撰文 | Qi
責編 | 兮
越來越多的證據表明非遺傳過程會導致藥物耐受，而這是癌症治療的主要障礙。癌細胞可以進入可逆的藥物耐受持久性（drug-tolerant persister, DTP）狀態以逃避化療和靶向藥物攻擊，這也許是導致治療失敗和腫瘤復發的重要因素。因此，在經典的不可逆遺傳突變驅動的耐藥性產生之前，DTPs可能代表了潛在的治療機會。DTP狀態以靜止或緩慢增殖的癌細胞為特徵，通常代表親代腫瘤的一個小亞群（0.3%–5%）。在癌症背景下，DTPs代表了腫瘤在「藥物假日（drug holiday）」後，會恢復生長和增殖但仍對化療敏感的可逆狀態。先前的一項開創性研究確定了癌細胞系中的DTPs，並證明通過使用胰島素生長因子1受體（IGF-1R）抑制劑或染色質修飾劑治療，可以在體外選擇性地清除這種藥物耐受亞群。其他研究也證明了抑制應激誘導的長間隔重複元件1（LINE-1）表達在驅動DTP狀態以及DTP對脂質過氧化氫酶GPX4的依賴性中的作用【1,2】。然而，關於能夠產生DTP的癌細胞亞群以及在體內驅動DTP狀態的關鍵機制尚未可知。
鑑於DTP代表了一種能夠幫助癌細胞在化療造成的惡劣環境中得以倖存的非遺傳可逆狀態，不得不質疑腫瘤是否劫持了一種進化上保守的生存策略？生物體在惡劣環境中生存所採用的保守生存策略數量有限，且大多數在動物界中都是保守的，例如滯育（diapause）。滯育被定義為由不利環境條件引發的胚胎發育暫停的可逆狀態【3】，是一種生理繁衍策略。滯育沒有特定的細胞選擇，而是胚胎中的每一個細胞都可逆地進入這種狀態，當環境損傷消除時，胚胎恢復正常發育。那麼，癌細胞是否也採取了這種「保命」策略？
近日，來自加拿大University Health Network公司的Catherine A. O』Brien團隊，多倫多大學的Jason Moffat團隊和Sidhartha Goyal團隊以及來自西奈山醫院的Miguel Ramalho-Santos團隊在Cell雜誌上合作發表了一篇題為「Colorectal Cancer Cells Enter a Diapause-like DTP State to Survive Chemotherapy」的文章，在這項研究中，作者將來自癌症個體的結直腸癌模型中提取的細胞條形碼和數學模型相結合，以識別和表徵化療反應中的DTPs。作者確定了DTPs在轉錄和功能上與滯育有顯著的相似性，並揭示了癌細胞是如何利用一種發育保守的機制來驅動DTP狀態的，指出了靶向DTP的新的治療機會。
首先，為了研究體內DTPs，作者使用免疫缺陷小鼠中兩個來自結直腸癌（colorectal cancer, CRC）個體的樣本確定了標準化療對異種移植瘤生長的影響。值得注意的是，對於兩個CRC樣本，當停止CPT-11或FOLFIRI治療（伊立替康、亞葉酸鈣、5-氟尿嘧啶，常規化療方案）時，腫瘤恢復生長。為了確定用CPT-11或FOLFIRI治療的CRC細胞在治療停止和腫瘤再生後是否仍然敏感，作者從再生腫瘤中獲取腫瘤細胞並將其注射到新小鼠中，隨後用CPT-11治療，結果顯示所有腫瘤在再次暴露後對CPT-11仍然保持敏感，且在治療期間再次顯示生長停滯。因此，腫瘤對CPT-11和FOLFIRI的反應與進入可逆DTP狀態的癌細胞表現一致。緊接著，作者通過全外顯子組測序對POP66親本腫瘤（P0）、第一代異種移植物（G0）和CPT-11再生異種移植物進行分析，CPT-11治療的經歷DTP狀態的腫瘤沒有表現出遺傳異質性的喪失，聯繫它們對CPT-11的藥物敏感性仍然存在，這與藥物耐受的非遺傳機制保持一致。
接下來，為了探索體內DTP狀態的克隆動力學，作者採用條形碼策略來跟蹤腫瘤內的單個細胞【4】，以比較對照組和治療組之間的條形碼組成，包括誘導DTP狀態的治療方案（CPT-11，FOLFIRI）和未誘導DTP狀態的治療方案（5-FU/LV，OXA，FOLFOX）。出乎意料的是，在體內經歷DTP狀態的CRC細胞中，沒有觀察到條形碼複雜性的顯著損失，未經歷DTP狀態的細胞中也沒有顯示條形碼複雜性的任何變化。條形碼實驗結果出乎意料，因為基於治療期間腫瘤體積顯著減小，預期腫瘤在經歷DTP狀態後重新生長後條形碼複雜性也會降低。緊接著，作者使用克隆大小分布數學模型準確地捕捉了實驗觀察到的克隆動態學，模型表明腫瘤細胞具有形成DTPs的等勢能力，並且這種對等性從癌細胞進入DTP狀態延伸至以隨機方式退出DTP狀態的過程。
那麼，CPT-11誘導癌細胞進入DTP狀態的機制是什麼呢？作者通過RNA-seq發現，DTPs中有1165個基因上調，928個基因下調，且在代謝、細胞周期調節、翻譯和RNA加工中發揮作用的基因在DTPs下調的基因集中高度富集。不同腫瘤細胞進入DTP狀態的均等能力促使我們思考腫瘤細胞是否採用進化保守機制以獲得在暴露於化療的惡劣環境中生存的能力？先前已經證明，mTOR抑制在小鼠囊胚和胚胎幹細胞中誘導可逆的多能幹細胞狀態，這是在不利的環境條件下短暫發育停滯的自然現象。作者將對照組、經歷DTP狀態組和CPT-11處理的再生腫瘤的轉錄組與先前公布的暫停ESC和體內滯育胚胎的基因表達數據進行比較，發現DTP與兩種模型具有顯著的相似性。這些相似性通過分析與胚胎滯育相關的特定信號通路的表達特徵得到進一步證實，其中DTP表達的mTOR和Myc反應模塊水平顯著降低。此外，DTP中滯育相關的自噬基因表達水平也有所增加，包括ULK1/ATG1。因此，這些數據提示CPT-11誘導的DTP處於可逆狀態，與胚胎滯育具有廣泛的轉錄相似性。
有趣的是，來自多種腫瘤類型，包括急性淋巴母細胞白血病、前列腺癌和黑色素瘤的動物模型和個體的微小殘留病（minimal residual disease, MRD）轉錄組也與胚胎暫停信號顯著相關，這提示胚胎暫停信號或許可以識別MRD。鑑於DTP在介導治療結局和腫瘤復發中的潛在作用，作者研究了本項研究中定義的滯育樣DTP狀態是否能在TCGA結直腸癌患者隊列中提供預後分層。作者將來自大腸癌患者的樣本分為兩組，定義為具有「高」或「低」胚胎暫停信號。Kaplan-Meier分析表明，高特徵分數的個體比低特徵分數的個體的總體生存率顯著降低。此外，作者分析了這個CRC-TCGA數據集的自噬特徵。Kaplan-Meier分析顯示，與自噬分數較低的結直腸癌患者相比，自噬分數較高的結直腸癌患者的總生存率明顯較差。將分析擴展到TCGA的各種癌症中可以發現，對於指定的癌症隊列，高自噬特徵對應於低總體生存率。這些數據表明，具有高滯育或自噬評分的患者具備對藥物治療耐受的腫瘤細胞。因此，這種信號提供了一種識別難治性疾病個體的方法，並揭示了針對導致復發的滯育樣DTP狀態的創新治療幹預策略。
總的來說，作者發現DTPs激活了一個發育上保守的程序以保證腫瘤細胞能在化療營造的惡劣環境中得以生存，理解這一機制將是設計針對這種狀態的治療方法的關鍵。癌症背景下的滯育樣DTP狀態的未來研究應包括針對標準化療和靶向藥物開發可靠的PDX臨床前DTP模型，以及同基因模型，以擴展人們對免疫系統如何影響免疫系統的認識。靶向滯育樣DTP狀態對於制定旨在消除可能處於最脆弱狀態的癌細胞的治療策略而言至關重要。
原文連結
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.11.018
參考文獻
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2, Guler, G.D.,Tindell, C.A., Pitti, R., Wilson, C., Nichols, K., KaiWai Cheung, T., Kim,H.J., Wongchenko, M., Yan, Y., Haley, B., et al. (2017). Repression ofStress-Induced LINE-1 Expression Protects Cancer Cell Subpopulations fromLethal Drug Exposure. Cancer Cell32, 221–237.e13.
3, Deng, L.,Li, C., Chen, L., Liu, Y., Hou, R., and Zhou, X. (2018). Research advances onembryonic diapause in mammals. Anim. Reprod. Sci. 198, 1–10.
4, Bhang, H.E.,Ruddy, D.A., Krishnamurthy Radhakrishna, V., Caushi, J.X., Zhao, R., Hims,M.M., Singh, A.P., Kao, I., Rakiec, D., Shaw, P., et al. (2015). Studyingclonal dynamics in response to cancer therapy using highcomplexity barcoding.Nat. Med. 21, 440–448.