引言
癌症，是動态進化的，以選擇性地在外來惡性良性腫瘤環境中茁壯成長，例如癌細胞擴散的侵襲性前沿和遠端器官。在進化過程中，惡性良性腫瘤細胞經常重新利用組織固有的發育和緻癌程式來獲得生存優勢，進而偏離其最初的細胞身份【1】。胰腺癌是一種高度惡性的惡性良性腫瘤，其特點是惡性良性腫瘤細胞具有顯著的分子多樣性，可以表現出不同的細胞身份。對胰腺癌的分子分類研究識别出不同的分子亞型，這些亞型與惡性良性腫瘤的侵襲性、化療反應和疾病預後有關。特别是，研究人員發現了兩種主要的分子亞型：一種是保留了大量胰腺導管特征的亞型，另一種是預後較差的亞型，這種亞型的特點是失去了導管譜系的特征，并異常激活了基底細胞或鱗狀細胞程式。在胰腺癌的發展過程中，惡性良性腫瘤細胞可能會經曆一種稱為鱗狀轉分化的過程，即從導管細胞表型轉變為鱗狀細胞表型。這種轉變與惡性良性腫瘤的侵襲性和不良預後有關【2,3】。盡管已經有一些研究關注了這一現象，但關于這一過程的具體分子機制仍然不清楚，而且由于缺乏包含人類胰腺癌分子群組織學譜的實驗模型，導管到鱗狀譜系轉換的生物學相關性和決定因素也尚未确定。
近日，來自日本慶應義塾大學醫學院的Toshiro Sato團隊在Nature Cell Biology上線上發表題為Wnt-deficient and hypoxic environment orchestrates squamous reprogramming of human pancreatic ductal adenocarcinoma的文章，深入探讨了人類胰腺導管腺癌在Wnt信号缺乏和缺氧環境下，通過分子多樣性和表觀遺傳變化實作從導管細胞到鱗狀細胞的轉分化的分子機制，證明H3K27me3介導的表觀遺傳修飾和TP63基因的激活在這一過程中起到了關鍵作用，并發現EZH2抑制劑可能對治療特定類型的胰腺癌具有潛力，不僅展示了不利的惡性良性腫瘤微環境影響人類胰腺癌在分子層面群組織學層面上的演變的過程，而且為了解人類癌症中細胞譜系轉換的原則和重要性提供了洞見，對于了解癌症的複雜性和開發新的治療方法具有重要意義。
為了全面捕捉人類胰腺癌的分子多樣性，本文研究人員建構了65個來自患者的胰腺癌類器官系，使用基于生長因子的選擇方法來富集癌症類器官，并分析了這些類器官對Wnt-3A和R-spondin（WR，這是兩種在細胞信号傳導中起重要作用的分泌型蛋白質，在調節惡性良性腫瘤微環境中的信号傳導中扮演着重要角色，在類器官培養中，Wnt-3A和R-spondin也常被用作培養基質成分，以維持類器官的幹細胞特性和促進其增殖）的依賴性，将這些類器官分為三類：需要WR的Wnt非分泌（Wnt−）亞型、利用自分泌Wnt但需要R-Spondin的Wnt分泌（Wnt+）亞型、以及在缺乏WR的情況下能夠增殖的WR非依賴（WRi）亞型。與已有研究結果一緻，包括WRi亞型在内的胰腺癌類器官大多沒有Wnt途徑突變，提示非遺傳因素在WR非依賴性中起作用。同時，根據形态特征可以将這些類器官分為3類：具有極化單層形态的囊性類器官，具有多個腔室和偶爾僞分層的篩狀類器官，以及顯示出密集堆積的層狀外觀且沒有腔室結構的實體類器官。類器官的形态反映了細胞固有的組織學屬性，與它們的分子特征和疾病進展階段有關。特别是實體類器官表現出對WR的非依賴性，這可能反映了疾病晚期的生物學特性。
随後，研究人員利用RNA測序技術對不同類型和狀态的胰腺癌類器官進行了全面的基因表達分析，結果顯示胰腺癌類器官的整體轉錄組模式會随着它們對Wnt信号的依賴性不同而發生變化，不依賴Wnt信号的類器官（如WRi亞型）傾向于表達與基底樣和鱗狀細胞特征相關的基因，如TP63、KRT5和KRT6A。這些TP63高表達的實體類器官的異種移植瘤都顯示出與胰腺腺鱗癌（PASC）類似的組織學特征，包括腺體結構的喪失、多邊形細胞的片層組織和鱗狀細胞标記的表達，被稱為PASC類器官。PASC類器官表現出不可逆的實體結構，且大多數不依賴于WR，而且它們還表現出與内胚層和胰腺發育相關的轉錄因子的低表達，包括GATA6、LGR5（R-spondin受體和典型Wnt信号的靶标），而這可能與它們對Wnt信号的不活躍反應有關。進一步研究結果顯示，ΔNp63（在PASC中表達的TP63亞型，被報道可在癌細胞中促進導管到鱗狀的改變）的過表達足以在非PASC惡性良性腫瘤類器官中誘導出PASC的分子和表型特征。相反，TP63的敲除則導緻PASC類器官失去了鱗狀細胞屬性，恢複了腺體結構，并且對WR的依賴性增加。由此表明TP63是調控人類PASC中鱗狀細胞表型的關鍵分子，并且是PASC發展過程中的一個重要調節因子。
PASC類器官的極端基因表達模式提示在導管到鱗狀進展過程中存在廣泛的表觀基因組重塑，是以通過轉座酶可接近的染色質測序（ATAC-seq）和染色質免疫沉澱測序（ChIP-seq），研究人員證明PASC類器官具有獨特的染色質可接近性模式，而且H3K27me3修飾在PASC類器官中富集于那些在PASC中表達下調的基因，包括GATA6和LGR5等。由此表明在PASC的發展過程中，表觀遺傳修飾，特别是H3K27me3的沉積，可能在抑制原始導管細胞身份基因的表達中起到了關鍵作用，進而促進了向鱗狀細胞表型的轉換。
進一步地，研究人員探讨了H3K27me3沉積在PASC中的分子基礎。實驗結果顯示，在含有WR的培養條件下，敲除GATA6或KDM6A（一種在鱗狀亞型中反複突變或缺失的賴氨酸特異性組蛋白去甲基化酶，可使H3K27去甲基化）的類器官沒有表現出明顯的形态變化。然而，在缺乏WR的條件下，敲除KDM6A和GATA6的雙敲除類器官出現了實體化轉變，并且變得不再依賴WR信号，而且表現出了與PASC相似的基因表達模式以及染色質可接近性模式，這些變化也與H3K27me3修飾的重新分布有關。由此表明KDM6A的單獨缺失不足以誘導PASC轉化，需要GATA6的共同失活和環境WR的耗盡一起發揮作用，促進胰腺癌細胞向鱗狀細胞命運的表觀遺傳重程式設計，以實作在Wnt缺陷生态位中的選擇性生長。與此同時，氧氣對于KDM6A的去甲基化活性也至關重要，而且臨床胰腺癌惡性良性腫瘤已知是低血管化的。研究結果顯示，缺氧和Wnt信号缺陷的微環境也可以驅動胰腺癌細胞向鱗狀細胞表型的轉化，并指導其表觀遺傳重程式設計，進而決定PASC的命運。臨床資料同樣支援了胰腺癌組織的鱗狀屬性與典型Wnt和氧氣使用率低的惡性良性腫瘤環境之間的關系。單細胞測序結果顯示在Wnt缺乏的低氧條件下，從經典導管型到PASC的轉換是時間依賴性的，它要通過一個中間狀态，而與發炎和應激反應相關的基因在轉換過程中被激活，證明從導管譜系到PASC命運的轉換特征是導管身份的快速喪失、中間程式的短暫激活和鱗狀細胞特征的逐漸獲得。
最後，研究人員評估了平衡PASC的表觀遺傳偏倚是否可以對這種緻命疾病産生治療效果。鑒于PRC2和KDM6A在H3K27me3上的相反功能，研究人員檢測了EZH2（PRC2的核心組分）抑制對胰腺癌類器官的影響。結果顯示，EZH2抑制劑對胰腺癌類器官的生長有明顯的抑制作用，尤其是對于那些表現出WR非依賴（WRi）和PASC特征的類器官。此外，對于部分對EZH2抑制劑反應較弱的類器官，通過同時阻斷Wnt信号可以增強EZH2抑制劑的效果，提示表觀基因組靶向治療PASC的治療潛力。
圖1 模式圖（Credit: Nature Cell Biology）
綜上所述，本研究展示了PASC類器官的衍生，随後采用了多層次的方法，整合了基因工程、全面的分子分析和藥物測試，揭示了人類胰腺癌中鱗狀重程式設計的分子和環境基礎，闡明PASC組織發生的特點在于環境依賴性的表觀遺傳景觀的改變，導緻癌細胞導管身份的喪失，而向鱗狀細胞譜系的轉化，并獲得了Wnt信号的非依賴性，而這可能是EZH2抑制的治療靶點（圖1）。由此不僅提供了對人類胰腺癌生物學的基本見解，而且還補充了臨床相關PASC模型的缺乏。
參考文獻
1. Fujii, M., Sekine, S. & Sato, T. Decoding the basis of histological variation in human cancer. Nat. Rev. Cancer 24, 141–158 (2024).2. Collisson, E. A. et al. Subtypes of pancreatic ductal adenocarcinoma and their differing responses to therapy. Nat. Med. 17, 500–503 (2011).3. Hayashi, A. et al. A unifying paradigm for transcriptional heterogeneity and squamous features in pancreatic ductal adenocarcinoma. Nat. Cancer 1, 59–74 (2020).https://doi.org/10.1038/s41556-024-01498-5
責編|探索君
排版|探索君
文章來源|“BioArt”
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