背景：
胶质母细胞瘤(GBM)仍然是最致命的原发性脑肿瘤，很大程度上是由于治疗难治性疾病的复发。目前的治疗最终是无效的，因为GBM肿瘤细胞改变了它们的身份以逃避治疗。单细胞表观遗传学和转录组学的最新进展突出了胶质母细胞瘤中源自独特癌性遗传畸变的异质性细胞群。然而，他们也提示，肿瘤细胞保留了亲本神经元细胞的分子特性，其允许的表观遗传特征使它们能够沿着有限数量的重编程路径发生变化，从而逃避治疗。
简介：
2022年11月14日，来自澳大利亚弗林德斯大学弗林德斯健康与医学研究所的Cedric Bardy教授课题组在Trends in Cancer（IF: 19.1）杂志上发表题为“Neuronal and tumourigenic boundaries of glioblastoma plasticity”的文章[1]。在本文中，作者回顾了已知的GBM可塑性的肿瘤发生、神经发育和脑损伤边界，并提出有效的GBM治疗需要增加抑制GBM可塑性的治疗方法。
主要结果：
GBM肿瘤细胞利用神经发育途径逃避治疗。
脑内GBM肿瘤细胞因其可塑性、异质性和逃避癌症治疗的能力而臭名昭著。我们认为，理解这种可塑性的边界将提供新的治疗机会。在健康组织中，分化等级从全能性或多能性祖细胞开始，一直到谱系确定的后代。虽然人工诱导健康系统去分化为多能状态或转分化为不同的谱系是可能的，但在正常发育中，细胞被限制在其转录状态，从而使分化成为终末和单向的。相反，肿瘤破坏了这些发育机制，表现出更多的可塑性行为。虽然癌症干细胞沿谱系转变，使人想起起源器官内的干细胞，但它们不会终末分化，而且它们的高转录组不稳定性使它们能够在外部和内部线索的作用下穿越各种细胞命运。
这种细胞可塑性在GBM中尤其明显，GBM是一种由多个克隆群组成的侵袭性、通常是致命的脑肿瘤。GBM可塑性和快速谱系转换是由允许的表观遗传和转录组学景观造成的。由于谱系转换导致的细胞状态缺乏可预测性，这给GBM的治疗带来了独特的挑战。虽然异质性细胞群可能通过靶向治疗的组合被根除，但治疗性应激也可能将细胞重新编程回多能状态。这种多能状态不仅使细胞能够改变身份和以不同的方式重建肿瘤景观，而且还产生了治疗耐药性克隆群，从而导致侵袭性肿瘤复发。然而，GBM也模拟了健康神经元群体的转录组状态，表明细胞可塑性可能受限于有限数量的已知发育途径。
进展中的肿瘤的遗传可塑性。
健康神经元细胞的恶性转化始于EGFR或PDGFRA等驱动基因的突变(图1A,B)。驱动突变在指导肿瘤表型的同时，也定义了GBM肿瘤的亚型。因此，胶质母细胞瘤被分类为IDH1 /2突变型或IDH野生型(WT) 4级星形细胞瘤，IDH野生型肿瘤也被分类为经典型(EGFR扩增/突变)，前神经元型(PDGFRA扩增/突变，CDKN2A纯合缺失)或间质型(NF1, PTEN缺失)。
然而，单个GBM肿瘤是异质性的，在单个肿瘤中包含不同的细胞群。因此，EGFR、PDGFRA和NF1等基因的驱动突变定义了具有细胞分裂的不同克隆群，并引入随机乘客突变，从而产生亚克隆子代(图1B)。总体而言，驱动突变和乘客突变均具有特征性表型，并且对肿瘤细胞的适应性不同。这在没有选择压力的情况下导致亚克隆群体的随机损失(或获得)。然而，选择压力，例如微环境的变化或治疗，引入种群瓶颈并保存最适合生存的种群。一个值得注意的例子是包含EGFR和PDGFRA等基因常见驱动突变的染色体外DNA (ecDNA)的波动。
图1：胶质母细胞瘤肿瘤细胞表达异常的神经元特征，并沿着神经发育轨迹分化
表观遗传的可塑性。
脑细胞中最容易发生癌变的基因组区域。
当健康的神经元细胞转变为恶性状态时，特定的DNA区域可能更容易发生遗传和表观遗传畸变。这些区域包括启动子和增强子区域，转录调节因子通过这些区域持续调节基因表达。通常，分化伴随着DNA和组蛋白甲基化的增加。然而，尽管启动子和增强子通常含有易于胞嘧啶甲基化的CpG二核苷酸扩展区域，但它们仍然处于低甲基化状态。相反，这些区域通过可逆的组蛋白修饰(如组蛋白3第27位赖氨酸三甲基化(H3K27me3)或组蛋白3第4位赖氨酸三甲基化(H3K4me3))而保持被抑制或激活状态。
IDH突变体高甲基化限制GBM肿瘤的表观遗传可塑性。
GBM肿瘤也表现出不同的CpG岛甲基化表型(高甲基化或低甲基化)，这影响了其潜在的细胞可塑性。新发IDH突变型GBM肿瘤的高甲基化程度高于IDH野生型，尽管IDH突变型也可能发生低甲基化表型。IDH突变型肿瘤的高甲基化归因于突变型IDH驱动的2-羟基戊二酸的产生，这消耗了α-酮戊二酸，而α-酮戊二酸是10-11易位甲基胞嘧啶双加氧酶(TET)的关键辅因子。TET酶是主动去甲基化所必需的，特别是在增强子和启动子上。因此，突变IDH驱动的TET抑制增加了转录调控元件的DNA甲基化，限制了可塑性。在GBM肿瘤中，高甲基化有助于NPC样细胞分化为具有有限表观遗传和转录组可塑性的AC样或OPC样谱系。与IDH野生型患者相比，这种IDH突变的作用机制可能有助于提高这些患者的生存率。
治疗诱导的遗传和表观遗传可塑性。
在治疗GBM时，肿瘤切除程度与总生存期有很强的相关性。然而，由于细胞迁移到脑实质，全切除是不可能的。因此，为了确保最佳的根除效果，手术之后是放疗和替莫唑胺化疗。替莫唑胺在DNA复制过程中使O6 -鸟嘌呤发生甲基化，引起碱基错配、G2/M期阻滞，最终导致细胞凋亡。同样，辐射诱导的DNA损伤诱导细胞凋亡或坏死的活跃细胞分裂。然而，由于成功的放化疗针对的是那些处于活跃细胞分裂中的细胞，因此较少增殖的群体受到保护。类似地，靶向治疗药物[例如表皮生长因子受体(EGFR)抑制剂]保存了肿瘤细胞群，但没有导致耐药的靶向突变。
图2：胶质母细胞瘤细胞在治疗干预后被重新编程为多能状态
转录组可塑性。
决定胶质母细胞瘤细胞状态的转录因子与成人神经发生和胶质细胞发生的转录因子重叠。
虽然大部分神经和肿瘤细胞的身份是由遗传学和表观遗传学控制的，但两者的脂肪指定和分化是由内在因素的周期性和协调活动形成的。例如，转录因子(TFs)，如ASCL1 (Achaet-scute家族BHLH转录因子1)、HES1(多毛分裂增强子1)和少突胶质细胞转录因子(oligodendrocyte transcription factor, OLIG)2在神经发育和肿瘤细胞的转录组状态中控制命运的确定。在前神经元型细胞中，ASCL1与其他神经发育TF(如SOX2, OLIG2, NFIA/B和notch配体DLL1/3)一起上调，表明TF振荡也有助于维持静息GSCs，而持续表达可沿着已知的神经发育轨迹分化。
微环境诱导的转录组和表型可塑性。
虽然可以将肿瘤细胞定性为NPC-，OPC-，AC-或MES-样，但肿瘤细胞不局限于谱系。相反，细胞状态是特定时间内细胞转录组特征的快照，并由微环境的波动形成。因此，表现出混合细胞状态的细胞可能在神经发育(AC-，NPC-或OPC-样细胞)和损伤反应(MES-样)梯度内处于一种短暂状态。同样，潜在的瞬时分化样细胞、干细胞样细胞和增殖干细胞样细胞状态也可以区分。
肿瘤细胞的迁移与形态和转录组状态的改变有关。
为了监测和适应波动的微环境，肿瘤细胞通过被称为肿瘤微管的膜突起形成胶质瘤网络。与健康的神经元细胞相似，肿瘤细胞表达生长相关蛋白(GAP)-43和二十二同源蛋白(TTYH)1以延伸肿瘤微管和连接蛋白-43形成缝隙连接，从而在网络内进行通信。胶质瘤网络与神经网络的整合进一步启动了肿瘤细胞的侵袭或增殖。与迁移的OPCs和神经母细胞非常相似，具有1~2个TTYH1+微管的双极胶质瘤细胞比具有4个以上微管的多极细胞具有更强的迁移和侵袭表型。
图3：成人神经发育局限于脑室下区和颗粒下区神经发生以及皮质区胶质细胞发生
迁移的肿瘤细胞转变为肿瘤保护性MES样状态。
OLIG2低表达的细胞不依赖血管迁移，并且与免疫细胞浸润增加、小胶质细胞/巨噬细胞活化以及信号转导和转录激活因子(STAT)3、TGFβ和白细胞介素(IL)-6信号通路增加相关，这些信号通路可上调TWIST、Snail/Slug、CD44和基质金属蛋白酶。虽然这一特征反映了MES样的细胞状态，但也与静息状态的NSCs、NG2+胶质祖细胞或niche ACs相关，这些细胞在脑部病理过程中被激活，进行神经发生或反应性星形胶质细胞增生。在这里，免疫细胞募集以及TFs[如缺氧诱导因子(HIF)-1/2α、STAT3和核因子(NF)-κB]、细胞因子(如干扰素-γ、TGFβ和IL-6)和生长因子(如血管内皮生长因子)的上调促进了向病变部位的迁移，并驱动神经元分化或反应性星形胶质细胞增生。
对于肿瘤细胞，核心和脑实质内的血管化不良反映了脑病理学状况(如缺血)，并通过几种机制驱动MES样状态。例如，限制DNA和组蛋白甲基化所需的营养物质(如蛋氨酸)会导致DNA低甲基化。低氧还可以稳定HIF1/2α和TFs，这些TFs通过NOTCH信号通路上调SOX2, KLF4和HES/HEY干性TFs。NOTCH信号可抑制ASCL1和OLIG2驱动的神经发生或胶质细胞发生和酪氨酸激酶受体信号，从而驱动静止型GSC表型。此外，作为MES群体特征的NF1缺失，通过招募抗炎和促炎免疫细胞来改变肿瘤环境。抗炎免疫细胞通过STAT3、TGFβ和IL-6抑制炎症并驱动神经保护性AC迁移，促炎免疫细胞分泌IL-1α、肿瘤坏死因子(TNF)α和C1q，并通过NF-κB激活促进神经毒性。在胶质母细胞瘤中，不同的STAT3和NF-κB信号通路分别有助于迁移和促进放射抵抗。
图4：胶质母细胞瘤的微环境在空间上分布，并决定肿瘤细胞的表型状态
结论和展望：
靶向肿瘤特异性特征，如增殖(如替莫唑胺，辐射和EGFR抑制剂)和网络整合(如离子通道调节剂)可能根除特定的肿瘤群体。然而，细胞分子格局的连续(且不可预测)重编程导致了标准和靶向治疗的失败。降低可塑性的一种方法可能是将细胞分化成已知的谱系。例如，OLIG2敲低分别诱导分化为GFAP+ AC样或CD44+ MES样状态，这取决于EGFR或PDGFRA的扩增。同样，细胞周期退出和分化为星形胶质细胞或少突胶质细胞谱系可以分别通过生长因子或添加骨形态发生蛋白(BMP)4或少突胶质细胞标记物O4诱导。通过OLIG2敲低和生长因子撤除，细胞分化依赖于干扰TFs和酪氨酸激酶受体信号传导之间的反馈回路。虽然在肿瘤细胞分化后靶向肿瘤细胞是可能的，但并不是所有的细胞都符合分化线索。事实上，分化不是通过DNA甲基化，而是通过可逆的组蛋白修饰在CpG岛诱导的。由于组蛋白修饰是可逆的，而不是组成性的，因此去除BMP4或O4可导致细胞周期重新进入。由于ACs也能够在应激期间重新进入细胞周期，这些表观遗传变化也可能意味着细胞仍然保留其谱系转换的能力。
尽管表现出显著的可塑性，GBM肿瘤沿着已知的神经发育轨迹进化，同时保持其典型的致瘤性特征。因此，尽管存在谱系转换的可能性，但复发性肿瘤的克隆群来源于有限数量的吸引子状态和分子途径。这篇综述描述了GBM进化过程中重现的一些神经源性和肿瘤源性通路。理解这些遗传和细胞机制对于设计新疗法至关重要。这可能包括针对特定细胞状态和亚型的个性化治疗。然而，鉴于GBM细胞具有快速适应和转换其身份的能力，确定可阻断GBM细胞可塑性的治疗方法也至关重要。
原文链接：doi: 10.1016/j.trecan.2022.10.010
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