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本文聚焦肿瘤发生机制，深入探讨细胞可塑性（cellular pliancy）与表观遗传的关联。研究发现细胞身份危机、表观遗传漂移在肿瘤起始中作用关键，上皮 - 间质转化（EMT）等机制影响重大。这些成果为癌症诊疗提供新思路，值得关注。
1. 引言
细胞可塑性（cellular pliancy）于 2015 年由 Dyer 等人提出，用于解释儿童癌症的发育起源。研究发现，不同阶段的细胞分化对恶性转化有独特易感性，例如，同一肿瘤起始病变在中胚层来源的祖细胞分化过程中，因细胞发育能力不同会导致不同肿瘤结果 。而且，细胞对恶性转化的易感性不仅与阶段有关，还与信号通路相关。
2018 年，该概念被扩展到成人恶性肿瘤。在乳腺模型中，不同分化状态的细胞对转化的倾向不同，这影响了恶性肿瘤的遗传途径。同时，基因表达分析表明，细胞状态对人类肿瘤发生有重要影响，不同乳腺癌亚型与正常乳腺上皮细胞层次存在相似性。此外，细胞可塑性并非固定不变，细胞环境可改变其水平，这意味着存在表观遗传调控，如上皮 - 间质转化（EMT）等机制可赋予细胞可塑性 。
癌症常被视为细胞身份危机疾病，细胞失去命运承诺是肿瘤发生的核心特征。在此过程中，EMT 诱导的转录因子（EMT - TFs）与有丝分裂原癌蛋白合作促进恶性转化，其异常激活通过减轻关键抑癌机制、赋予癌细胞干细胞样特性影响肿瘤发生，且伴随表观基因组的重大重组 。基于此，本文提出表观可塑性（epipliancy）概念，用于描述正常分化细胞与经历身份危机细胞之间的表观遗传差异，这种差异在致癌应激下可导致恶性转化。
2. 细胞可塑性的表观遗传基础
二十年前人类基因组草图的发布推动了生物学发展，但理解组织特异性细胞对遗传信息的不同解读仍是挑战，这凸显了表观基因组精确绘图的重要性。
研究通过整合分析 111 个人类参考表观基因组，注释了人类基因组的功能特征，包括转录单位、顺式调控元件、组蛋白修饰模式、DNA 可及性、DNA 甲基化和 RNA 表达等。研究发现，表观基因组标记在与疾病和细胞身份相关的遗传变异中存在组织特异性富集，这强调了细胞身份在多种人类特征中的生物学相关性 。
基因调控程序依赖启动子、增强子和绝缘子等遗传序列，这些序列通过招募特定转录因子（TFs）来调控基因表达，并调节染色质组织和转录机制的组装。例如，不同的组蛋白修饰与特定的 DNA 元件相关，如 H3K36me3与基因体相关，H3K4me3主要与启动子相关，H3K4me1与转录增强子相关 。这些修饰特征可预测人类基因组中不同细胞类型的新增强子。
对九种细胞类型的九种关键染色质标记进行映射分析，将人类基因组划分为 15 种不同的染色质状态，这些状态对应着特定的基因组特征类别，如启动子、增强子、绝缘子、转录、抑制和非活性状态 。此外，研究还发现了超级增强子，它与细胞身份相关基因的调控密切相关，如在小鼠胚胎干细胞（mESCs）中调控多能性基因 。同时，研究表明细胞起源的表观遗传特征是对恶性肿瘤易感性的主要决定因素，染色质可及性和修饰在突变率差异中占比高达 86% 。
Latil 等人的研究关注肿瘤前表观基因组与致癌刺激的相互作用，发现其具有预后价值，特定的染色质状态可使鳞状细胞癌易于发生 EMT 和转移 。这些研究共同构成了细胞可塑性的基础，但恶性转化的机制以及肿瘤发生的具体路径仍有待进一步探索。
3. 细胞身份危机和表观遗传漂移：肿瘤起始道路上的 “风暴骑手”
3.1 细胞身份危机
细胞身份由形态、基因表达模式、位置和功能等因素构成，细胞类型可通过比较细胞的表达谱等方法进行识别和定义 。细胞身份危机可由细胞去分化导致的身份丧失或转分化引起。在肿瘤发生中，谱系不忠是一个关键概念，最早在急性白血病中被观察到，表现为原始细胞同时表达髓系和淋巴系免疫表型 。
研究表明，许多类型的实体瘤在起始阶段都需要细胞重编程和成熟细胞身份的丧失。例如，在转基因小鼠实验中，在分化的肺肺泡上皮 I 型细胞（AT1）中诱导 KrasG12D，可使 AT1 细胞重编程为更去分化的亲代祖细胞 AT2 干细胞，进而形成腺癌 。在胰腺癌中，基底样鳞状亚型可能源于遗传和表观遗传失调，导致胰腺内胚层命运丧失，相关基因表达下调和染色质修饰改变 。在肝细胞癌和肠道癌中，也存在类似的细胞命运失调导致肿瘤发生的现象 。在乳腺癌中，乳腺上皮细胞谱系完整性的破坏可能引发肿瘤起始，如 BRCA1 突变患者的乳腺组织中，存在祖细胞谱系承诺缺陷，导致细胞分化异常和肿瘤发生 。
3.2 表观遗传漂移
细胞谱系不忠现象暗示着定义细胞景观的表观遗传屏障被严重侵蚀，这与染色质及其相关蛋白的深刻重塑有关。DNA 甲基化、组蛋白修饰和非编码 RNA 的差异表达等核调节网络和表观遗传因素的失调，会破坏正常细胞身份，从而促进肿瘤发生 。
在乳腺癌中，谱系完整性的破坏与表观遗传调控的丧失密切相关，例如多能基因的重新激活，如 OCT4，这有助于乳腺癌的早期进展 。染色质重塑在维持谱系完整性中起核心作用，大规模测序研究发现，超过 20% 的乳腺癌复发性突变影响染色质修饰剂 。通过体内 CRISPR/Cas9 诱变筛选，发现 COMPASS 组蛋白甲基化酶复合物的表观遗传调控成分是乳腺癌的主要肿瘤抑制因子 。这些调控因子与致癌的 PIK3CA（H1047R）合作，可转化小鼠和人类乳腺上皮细胞 。
此外，许多研究还揭示了多种表观遗传事件在肿瘤发生中的作用：
- Polycomb 组蛋白：Polycomb 组蛋白在许多癌前病变中过度表达，可沉默同源框 A 簇基因，影响细胞身份和肿瘤发生 。其中，Polycomb 抑制复合物 2（PRC2）通过对组蛋白 H3 赖氨酸 27（H3K27me2/3）的甲基化修饰，维持靶基因的转录抑制状态，对细胞发育、增殖和肿瘤抑制起重要作用 。PRC2 编码基因的功能丧失和获得性突变均与多种人类癌症相关，其催化亚基 EZH2 的过表达与多种癌症的发生、发展及不良预后相关 。
- 赖氨酸乙酰转移酶（KAT）：KAT 在癌症起始中起重要作用，它可催化组蛋白和非组蛋白赖氨酸残基的乙酰化，参与多种细胞过程，包括转录、DNA 损伤修复等 。多种癌症中存在 KAT 基因的基因组和转录组改变，如 Moz 和 Morf 在多种癌症中反复扩增，KAT2A、KAT2B、KAT6A、KAT6B 等也与癌症的发生、发展相关 。KAT 可促进细胞身份危机，通过打开染色质激活新的基因表达网络，还可作为转录因子（如 MYC）的共激活剂，改变染色质组织和细胞分化状态 。
- 增强子网络：细胞身份由包括超级增强子在内的复杂增强子网络定义和维持 。在肿瘤起始阶段，基因网络重新布线，增强子 - 基因激活网络的紊乱会导致细胞身份改变，促进癌症发生 。肿瘤特异性增强子广泛存在于癌细胞中，可调节癌基因表达，异常的增强子激活会导致癌基因过表达和抑癌基因沉默 。例如，FOXA1 激活诱导的增强子重编程可驱动预后最差的胰腺癌，MYC 等关键癌基因的增强子在癌细胞中常发生失调 。
- 增强子 RNA（eRNA）：增强子除了招募转录因子的经典功能外，还可转录成 eRNA 。不受控制的增强子活性和异常的 eRNA 表达会促进肿瘤发生 。eRNA 可促进基因转录，通过促进染色质环化增加下游基因表达，还可与染色质修饰剂相互作用 。在乳腺癌中，雌激素受体（ERα）与致癌增强子结合可产生高水平 eRNA，促进增强子 - 启动子相互作用；在肝细胞癌中，Myc 超级增强子转录的 eRNA 可诱导 MYC 表达 。此外，eRNA 也可由肿瘤抑制因子诱导，参与细胞周期调控 。
- 核激活 miRNA（NamiRNA）：NamiRNA 是一类新发现的存在于细胞核中的 miRNA，可与增强子结合，正向调节基因表达 。它与 eRNA 协同作用，激活靶基因表达 。NamiRNA 和 eRNA 的失调与多种癌症的发展相关，NamiRNA 的低表达可导致肿瘤抑制基因失活 。二者相互作用形成的 NamiRNA - 增强子 - 基因激活网络（NEGA）对维持细胞身份和命运决定至关重要，其紊乱可引发细胞身份危机，促进肿瘤发生 。
- 表观遗传标记：细胞身份的维持需要在细胞周期中系统地传播染色质信息 。表观遗传标记机制在维持细胞身份中起关键作用，它依赖于转录因子、染色质修饰剂和调节蛋白在基因位点的保守，通过蛋白质桥、DNA 甲基化、核小体固定区域（NSRs）和核小体缺失区域（NDRs）等，将表观遗传记忆信息传递给子代细胞 。在癌细胞中，表观遗传标记参与维持肿瘤表型，包括不受限制的增殖和分化控制受损 。同时，细胞周期检查点对防止细胞身份危机至关重要，其缺失可导致细胞命运功能障碍和癌症起始 。近期研究表明，表观遗传启动可能是肿瘤起始的初始事件，先于致癌突变发生，这使得表观遗传漂移成为细胞可塑性的主要驱动因素 。
4. EMT 诱导的细胞可塑性在肿瘤起始中的作用：细胞身份危机的一种表现
EMT 被定义为上皮细胞的可逆表型变化，包括极性丧失、细胞骨架重组、细胞间粘附减少和获得迁移、侵袭特性，且存在多种上皮 / 间质细胞状态，包括混合上皮 / 间质表型，这体现了上皮 - 间质可塑性（EMP） 。EMT 最初在鸡胚胎发育中被发现，随后研究表明其参与多种生理和病理过程，如胚胎发育中的神经嵴形成、癌症转移等 。研究发现，发育过程中的 EMT 和癌症发生中的病理 EMT 共享重叠的信号通路，癌细胞通过 EMT 趋向于神经样表型，这提示 EMT 可能干扰细胞身份，模糊细胞谱系边界 。
近年来，EMT 在肿瘤起始中的作用逐渐受到关注。在多种模型中，胚胎 EMT 程序的劫持和 EMT - TFs 的异常激活可导致肿瘤起始 。同时，表观遗传调控在致癌 EMT 程序中起重要作用，包括组蛋白修饰、DNA 甲基化和染色质修饰的重大变化，这些变化可调节 EMT - TFs 的表达 。
- 组蛋白修饰：在 EMT 过程中，全基因组范围内特定染色质结构域发生动态重编程，异染色质标记 H3K9me2减少，常染色质标记 H3K4me3和转录标记 H3K36me3增加 。具有转录活性标记 H3K4me1或 H3K4me3和抑制性标记 H3K27me3的二价染色质状态在调节 EMT - TFs 表达中起重要作用，赋予细胞谱系可塑性，促进肿瘤发生 。例如，ZEB1 启动子的二价染色质配置使其能快速响应 TGF-β 信号，增加 ZEB1 转录，诱导 EMT，促进乳腺癌细胞向癌症干细胞样状态转变 。此外，控制染色质状态的酶，如 PRC2 的酶亚基 EZH2，可通过抑制 CDH1 启动子，抑制 E - cadherin 表达，或通过 miR - 139 - 5p 轴促进 EMT 。同时，PRC2 也可限制 EMT 程序的激活，维持乳腺模型中变异基底上皮细胞的持续混合 EMT 状态，促进细胞增殖和干性 。
- DNA 甲基化：DNA 甲基化参与调控癌细胞的 EMT 和干细胞样特性的获得 。在乳腺癌和胰腺癌中，DNA 甲基转移酶水平升高 。DNMT1 可通过使抑制 EMT 的基因（如 FOXO3a）启动子超甲基化，促进 EMT 。对乳腺癌细胞 EMT 过程的全基因组甲基化分析发现，存在与 EMT 表型相关的 DNA 甲基化开关，如某些 EMT 相关基因的 CpG 区域超甲基化 。此外，DNA 甲基化还与混合上皮 - 间质细胞状态相关，这表明 EMT 与谱系可塑性之间存在表观遗传联系 。
- 染色质调控：染色质调节剂，如 ARID1A、DOT1L、BRD2 和 ZMYND8 等，在肺癌细胞的 EMT 调控中起关键作用 。不仅染色质状态，三维染色质结构也参与协调 EMP 。例如，黏连蛋白亚基 RAD21 可修饰高阶染色质环结构，改变染色质与 TGFB1 和 ITGA5 基因的相互作用，诱导 EMT 。此外，滞后控制（hysteresis control）参与 EMT 调控，它依赖于表观遗传记忆和 miR - 200s/ZEBs 的动态反馈回路，使经历 EMT 的细胞在不同上皮和间质细胞状态之间切换，经历高度塑性的身份变化 。
5. 展望
5.1 诊断生物标志物：表观遗传调控因子
表观遗传调控因子已成为多种癌症（如结直肠癌和乳腺癌）诊断和预后的重要生物标志物。它们能在不改变 DNA 序列的情况下反映基因表达变化，在精准医学中具有重要价值 。例如，Condelli 等人在转移性结直肠癌中鉴定出一个八基因的表观遗传特征，可预测不良预后和微卫星不稳定（MSI）样表型 。Yang 等人开发并验证了基于染色质调节因子的结肠腺癌预后特征，有助于患者分层和治疗干预 。此外，通过分析 DNA 甲基化模式，可发现乳腺癌的新型预后生物标志物，为治疗策略提供潜在靶点 。
5.2 超越 3D，迈向 4D：时空奇境
4D 基因组概念（包括时间动态和空间组织）为理解基因组调控及其在癌症中的作用提供了更深入的视角 。研究发现，在致癌基因诱导和复制性衰老过程中，染色质结构的时间变化可影响基因表达和细胞行为 。单细胞技术的进步使人们能够在单细胞分辨率下研究染色体组织的细胞周期动态 。通过整合单细胞 RNA 测序（scRNA - seq）和单细胞转座酶可及染色质测序（snATAC - seq）数据，可重建结肠癌肿瘤发生早期的详细图谱，识别与癌症进展相关的表观基因组状态转变 。对 Barrett 食管样本的 sc - ATAC - seq 分析表明，癌前细胞在增强子处具有特定组织的染色质可及性特征，体现了肿瘤发生过程中染色质调控的细胞身份可塑性 。在 Kras 突变的胰腺癌小鼠模型中，单细胞表观基因组研究揭示了不同的染色质可及性状态，定义了癌前胰腺上皮中的异质细胞状态，且在炎症环境中表观遗传可塑性增加 。4D 核组研究的不断发展，为探索癌症中的基因组调控提供了新的视角 。
综上所述，表观遗传生物标志物的整合和 4D 基因组动态的理解正在彻底改变癌症的诊断和治疗。通过针对特定的表观遗传修饰，有望开发出更精确有效的治疗方法，应对癌细胞可塑性和肿瘤进展的挑战。
