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为揭示癌症转移的非遗传驱动机制，研究人员通过单细胞测序技术系统追踪了肿瘤细胞在转移过程中的表型演化轨迹。研究发现，转移性癌细胞会先经历去分化进入胎儿样状态，随后再分化错误地激活替代谱系基因程序，形成具有转移潜能的谱系转分化克隆。这一过程与丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路激活密切相关，且可被MAPK抑制剂逆转。该研究为理解癌症转移提供了全新框架，并提示靶向谱系转分化是防治转移的潜在新策略。
癌症是威胁人类健康的主要疾病之一，而转移是导致绝大多数癌症患者死亡的原因。尽管科学家们已经知道原发肿瘤和转移灶在驱动基因突变上往往高度相似，但究竟是什么机制决定了只有少数肿瘤细胞能够成功“远征”并在远处器官“安家落户”，仍然是一个巨大的谜团。传统的观点聚焦于基因突变，然而，越来越多的证据表明，表观遗传调控和细胞可塑性可能在转移中扮演着关键角色。例如，肿瘤细胞会展现出类似胚胎发育早期的“胎儿样”状态，或者发生上皮-间质转化(EMT)，获得更强的迁移和侵袭能力。但这些状态与最终形成转移灶之间的具体联系，以及背后的核心驱动力，尚不清晰。这就像我们知道了士兵（肿瘤细胞）可能会接受某种训练（如EMT），但还不清楚是哪种训练最终能让他们成为合格的特种部队（转移性克隆），以及谁在指挥这场训练。
为了回答这些问题，一项发表于《Research》的研究应运而生。研究人员独辟蹊径，从“细胞身份”转变的视角切入，提出并验证了一个新假说：癌症转移的核心特征并非仅仅是变得“幼稚”（胎儿样）或“流动”（EMT），而是发生了根本性的“身份转换”，即谱系转分化。这项研究综合利用了前沿的生物信息学工具和多组学技术，旨在单细胞分辨率下，全景式描绘癌细胞在向转移演进过程中，其转录组和表观基因组的动态变化规律，并探寻其背后的分子开关和临床意义。
为开展此项研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：首先，整合并分析了大量已发表的小鼠和人类肺癌及其他多种癌症的单细胞RNA测序(scRNA-seq)和单细胞ATAC测序(scATAC-seq)数据集，以重建癌细胞演化轨迹。其次，开发了新的生物信息学方法，用于量化单细胞的“谱系保真度”和推断其可能的“祖先细胞类型”。第三，利用本研究团队收集的临床队列（如Challenge-Lung和Challenge-PANCAN队列）样本，进行了DNA甲基化(DNAm)测序和生物信息学去卷积分析，构建了用于检测谱系转分化的“DNAm偏差指数”。最后，通过细胞功能实验（如siRNA敲低和Transwell实验）和药理学扰动（如ALK抑制剂处理），在体外验证了关键转录因子和信号通路的功能。
研究结果
1. 小鼠肺癌在转移演化过程中发生转分化
研究人员首先利用遗传工程小鼠肺腺癌(LUAD)模型，整合分析其单细胞转录组和染色质可及性数据。他们描绘出一条清晰的演化路径：正常的肺泡Ⅱ型(AT2)细胞→支气管肺泡干细胞样细胞(BASC)→原发癌细胞→Cldn4+细胞→EMT细胞→转移细胞(Met1/Met2)。沿着这条路径，癌细胞逐渐失去肺谱系特异性基因程序，先去分化进入一个胎儿样、EMT活跃的状态，随后再分化，错误地激活了神经胶质、间质、内皮等替代谱系的基因程序。转录因子活性分析显示，肺谱系因子（如Nkx2-1）活性下降，胎儿样因子（如Gata3）活性先升高后降低，而替代谱系因子活性则在转移细胞中显著升高。研究人员引入了“谱系保真度”量化指标，发现癌细胞在转移演化过程中谱系保真度 progressively 降低。此外，谱系追踪和种群数量估算揭示，在Cldn4+向EMT细胞演进时存在一个种群瓶颈，只有约5.86%的Cldn4+细胞能成功进入下一阶段，提示转分化是一个受表观遗传随机性驱动的选择性过程。
2. 人类肺癌在转移演化过程中同样存在转分化
为了验证小鼠模型中的发现是否适用于人类癌症，研究团队重新分析了人类LUAD患者从早期原发灶到晚期转移灶（如胸水、淋巴结、脑）的单细胞转录组数据。结果显示，与小鼠模型一致，人类LUAD细胞在进展过程中，其谱系保真度逐渐下降，而干细胞性(CytoTRACE评分)则先升高（至晚期原发癌）后降低（在转移癌）。基因共表达模块分析表明，随着癌症进展，肺谱系相关程序表达减少，而替代谱系（如神经元样、肝细胞样）程序表达增加。绝大多数癌细胞仍可被归类为单一的终末细胞类型，但其转录谱越来越偏离其起源的肺细胞，罕见的多谱系映射细胞可能代表了转分化的中间状态。
3. 转分化是人类转移性癌症的一个标志
研究将分析扩展到8种其他人类癌症类型（包括乳腺癌、结直肠癌、前列腺癌、胃癌、肾透明细胞癌、肝细胞癌、头颈鳞癌和葡萄膜黑色素瘤）的单细胞数据。在所有分析的腺癌和非腺癌（头颈鳞癌除外）中，转移性癌细胞相较于原发癌细胞都表现出谱系保真度的下降。即使在头颈鳞癌和葡萄膜黑色素瘤中，转移细胞的干细胞性也显著降低。这表明谱系转分化是多种癌症类型转移中的一个普遍现象。
4. 人类转移性癌症中的表观基因组转分化
研究人员建立了一种基于DNA甲基化(DNAm)谱检测谱系转分化的方法。通过对临床肺癌样本的分析，他们定义了一个“DNAm偏差指数”，该指数与肿瘤的组织病理学分级、侵袭性类型正相关。重要的是，在配对的原发灶-转移灶样本（涵盖肺癌、胃癌、前列腺癌、脑膜瘤、胰腺神经内分泌肿瘤）中，转移灶均显示出比原发灶更高的非起源组织DNAm信号，表明转分化细胞在转移灶中更富集。生存分析显示，在膀胱癌、肺腺癌、肾透明细胞癌、前列腺癌和低级别胶质瘤等多种癌症中，高DNAm偏差指数的患者其无进展生存期更差。该指数与反映胎儿样状态的甲基化干性指数(mDNAsi)相关性不一致，且在多变量分析中能独立预测更差的预后，提示转分化状态本身是驱动不良预后的关键特征。
5. 致癌性MAPK信号通路的遗传性获得与谱系转分化相关
对临床队列的遗传学分析发现，MAPK信号通路的高水平激活（如携带致病性EGFR突变、MAPK癌基因的染色体外DNA扩增或激酶融合）与高DNAm偏差指数显著相关，而抑癌基因的失活则无此关联。在携带EML4-ALK融合的人类肺癌单细胞染色质可及性数据中，ALK阳性样本的转分化癌细胞亚群更富集，且其中替代谱系转录因子活性更高。MAPK信号高的肿瘤在全基因组转录因子结合位点(TFBS)周围表现出更高的DNA甲基化水平，可能通过抑制肺谱系和EMT相关转录因子的功能来促进转分化。功能实验证实，敲低转分化相关的关键转录因子（如ETV6, GATA3, SOX2等）能显著抑制肺癌细胞的迁移和侵袭能力。
6. MAPK失活可逆转人类癌症的谱系转分化
药理学实验表明，用ALK抑制剂处理EML4-ALK阳性的肺癌细胞系，可使其从上皮样表型转向EMT样表型，减少替代谱系的DNAm信号和基因表达，同时重新诱导胎儿样和EMT相关基因。对EGFR和RET驱动肺癌细胞系的批量RNA测序数据分析也发现，酪氨酸激酶抑制剂(TKI)处理会诱导肌源性和EMT基因集的激活。在患者活检单细胞数据中，TKI治疗响应与谱系保真度升高、替代谱系程序抑制相关，而疾病进展时则出现相反的趋势。这表明致癌性MAPK信号是维持癌细胞谱系转分化状态所必需的，抑制该通路可使其向更谱系忠实的状态逆转。
研究结论与讨论
该研究通过整合多组学单细胞数据分析，系统阐述了癌症转移的一种新型演化机制。研究发现，转移并非简单源于胎儿样状态的获得或EMT，而是经历了一个“去分化-再分化”的谱系转分化过程。癌细胞首先失去原有身份，进入一个可塑性高的胎儿样中间状态，随后错误地激活并锁定在替代谱系的基因程序上，从而获得转移能力。这一过程在多种小鼠和人类癌症中普遍存在，并与肿瘤分级、转移潜力和患者不良预后紧密相关。
研究进一步揭示，致癌性MAPK信号通路的激活是驱动谱系转分化的关键分子开关。MAPK信号不仅促进全局性的de novoDNA甲基化，可能通过抑制原有谱系身份，还为替代谱系程序的建立创造条件。抑制MAPK信号可逆转转分化状态，这为临床上术后辅助TKI治疗能够预防转移（如ADAURA等临床试验）提供了潜在的机制解释。因此，靶向谱系转分化过程或其上游的MAPK信号通路，有望成为遏制癌症转移的新策略。
研究的局限性在于主要基于生物信息学分析和已有数据集，缺乏直接的遗传学操作实验证明诱导转分化足以导致转移。此外，对更高层级的染色质结构变化、转分化状态是否决定转移器官嗜性及其在体内微环境适应和免疫逃逸中的具体作用，仍有待未来研究。尽管如此，该工作首次将谱系转分化确立为癌症转移的一个核心特征，为理解肿瘤演化和开发抗转移疗法开辟了新的视角和途径。
