性

在器官发生过程中，细胞的发育、决定和组织成组织以承担稳态功能，伴随着终末分化，因此祖细胞（有时是不可逆转的）在这些过程达到顶峰时停止生长。因此，细胞分化的最终结果在大多数情况下是抗增殖的，并且对瘤形成所必需的持续增殖构成明显的障碍。越来越多的证据表明，释放通常受限的表型可塑性能力以逃避或摆脱终末分化状态是癌症发病机制的关键组成部分 ( 3 )。这种可塑性可以有多种表现形式（ 图 2 ）。因此，源自正常细胞的新生癌细胞已经沿着接近或呈现完全分化状态的途径前进，可以通过去分化回到祖细胞样状态来逆转其进程。相反，由祖细胞产生的肿瘤细胞注定要遵循导致终末期分化的途径，可能会短路该过程，从而将扩张的癌细胞维持在部分分化的祖细胞样状态。或者，转分化也可能发生，其中最初进入一种分化途径的细胞转变为完全不同的发育程序，从而获得并非由其正常细胞来源预先决定的组织特异性特征。以下例子支持不同形式的细胞可塑性的论点，综合起来，就构成了功能上独特的标志性能力。

图 2.

解锁表型可塑性。左图，表型可塑性可以说是一种后天获得的标志性能力，它能够破坏细胞分化的各种能力，包括（i）从成熟细胞状态去分化到祖细胞状态，（ii）阻止祖细胞状态的（终末）分化，以及（iii）转分化为不同的细胞血统。右图描绘了癌症发病机制中三种重要的分化破坏模式。通过以各种方式破坏祖细胞在发育谱系中向成熟细胞的正常分化，促进了此类途径中起源细胞产生的肿瘤发生和恶性进展。癌症图形的特征改编自 Hanahan 和 Weinberg (2)。

去分化

结肠癌发生例证了分化被破坏，因为初期癌细胞有必要逃离终末分化和脱落的传送带，这原则上可以通过尚未不可逆转的终末分化的结肠上皮细胞的去分化或通过阻止分化来发生产生这些分化细胞的隐窝中的祖细胞/干细胞。分化细胞和干细胞都被认为是结肠癌的起源细胞（ 4-6 ）。两种发育转录因子（TF），即同源盒蛋白 HOXA5 和 SMAD4，后者参与 BMP 信号传递，在分化的结肠上皮细胞中高度表达，并且通常在晚期结肠癌中丢失，晚期结肠癌特征性地表达干细胞和祖细胞标记物。小鼠模型中的功能扰动表明，结肠癌细胞中 HOXA5 的强制表达可恢复分化标志物、抑制干细胞表型并损害侵袭和转移，为其特征性下调提供了理论依据 ( 7, 8 ）。相比之下，SMAD4 都强制分化，从而抑制由致癌 WNT 信号传导驱动的增殖，这通过 SMAD4 表达的工程缺失揭示出来，为其表达缺失提供了解释，从而能够实现去分化，并随后实现 WNT 驱动的过度增殖（ 5 ）。值得注意的是，这两个“分化抑制因子”的丧失以及随之而来的去分化与其他标志能力的获得有关，其他标志诱导调节器也是如此，这使得该临时标志作为可分离和独立的严格定义变得复杂。

另一组证据涉及黑色素细胞分化的 MITF 主调节因子的表达受到抑制，这显然与恶性黑色素瘤侵袭性形式的发生有关。这种发育性 TF 的丧失与神经嵴祖基因的重新激活以及表征完全分化的黑素细胞的基因的下调有关。神经嵴基因的重新出现表明这些细胞恢复到黑素细胞发育产生的祖细胞状态。此外， BRAF 诱导的黑色素瘤的谱系追踪研究 将成熟的色素黑色素细胞确定为起源细胞，在肿瘤发生过程中经历去分化 ( 9 )。值得注意的是，突变体 BRAF 癌基因存在于超过一半的皮肤黑色素瘤中，它会诱导过度增殖，因此在机制上与 MITF 下调引起的后续去分化是可分离的。另一项研究在功能上涉及发育性 TF ATF2 的上调，其在小鼠和人类黑色素瘤中的特征性表达间接抑制 MITF1 ，伴随着因此去分化的黑色素瘤细胞的恶性进展 ( 10 )。相反，在黑色素瘤中表达 不能抑制 MITF的 ATF2 突变形式 会导致分化良好的黑色素瘤 ( 11 )。

此外，最近的一项研究 ( 12 ) 将谱系去分化与从胰岛细胞瘤形成到易转移癌的恶性进展相关。这些神经内分泌细胞和衍生肿瘤源自一种发育谱系，该谱系不同于产生大量相邻细胞的谱系，这些细胞形成外分泌和胰腺以及由此产生的导管腺癌。值得注意的是，胰岛祖细胞向成熟 β 细胞的多步分化途径已得到彻底表征（ 13 ）。比较转录组分析表明，腺瘤样胰岛肿瘤与未成熟但分化的产生胰岛素的 β 细胞最相似，而侵袭性癌与胚胎胰岛细胞前体最相似。低分化癌的进展涉及去分化的第一步，与分化良好的腺瘤相比，去分化最初并不涉及增殖增加或细胞凋亡减少，而这两种情况都发生得较晚。因此，去分化的离散步骤不是由持续增殖和抗凋亡的标志性状的可观察到的改变驱动的。相反，之前与指定胰岛祖细胞状态有关的 miRNA 的上调，在 β 细胞的终末分化过程中下调，已被证明可以协调在恶性进展过程中观察到的去分化（ 12 ）。

分化受阻

虽然上述例子说明了抑制分化因子表达如何通过使更多分化良好的细胞去分化为祖细胞来促进肿瘤发生，但在其他情况下，不完全分化的祖细胞可能会遭受调节变化，从而主动阻止它们继续进入完全分化的、通常是非增殖状态。

长期以来，急性早幼粒细胞白血病 (APL) 已被证明是由染色体易位引起的，该染色体易位将 PML 基因座与编码视黄酸 α 核受体 (RARα) 的基因融合。携带这种易位的骨髓祖细胞显然无法继续其通常的终末分化为粒细胞，导致细胞陷入增殖的早幼粒细胞祖细胞阶段（ 14 ）。该方案的概念验证来自使用 RARα 配体视黄酸治疗培养的 APL 细胞、这种疾病的小鼠模型以及患病患者；这种治疗方法导致肿瘤性 APL 细胞分化为表面上成熟的非增殖性粒细胞，从而阻止其持续增殖扩张。 14-16 ）。

这个主题的一个变体涉及另一种形式的急性髓性白血病，这种白血病携带 t(8;21) 易位，产生 AML1-ETO 融合蛋白。这种蛋白质本身可以转化骨髓祖细胞，至少部分是通过阻断它们的分化。对小鼠模型和使用染色质修饰组蛋白脱乙酰酶 (HDAC) 药物抑制剂的患者进行治疗干预，会导致髓系白血病细胞重新开始分化为具有更成熟髓系细胞形态的细胞。伴随这种反应的是增殖能力的降低，从而损害这种白血病的进展 ( 17, 18 )。

第三个例子是黑色素瘤，涉及发育性转录因子 SOX10 ，它通常在黑色素细胞分化过程中下调。在 BRAF 诱导的黑色素瘤斑马鱼模型中进行的功能获得和功能丧失研究 表明， SOX10 的异常维持表达会阻止神经祖细胞分化为黑色素细胞，从而导致 BRAF 驱动的黑色素瘤形成 ( 19 )。

分化调节剂的其他例子包括代谢物 α-酮戊二酸 (αKG)，它是许多染色质修饰酶必需的辅助因子，显然与刺激某些分化的细胞状态有关。在胰腺癌中，肿瘤抑制因子 p53 刺激 αKG 的产生并维持分化良好的细胞状态，而 p53 功能的典型丧失会导致 αKG 水平降低以及随后与恶性进展相关的去分化 ( 20 )。在一种肝癌中，异柠檬酸脱氢酶基因（ IDH1/2 ）导致的结果不是产生分化诱导的 αKG，而是产生一种相关的“致癌代谢物”D-2-羟基戊二酸 (D2HG)，它已被证明可以通过 D2HG 介导的主调节因子的抑制来阻止肝细胞从肝祖细胞分化。肝细胞分化和静止，HNF4a。 D2HG 介导的 HNF4a 功能抑制引起肝脏中肝细胞祖细胞的增殖性扩张，这些细胞在随后 KRAS 癌基因突变激活后变得容易发生致癌转化，从而驱动恶性进展为肝胆管癌 ( 21 ）。突变体 IDH1/2 及其致癌代谢物 D2HG 也在多种骨髓瘤和其他实体瘤类型中发挥作用，其中 D2HG 抑制组蛋白和 DNA 甲基化事件所必需的 αKG 依赖性双加氧酶，这些事件在发育谱系分化过程中介导染色质结构的改变，从而冻结早期细胞。处于祖细胞状态的癌细胞 ( 22, 23 )。

另一个相关概念是“规避分化”，其中部分或未分化的祖细胞/干细胞退出细胞周期并进入休眠状态，驻留在保护性生态位中，具有重新启动增殖扩张的潜力（ 24 ），尽管仍然存在选择压力以一种或另一种方式破坏它们的程序化分化。

转分化

病理学家长期以来以组织化生的形式认识到转分化的概念，其中特定分化表型的细胞显着改变其形态，变得可以清楚地识别为另一种组织的元素，其中一个突出的例子是巴雷特食管，其中慢性炎症食管复层鳞状上皮的分化诱导转分化为肠道特征的简单柱状上皮，从而促进随后的发育腺癌，而不是预期由鳞状上皮产生的鳞状细胞癌（ 3 ）。现在，分子决定因素正在揭示各种癌症的转分化机制，无论是对于肉眼组织化生明显的情况，还是对于其他癌症相当微妙的情况，如以下示例所示。

转分化作为肿瘤发生中的一个离散事件的一个有启发性的案例涉及胰腺导管腺癌（PDAC），其中涉及的起源细胞之一，胰腺腺泡细胞，可以在肿瘤发展的起始过程中转分化为导管细胞表型。两个 TF——PTF1a 和 MIST1——通过它们在自我维持、“前馈”调节环路中的表达来控制分化的胰腺腺泡细胞状态的规范和维持 ( 25 )。在人和小鼠 PDAC 的肿瘤发展和恶性进展过程中，这两种 TF 经常被下调。对小鼠和培养的人 PDAC 细胞的功能遗传学研究表明，实验强制表达 PTF1a 损害 KRAS 诱导的转分化和增殖，并且还可以迫使已发生肿瘤的细胞再分化为静止的腺泡细胞表型 ( 26 )。相反，抑制 PTF1a 表达会引发腺泡到导管的化生，即转分化，从而使导管样细胞对致癌 KRAS 转化敏感，加速侵袭性 PDAC 的后续发展 ( 27 )。同样， MIST1 在 KRAS中的强制表达 表达胰腺还会阻止转分化并损害胰腺肿瘤发生的启动，否则会通过癌前导管样 (PanIN) 病变的形成而促进，而 MIST1的基因缺失则增强其形成和 KRAS 驱动的肿瘤进展 的启动( 28 )。肿瘤发生期间 PTF1 或 MIST1 表达的丧失与另一种发育调节 TF SOX9 的表达升高相关， SOX9 通常在导管细胞的规范中发挥作用 ( 27, 28 )。强制上调 SOX9 ，无需下调 PTF1a 和 MIST1 还被证明可以刺激腺泡细胞转分化为对 KRAS 诱导的肿瘤敏感的导管细胞表型 ( 29 )，这表明 SOX9 是人类 PDAC 发生过程中其下调的关键功能效应子。因此，调节胰腺分化的三个转录因子可以进行不同的改变，以诱导转分化状态，在 KRAS 突变激活的背景下促进 致癌转化以及肿瘤发生和恶性进展的启动。

染色质相关调节因子 SOX 家族的其他成员一方面与细胞命运规范和发育中的谱系转换广泛相关 ( 30 )，另一方面与多种肿瘤相关表型 ( 31) ）。 SOX 介导的转分化的另一个突出例子涉及前列腺癌的治疗抵抗机制。在这种情况下，抗雄激素治疗导致 RB 和 p53 肿瘤抑制因子的缺失（它们的缺失是神经内分泌肿瘤的特征）是必要的，但对于经常观察到的分化良好的前列腺癌细胞转化为已进入肿瘤细胞的癌细胞来说，这还不够。具有神经内分泌细胞分子和组织学特征的分化谱系，特别是不表达雄激素受体。除了 RB 和 p53 缺失外，抗雄激素治疗获得性耐药还需要 SOX2 表达 上调 发育调节基因，该基因显然有助于诱导治疗敏感的腺癌细胞转分化为对治疗无效的神经内分泌细胞状态的衍生物（ 32 ）。

第三个例子还揭示了转分化是癌细胞采用的一种策略，以避免被谱系特异性疗法消除，在这种情况下，涉及用 Hedgehog-Smoothened 药物抑制剂（HH/SMO）治疗的皮肤基底细胞癌（BCC） ) 已知可驱动这些细胞肿瘤生长的致癌信号通路 ( 33 )。耐药癌细胞通过特定染色质域的广泛表观遗传变化和两个超级增强子的可及性改变，转变为发育相关但不同的细胞类型。 BCC 细胞新获得的表型状态使它们能够维持 WNT 致癌信号通路的表达，从而使它们能够独立于药物抑制的 HH/SMO 信号通路( 34 )。正如从这种转分化中可以预期的那样，癌细胞的转录组从反映 BCC 相关细胞起源的基因特征（即毛囊凸起的干细胞）转变为指示毛囊凸起的基底干细胞的基因特征。毛囊间表皮。这种产生耐药性的转分化在不同形式的癌症中得到越来越多的记录（ 35 ）。

发育谱系可塑性似乎在肺癌的主要亚型中也很普遍，即神经内分泌癌[小细胞肺癌（SCLC）]和腺癌+鳞状细胞癌[统称为非小细胞肺癌（NSCLC）]。单细胞 RNA 测序揭示了这些亚型之间显着动态和异质的相互转换，以及在肺肿瘤发生、随后的恶性进展和治疗反应阶段的明显变异（ 36-38） ）。因此，这些研究并不是简单地概念化从一种谱系到另一种谱系的纯克隆转换，而是描绘了一幅更为复杂的图景，动态地相互转换的癌细胞亚群表现出多种发育谱系和分化阶段的特征，这是一个发人深省的认识。人类肺癌的基于谱系的治疗靶向。这种动态表型可塑性的调节决定因素正开始被识别( 37,39,40 )。

概要

上述三类机制强调了细胞可塑性的选择性调节剂，这些调节剂至少部分地与核心致癌驱动因素和其他标志性功能分开。除了这些例子之外，还有大量证据将许多形式的癌症与分化破坏相关联，同时获得转录组特征和其他表型（例如组织学形态），这些表型与在相应的正常组织中观察到的祖细胞或干细胞阶段相关。起源或其他更远相关的细胞类型和谱系（ 41-43 ）。因此，表型可塑性的这三个亚类——成熟细胞去分化回到祖细胞状态、阻止分化以冻结祖细胞/干细胞状态中的发育细胞以及转分化为替代细胞谱系——似乎在原发性肿瘤期间的多种癌症类型中起作用形成、恶性进展和/或对治疗的反应。然而，有两个概念上的考虑。首先，去分化和分化受阻可能是交织在一起的，在许多肿瘤类型中难以区分，其中细胞源（分化细胞或祖细胞/干细胞）要么未知，要么参与其中。其次，祖细胞表型的获得或维持以及分化特征的丧失在大多数情况下是正常发育阶段的不精确反映，沉浸在癌细胞中其他标志性变化的环境中，这些变化在自然发育的细胞中不存在。此外，表型可塑性的另一种形式涉及细胞衰老，下面更一般地讨论，其中诱导经历表面上不可逆衰老的癌细胞反而能够逃脱并恢复增殖扩张。 44 ）。最后，与其他标志性能力一样，细胞可塑性不是癌细胞的新发明或畸变，而是各种正常细胞用于支持体内平衡、修复和再生的潜在但可激活能力的破坏（ 45 ）。

总的来说，这些说明性的例子鼓励人们考虑这样一个命题：释放细胞可塑性以实现各种形式的破坏性分化构成一种离散的标志能力，在调节和细胞表型方面与经过充分验证的癌症核心标志有区别（ 图2 ）。

非突变表观遗传重编程

基因组 (DNA) 不稳定性和突变的促成特征是癌症形成和发病机制的基本组成部分。目前，多个国际联盟正在对人类癌细胞基因组的突变进行编目，对几乎所有类型的人类癌症、恶性进展的不同阶段（包括转移性病变）以及适应性治疗耐药的发展过程中的突变进行编目。结果之一是现在人们普遍认识到，组织、调节和维持染色质结构并从而全局调节基因表达的基因突变越来越多地被检测到，并且在功能上与癌症标志相关（ 46-48 ）。

此外，还有另一种明显独立的基因组重编程模式，涉及基因表达的纯粹表观遗传调节变化，可以被称为“非突变表观遗传重编程”（ 图3 ）。事实上，无突变癌症进化和标志性癌症表型的纯粹表观遗传编程的主张在大约十年前就被提出了 ( 49 )，并且得到了越来越多的讨论 ( 46, 50-52 )。

图 3.

非突变表观遗传重编程。就像在胚胎发生、组织分化和体内平衡过程中一样，越来越多的证据表明，肿瘤中的工具性基因调节回路和网络可以由大量独立于基因组不稳定性和基因突变的损坏和增选机制来控制。癌症图形的特征改编自 Hanahan 和 Weinberg (2)。

基因表达的非突变表观遗传调控的概念当然已被确立为介导胚胎发育、分化和器官发生的中心机制（ 53-55 ）。例如，在成人中，长期记忆涉及基因和组蛋白修饰、染色质结构以及触发基因表达开关的变化，这些变化通过正反馈环和负反馈环随时间稳定维持（ 56, 57 ）。越来越多的证据支持这样的观点，即类似的表观遗传改变有助于在肿瘤发展和恶性进展过程中获得标志性能力。下面提供了一些例子来支持这一假设。

表观遗传重编程的微环境机制

如果不仅仅是致癌突变的结果，那么癌细胞基因组是如何重新编程的呢？越来越多的证据表明，肿瘤微环境的异常物理特性可能会导致表观基因组发生广泛的变化，而有利于标志能力表型选择的变化可能会导致癌细胞的克隆生长，增强其增殖能力。肿瘤（或肿瘤内区域）的一个共同特征是缺氧，这是血管化不足造成的。例如，缺氧会降低 TET 去甲基化酶的活性，导致甲基化组发生实质性变化，特别是过度甲基化（ 58 ）。血管化不足也可能限制了关键的血液营养物质的生物利用度，并且营养缺乏已被证明会改变翻译控制，从而增强乳腺癌细胞的恶性表型（ 59 ）。

缺氧介导的表观遗传调控的一个有说服力的例子涉及一种总是致命的小儿室管膜瘤。与许多胚胎和儿童肿瘤一样，这种形式缺乏反复突变，特别是缺乏癌基因和肿瘤抑制基因的驱动突变。相反，这些癌细胞的异常生长显然是由缺氧诱导的基因调控程序控制的 ( 60, 61 )。值得注意的是，这种癌症的假定细胞起源于缺氧室，可能使驻留在其中的细胞对未知辅助因子启动肿瘤发生变得敏感。

微环境介导的表观遗传调控的另一个有说服力的证据涉及癌细胞的侵袭性生长能力。一个典型的例子涉及许多实体瘤边缘可逆诱导癌细胞的侵袭性，这是由称为上皮间质转化（EMT；参考文献 62-64 ）的发育调节程序精心策划的。值得注意的是，EMT 的主调节因子 ZEB1 最近被证明可以诱导组蛋白甲基转移酶 SETD1B 的表达，而 SETD1B 反过来又 在正反馈环中维持 ZEB1表达，从而维持（侵入性）EMT 调节状态（ 65 ）。先前的一项研究类似地证明，通过上调相关 TF SNAIL1 的表达来诱导 EMT ，会导致染色质景观发生显着改变，从而导致许多染色质修饰剂的诱导，这些修饰剂的活性显然对于维持表型状态是必要的（ 66 ）。此外，肿瘤边缘的癌细胞所暴露的一系列条件和因素，包括缺氧和基质细胞分泌的细胞因子，可以明显诱导 EMT 并进而诱导侵袭性 ( 67, 68 )。

侵袭性微环境编程的一个独特例子，表面上与 EMT 程序无关，涉及在胰腺癌细胞和其他细胞中，通过间质压力驱动的流体流动，涉及分泌的谷氨酸及其受体 NMDAR 的神经元信号回路的自分泌激活（ 69， 70 ）。值得注意的是，许多实体瘤的典型硬度，体现在包裹细胞的细胞外基质（ECM）的广泛改变，对癌细胞的侵袭性和其他表型特征具有广泛的影响。与肿瘤起源的正常组织 ECM 相比，肿瘤 ECM 的典型特征是交联和密度增加、酶促修饰和分子组成改变，这些部分通过 ECM 基序的整合素受体共同协调僵硬诱导的信号传导以及引发侵袭性和其他标志性特征的基因表达网络（ 71 ）。

除了物理肿瘤微环境赋予的这种调节机制之外，涉及实体瘤中的各种细胞类型释放到细胞外环境的可溶性因子的旁分泌信号也可以有助于诱导几种形态上不同的侵袭性生长程序（ 72 ），只有一种其中被称为“间充质”的细胞似乎涉及上述 EMT 表观遗传调控机制。

表观遗传调控异质性

不断增长的知识基础正在提高人们对肿瘤内异质性在产生表型多样性方面的重要性的认识，在表型多样性中，最适合增殖扩张和侵袭的细胞生长超过了它们的同胞，因此被选择进行恶性进展。当然，这种表型异质性的一个方面是建立在慢性或偶发性基因组不稳定性以及随之而来的肿瘤细胞的遗传异质性上。此外，越来越明显的是，可能存在基于非突变的表观遗传异质性。一个突出的例子涉及接头组蛋白 H1.0，它在多种肿瘤类型的癌细胞亚群中动态表达和抑制，从而分别导致兆碱基大小的结构域的隔离或可及性，包括那些传达标志性能力的（ 73 ）。值得注意的是，H1.0 被抑制的癌细胞群被发现具有干细胞样特征、增强的肿瘤启动能力，并且与患者不良预后相关。

表观遗传调节可塑性的另一个例子在人类口腔鳞状细胞癌 (SCC) 中得到描述，其中侵袭边缘的癌细胞采用部分 EMT (p-EMT) 状态，缺乏上述间充质 TF，但表达其他 EMT 定义基因，这些基因是不在肿瘤的中央核心表达（ 74 ）。 p-EMT 细胞显然不代表突变细胞的克隆区室化：原发性肿瘤衍生癌细胞的培养物含有 p-EMT ^hi 和 p-EMT ^lo 细胞的动态混合物，并且当 p-EMT ^hi/lo 细胞时 经过 FACS 纯化和培养，均恢复为 p-EMT ^hi 和 p-EMT ^{lo的混合群体} 4天内细胞。此外，尽管来自邻近基质的旁分泌信号可以被认为是 p-EMT ^hi 状态的决定性因素，但培养物中两种表观遗传状态的稳定存在和再生证明了癌细胞的内在机制。值得注意的是，这一结论得到了对代表 22 种癌症类型（包括鳞状细胞癌）的 198 个细胞系的分析的支持，其中在细胞系模型及其同源原发肿瘤中检测到了不同的 12 种稳定异质表观遗传状态（包括鳞状细胞癌中的 p-EMT） （ 75 ）。同样，异质表型状态无法与可检测的遗传差异联系起来，并且在一些情况下，特定状态的 FACS 分选细胞显示出在培养后动态重新平衡，重现了原始细胞系中所见异质状态之间的稳定平衡。

此外，除了 DNA 序列及其突变变异之外，对不同属性进行全基因组分析的技术正在阐明癌细胞基因组注释和组织中与患者预后相关的有影响力的元素，并且越来越多地与标志性功能相关 ( 76-78 )。表观基因组异质性正在通过日益强大的技术来揭示，这些技术用于分析全基因组 DNA 甲基化 ( 79, 80 )、组蛋白修饰 ( 81 )、染色质可及性 ( 82 ) 以及 RNA 转录后修饰和翻译 ( 83, 84) ）。关于本文所考虑的假设的挑战将是确定特定癌症类型中的哪些表观基因组修饰（i）具有调节意义并且（ii）代表纯粹的非突变重编程，而不是突变驱动的并因此可以由基因组解释不稳定。

肿瘤微环境中基质细胞类型的表观遗传调控

一般来说，肿瘤微环境中的辅助细胞在功能上有助于获得标志性能力，但不认为会遭受遗传不稳定性和突变重编程以增强其促肿瘤活性；相反，据推测，这些细胞（癌症相关成纤维细胞、先天免疫细胞、肿瘤血管系统的内皮细胞和周细胞）在被定义实体瘤微环境的可溶性和物理因素招募后进行表观遗传重编程 ( 2, 85 ）。可以预见的是，目前应用于癌细胞的多组学分析技术将越来越多地用于研究肿瘤中的辅助（基质）细胞，以阐明正常细胞如何被破坏以在功能上支持肿瘤的发展和进展。例如，最近的一项研究（ 86 ）表明，除了细胞因子、趋化因子和生长因子的诱导交换之外，这种重编程还可能涉及表观基因组的修饰，从而改变所有这些细胞类型的细胞内信号网络：当肺转移的小鼠模型接受联合治疗时DNA甲基转移酶抑制剂（5-氮杂胞苷）和组蛋白修饰抑制剂（HDAC），发现浸润的骨髓细胞已从不成熟的细胞转变为未成熟的细胞。 （肿瘤促进）祖细胞状态转化为类似于成熟间质（肿瘤拮抗）巨噬细胞的细胞，与未经治疗的肿瘤中的对应物相比，巨噬细胞无法支持有效转移定植所需的标志能力（ 86） ）。可以设想，多组学分析和药理学扰动将有助于阐明此类骨髓细胞以及肿瘤微环境中其他具有标志性的辅助细胞类型中的重编程表观遗传状态。

概要

总的来说，这些说明性的快照支持这样的主张，即非突变表观遗传重编程将被视为一种真正的使能特征，有助于促进标志性能力的获得（ 图 3） ），与基因组 DNA 不稳定和突变不同。值得注意的是，可以预见的是，非突变表观遗传重编程将被证明与实现上述表型可塑性的临时新标志能力密切相关，特别是作为动态转录组异质性的驱动力，这种异质性在恶性癌细胞中得到越来越多的记录。 TME。单细胞多组学分析技术的进步有望阐明突变驱动与非突变表观遗传调控对肿瘤恶性进展和转移过程进化的各自贡献和相互作用。

多态性微生物组

通过阐明大量微生物（统称为微生物群）的多样性和变异性，生物医学的广阔前沿正在展开，这些微生物与暴露于外部环境的身体屏障组织（尤其是表皮和内部粘膜）共生。胃肠道，以及肺、乳房和泌尿生殖系统。人们越来越认识到，由常驻细菌和真菌（微生物组）创建的生态系统对健康和疾病具有深远的影响（ 87 ），这一实现是由使用下一代测序和生物信息技术审计微生物物种种群的能力推动的。对于癌症，越来越多的证据表明，人群中个体之间微生物组的多态性可能对癌症表型产生深远影响 ( 88, 89 ）。人类癌症模型和小鼠癌症模型实验操作的关联研究揭示了特定的微生物，主要但不限于细菌，它们可能对癌症的发展、恶性进展和治疗反应产生保护性或有害影响。整个组织微生物组的整体复杂性和构成也是如此。事实上，虽然肠道微生物组一直是这一新领域的先驱，但多个组织和器官都具有相关的微生物组，这些微生物组在种群动态以及微生物物种和亚种的多样性方面具有独特的特征。人们越来越认识到多态性微生物组在健康和疾病中的重要性，提出了一个问题：微生物组是否是一种广泛影响的离散促成特征？无论积极还是消极，获得癌症标志性能力？我在下面反思了这种可能性，举例说明了一些与癌症标志有关的重要组织微生物组的证据（ 图 4 ），从最突出且明显有影响力的微生物组（肠道微生物组）开始。

图 4.

多态微生物组。左图，虽然与促进肿瘤的炎症以及基因组不稳定性和突变的有利特征相交叉，但越来越多的理由得出这样的结论：一个人与另一个人的多态性微生物组存在于结肠、其他粘膜和相连的器官中，或者存在于肿瘤本身中，可以通过诱导或抑制多种方式影响许多标志性能力，因此可能是癌症如何发展、进展和对治疗的反应之谜中的一个工具性和准独立变量。是的，多个组织微生物群与调节肿瘤表型有关。除了广泛研究的肠道微生物组之外，其他独特的组织微生物组以及肿瘤微生物组，涉及调节某些肿瘤类型中所示标志能力的获得（无论是积极的还是消极的）。癌症图形的特征改编自 Hanahan 和 Weinberg (2)。

肠道微生物组的多种调节作用

人们早就认识到，作为代谢稳态的一部分，肠道微生物组对于大肠（结肠）降解营养物质并将其输入体内的功能至关重要，并且结肠中微生物种群的扭曲（菌群失调）可能会影响大肠（结肠）的功能。引起一系列生理疾病（ 87 ）。其中有人怀疑结肠癌的易感性、发展和发病机制受到肠道微生物组的影响。近年来，有说服力的功能研究，包括将患有结肠肿瘤的患者和小鼠的粪便移植到易患结肠癌的受体小鼠中，已经确立了一个原则：同时存在抗癌和促进肿瘤的微生物组，涉及特定的细菌种类，其中可以调节结肠肿瘤的发生和发病机制（ 90 ）。

微生物群赋予这些调节作用的机制仍在阐明中，但对于促进肿瘤的微生物组以及在某些情况下针对特定的促肿瘤细菌种类的两种一般效应已日益明确。第一个影响是结肠上皮的诱变，这是细菌毒素和其他分子产生的结果，这些毒素和其他分子要么直接损害 DNA，要么破坏维持基因组完整性的系统，或者以其他方式对细胞施加压力，从而间接损害 DNA 复制的保真度。维修。一个典型的例子是 携带 PKS基因座的 大肠杆菌 ，它明显会使人类基因组发生诱变，并与传递标志性突变有关 ( 91 )。

此外，据报道细菌与结肠上皮细胞表面结合并产生刺激上皮增殖的配体模拟物，从而在肿瘤细胞中发挥增殖信号传导的标志性能力（ 88 ）。特定细菌种类促进肿瘤发生的另一种机制涉及产生丁酸盐的细菌，其丰度在结直肠癌患者中升高（ 92 ）。代谢物丁酸盐的产生具有复杂的生理作用，包括诱导衰老的上皮细胞和成纤维细胞。含有产生丁酸盐的细菌的小鼠结肠癌模型比缺乏这种细菌的小鼠产生更多的肿瘤；丁酸盐诱导的衰老与增强结肠肿瘤发生之间的联系通过使用杀死衰老细胞的衰老药物来证明，这种药物会损害肿瘤的生长（ 92 ）。此外，在肠道屏障被破坏（生态失调）且细菌具有侵袭性的情况下，细菌产生的丁酸盐对结肠上皮中的分化细胞与未分化（干）细胞具有多效性和矛盾性的影响，例如影响细胞能量和代谢、组蛋白修饰、细胞周期进展和（促进肿瘤的）先天免疫炎症（对适应性免疫反应进行免疫抑制）（ 93 ）。

事实上，多态性微生物组的广泛影响涉及通过多种途径调节适应性和先天免疫系统，包括细菌产生“免疫调节”因子，激活上皮或常驻免疫细胞上的损伤传感器，从而导致多样化的表达趋化因子和细胞因子的全部成分，可以塑造结肠上皮及其底层基质和引流淋巴结中免疫细胞的丰度和特征。此外，某些细菌可以破坏结肠上皮细胞的保护性生物膜和粘液，并继续破坏上皮细胞与细胞之间的紧密连接，这些连接共同维持了通常分隔肠道微生物组的物理屏障的完整性。当侵入基质时，细菌可以触发先天性和适应性免疫反应，引发一系列细胞因子和趋化因子的分泌。一种表现可能是产生促进肿瘤或拮抗肿瘤的免疫微环境，从而防止或促进肿瘤发生和恶性进展。一致地，个体患者中独特的微生物组对（i）引发（先天性）肿瘤促进炎症和（ii）逃避（适应性）免疫破坏的相互交织的参数的调节不仅与预后相关，而且与对肿瘤的反应性或抵抗性相关。涉及免疫检查点抑制剂和其他治疗方式的免疫疗法（一种表现可能是产生促进肿瘤或拮抗肿瘤的免疫微环境，从而防止或促进肿瘤发生和恶性进展。一致地，个体患者中独特的微生物组对（i）引发（先天性）肿瘤促进炎症和（ii）逃避（适应性）免疫破坏的相互交织的参数的调节不仅与预后相关，而且与对肿瘤的反应性或抵抗性相关。涉及免疫检查点抑制剂和其他治疗方式的免疫疗法（一种表现可能是产生促进肿瘤或拮抗肿瘤的免疫微环境，从而防止或促进肿瘤发生和恶性进展。一致地，个体患者中独特的微生物组对（i）引发（先天性）肿瘤促进炎症和（ii）逃避（适应性）免疫破坏的相互交织的参数的调节不仅与预后相关，而且与对肿瘤的反应性或抵抗性相关。涉及免疫检查点抑制剂和其他治疗方式的免疫疗法（个体患者中独特的微生物组对（i）引发（先天性）肿瘤促进炎症和（ii）逃避（适应性）免疫破坏的相互交织的参数的调节不仅与预后相关，而且与涉及免疫治疗的反应性或抵抗性相关免疫检查点抑制剂和其他治疗方式（个体患者中独特的微生物组对（i）引发（先天性）肿瘤促进炎症和（ii）逃避（适应性）免疫破坏的相互交织的参数的调节不仅与预后相关，而且与涉及免疫治疗的反应性或抵抗性相关免疫检查点抑制剂和其他治疗方式（ 89, 94–96 )。临时概念验证来自最近的研究，证明将治疗有反应的患者的粪便微生物群移植到先前接受免疫检查点阻断治疗期间病情进展的黑色素瘤患者后，免疫治疗的疗效得以恢复 ( 97, 98 )。

肠道微生物组的特定和可变成分系统性调节适应性免疫系统活性的分子机制是一个持续存在的谜团，要么增强免疫检查点阻断引起的抗肿瘤免疫反应，要么引发全身或局部（肿瘤内）免疫抑制。最近的一项研究揭示了一些线索： 肠球菌 （和其他细菌）的某些菌株表达一种称为 SagA 的肽聚糖水解酶，该酶从细菌壁释放粘肽，然后粘肽可以进行全身循环并激活 NOD2 模式受体，从而增强 T-细胞反应和检查点免疫疗法的功效（ 99 ）。特定细菌亚种产生的其他免疫调节分子正在被鉴定和功能评估，包括细菌产生的肌苷，一种 T 细胞活性的限速代谢物 ( 100 )。这些例子和其他例子开始描绘多态性微生物组间接和系统地调节肿瘤免疫生物学的分子机制，超越细菌与免疫系统直接物理相互作用所产生的免疫反应（ 101, 102 ）。

除了与结肠癌和黑色素瘤的因果关系之外，肠道微生物组明显能够引发进入体循环的免疫调节趋化因子和细胞因子的表达，显然也能够影响癌症发病机制和身体其他器官对治疗的反应（ 94， 95 ）。一个有启发性的例子涉及肝脏中胆管癌的发展：肠道菌群失调允许细菌和细菌产物通过门静脉进入并运输到肝脏，肝细胞上表达的 TLR4 被触发，诱导趋化因子 CXCL1 的表达，趋化因子 CXCL1 招募 CXCR2 -表达粒细胞髓样细胞 (gMDSC)，可抑制自然杀伤细胞，从而逃避免疫破坏（ 103 ），并可能传达其他标志性功能（ 85 ）。因此，肠道微生物组无疑是一种有利特征，可以促进或预防多种形式的癌症。

超越肠道：在其他屏障组织中暗示独特的微生物组

事实上，所有直接或间接暴露于外部环境的组织和器官也是共生微生物的储存库（ 104 ）。肠道中微生物组在代谢中的共生作用已得到充分认识，但与肠道不同的是，这些不同位置的常驻微生物群的正常和致病作用仍在不断显现。体内平衡、衰老和癌症中相关微生物组的构成存在明显的器官/组织特异性差异，与结肠的微生物组有重叠和独特的物种和丰富度 ( 104, 105 ）。此外，关联研究提供了越来越多的证据表明，与肠道微生物组类似，局部肿瘤拮抗/保护性组织微生物组与肿瘤促进组织微生物组相比，可以调节相关器官对人类癌症的易感性和发病机制（