《Signal Transduction and Targeted Therapy》：Chromosomal instability in cancer: sources, consequences and new therapeutic opportunities
染色体不稳定性（chromosomal instability, CIN）是指在连续细胞分裂过程中染色体分离错误率升高的现象，是侵袭性强、预后差的癌症的标志性特征。表现出CIN的癌细胞可能同时获得染色体数目改变（numerical CIN, N-CIN）和结构改变（structural CIN, S-CIN），分别源于染色体错误分离和DNA复制/修复缺陷。重要的是，这两个过程紧密互相关联：错误分离的染色体易于发生DNA损伤，而DNA复制或修复缺陷又可反过来促进染色体错误分离。因此，CIN是这些相互交织的事件共同作用的结果。CIN可通过增强癌细胞的适应能力、促进肿瘤内异质性（intratumor heterogeneity, ITH）、治疗耐药性和转移潜能的获得，为癌细胞提供生存优势。相反，在健康细胞中诱导CIN通常会损害细胞适应性和活力，触发衰老和凋亡。因此，癌细胞发展出特定的适应能力以耐受CIN，并常常依赖于特定的CIN耐受通路。阐明CIN背后的分子回路并厘清其在癌症中多重作用的基础，将加深研究人员对肿瘤发生机制的理解，并揭示染色体不稳定癌症中可被治疗利用的脆弱性。本文就CIN的主要来源、新发现的CIN特异性依赖和脆弱性以及CIN如何影响基因组完整性提供了一个整合性的视角。研究人员讨论了关于CIN对肿瘤进化或消退潜在影响的新证据，包括CIN悖论。研究人员进一步强调，将这些新信息与能够在肿瘤内对CIN进行定量、定性和时空表征的新兴诊断技术相结合，正在重塑研究人员在单肿瘤水平上定义CIN的能力，为靶向治疗策略开辟了新途径。
染色体不稳定性（CIN）的分类
CIN可细分为两大类：数目型CIN（N-CIN）和结构型CIN（S-CIN）。N-CIN指染色体数目的改变，包括整条染色体的获得或丢失（非整倍性，aneuploidy）或整套染色体的获得（多倍性，polyploidy）。S-CIN指染色体的结构改变，如扩增（amplification）、缺失（deletion）、倒位（inversion）、易位（translocation）、染色体碎裂（chromothripsis）或染色体外环状DNA（extrachromosomal circular DNA, eccDNA）。尽管这两类CIN源于不同的机制且发生频率各异，但它们相互关联，建立了自我强化的循环，加剧了基因组紊乱并推动肿瘤进化。
CIN的驱动机制
CIN可源于多种分子缺陷。染色体分离缺陷可导致数量型基因组改变，主要引起N-CIN；而DNA复制/修复错误可促进质量型基因重排，主要导致S-CIN。N-CIN优先来源于动粒-微管（kinetochore-microtubule, K-MT）附着异常、纺锤体组装检查点（spindle assembly checkpoint, SAC）这一延迟后期启动直至纺锤体组装完成的安全保障机制失效、中心体（centrosome）异常或染色单体粘连（chromatid cohesion）缺陷。S-CIN通常源于控制DNA复制和完整性的机制失调，如复制应激（replication stress）、复制叉崩溃、DNA损伤应答（DNA damage response, DDR）通路缺陷以及端粒（telomere）功能障碍。此外，表观遗传扰动也可能同时促进N-CIN和S-CIN，两种形式的不稳定性在机制上相互关联。
在动粒-微管附着异常方面，有丝分裂中微管与染色体的连接是一个受纠错机制调控的复杂动态过程。Aurora B激酶（AURK B）嵌入多蛋白染色体乘客复合体（Chromosome Passenger Complex, CPC）中，在这一过程中发挥关键作用。肿瘤中常表现出比染色体稳定的二倍体细胞更稳定的K-MT附着，提示K-MT动态性降低可能稳定错误的K-MT附着并影响纠错机制。此外，着丝粒是动粒的对接位点，其改变可导致K-MT附着错误并引起CIN。人类着丝粒身份主要由组蛋白H3变体CENP-A的限定性沉积所定义，CENP-A过表达诱导的错位分布已被证明可促进非整倍性和CIN。
在纺锤体组装检查点受损方面，SAC是防止染色体错误分离的重要安全保障机制，通过在有丝分裂中抑制促进后期启动的泛素连接酶APC/C
Cdc20来延迟后期进程。SAC效应因子在未附着或错误附着的动粒上组装成有丝分裂检查点复合体（mitotic checkpoint complex, MCC）。SAC信号传导的故障可改变姐妹染色单体分离的时机，影响K-MT附着的纠错机制，并加剧染色体错误分离和CIN表型。SAC成分的过表达或低表达在多种人类癌症中被观察到，但SAC基因突变在人类肿瘤中较为罕见。
在中心体缺陷方面，中心体是动物细胞中主要的微管组织中心（MTOCs），中心体复制的失败或过早的中心粒解离可导致多极或单极纺锤体的形成，这在许多癌症中常见。多极纺锤体可经中心体聚集成伪双极纺锤体，但瞬时异常纺锤体可促进merotelic附着等错误K-MT连接，导致后期滞后染色体。滞后染色体可最终正确分离而不影响子细胞倍性，也可错误分离驱动N-CIN，还可因被胞质分裂沟捕获而遭受机械损伤，或进入微核（micronuclei, MN）中，易于发生广泛碎裂和染色体重排事件如染色体碎裂。
在姐妹染色单体粘连缺陷方面，有丝分裂中着丝粒姐妹染色单体粘连由黏连蛋白（cohesin）多亚基复合体保证，黏连蛋白基因的体细胞突变已在多种人类肿瘤中被发现。黏连蛋白还在建立DNA拓扑结构中发挥关键作用，其突变可通过诱导DNA复制应激促进癌变。
在复制应激、DNA损伤和DNA修复缺陷方面，复制应激是一个涵盖多种异常DNA复制状况的广义术语，常继发于癌基因激活。停滞的DNA复制叉召集修复蛋白激活DDR，若修复失败则可能崩溃并导致DNA双链断裂（double strand breaks, DSBs）。复制应激的主要应答由ATR激酶控制，该激酶通过激活CHK1和WEE1激酶触发DNA复制检查点。DSB的不完全加工或通过易错通路的修复可导致基因组重排，包括缺失、易位、双着丝粒染色体形成等，从而促进CIN。此外，端粒和着丝粒因其特殊结构特征而特别易受复制应激影响。核膜功能障碍也日益被认为是DNA损伤和基因组不稳定性的重要来源。
在表观遗传扰动方面，表观遗传失调已成为CIN的驱动因素，特别是通过损害着丝粒完整性和中心体稳态。DNA低甲基化是癌细胞的显著特征，常与表现出CIN的癌症相关。CENP-A的翻译后修饰也促进CIN。另一个涉及CIN的主要表观遗传调控因子是组蛋白甲基转移酶EZH2，其在转移性细胞中上调，通过抑制tankyrase（TNKS）导致中心体过度复制和多极有丝分裂，积极促进CIN并推动转移进展。
N-CIN与S-CIN之间的串扰
N-CIN和S-CIN很少孤立发生。错误分离的染色体可在胞质分裂期间被切割沟捕获并遭受损伤和DSBs；滞后染色体可被包裹入MN，在后续细胞周期中发生DNA损伤和染色体碎裂；持续性后期DNA桥可诱导胞质分裂沟退化导致四倍体细胞形成。此外，染色体错误分离和非整倍性扰乱染色体化学计量和基因剂量，导致DNA复制应激，改变转录组和蛋白质组，造成多蛋白复合物组装失衡，引发蛋白毒性应激（proteotoxic stress）并损害DNA复制机器功能。
CIN的双重后果
CIN对肿瘤发生、进展和严重程度产生多变的影响，通常与高级别癌症、转移和不良预后相关，但少数CIN癌症患者表现出更好的生存率。
在蛋白稳态失衡方面，CIN细胞通常因基因剂量或表达改变而表现出蛋白质合成水平的失衡，压倒蛋白稳态网络（proteostasis network, PN）的控制能力，导致蛋白毒性应激。蛋白毒性应激可产生有害和有益两种效应。CIN细胞可通过调节溶酶体活性、翻译、RNA加工和分子伴侣的可用性来克服蛋白毒性应激损伤，其中热休克反应（heat shock response, HSR）是应对蛋白毒性应激的基础机制。
在能量代谢重编程方面，CIN可产生多种代谢应激，如增强的糖酵解通量、增加的线粒体活性和升高的活性氧（reactive oxygen species, ROS）产生。CIN癌细胞可通过代谢重编程克服这些潜在有害条件。高CIN水平的癌细胞可能表现出增强的有氧糖酵解、对半胱氨酸摄取和谷胱甘肽合成的依赖性增加，而低CIN癌细胞则可能更依赖线粒体氧化磷酸化。
在细胞周期阻滞和凋亡方面，错误分离的染色体可通过p53依赖机制诱导细胞周期阻滞和凋亡。最近研究还发现了由USP28-53BP1-p53-p21通路激活组成的"有丝分裂秒表"，以及感知染色体错误分离诱导的核膜变形的机械敏感性核膜检查点，均可驱动p53介导的G
1期阻滞。cGAS-STING通路在凋亡诱导中也发挥非预期作用。
在微核形成和染色体碎裂方面，CIN癌细胞中的滞后染色体或染色体片段可被单独包裹入MN。MN内的DNA复制效率低下，MN膜常发生破裂，将其DNA内容物暴露于胞质。这些条件可触发染色体碎裂和炎症反应。MN膜完整性对ROS高度敏感，MN与线粒体的近距离接触可触发ROS依赖的MN膜崩塌。MN破裂进一步驱动染色体碎裂并增强cGAS介导的炎症。
在衰老方面，错误分离的染色体和非整倍性可通过促炎性衰老相关分泌表型（senescence-associated secretory phenotype, SASP）诱导细胞衰老。衰老细胞虽被不可逆地排除于有丝分裂之外，但仍保持活力并产生代谢改变。SASP分泌组包括促炎性可溶性因子，这些信号的持续存在可能在短期内促进衰老细胞被NK细胞清除，但长期则促进慢性炎症和癌症进展。
在炎症和免疫调节方面，CIN可促进炎症并调节抗肿瘤免疫应答。低至中等水平的CIN可产生肿瘤细胞多样性和新抗原异质性，增强免疫识别并支持免疫介导的肿瘤清除。然而，高水平的CIN通过cGAS-STING轴的慢性激活促进下游信号输出的功能性重编程，包括IFN-I应答减弱和向促肿瘤炎症信号的转变，导致凋亡抵抗、免疫抑制、EMT基因高表达和转移。
在转移能力方面，CIN通过促进细胞可塑性以情境依赖的方式促进转移启动。CIN还与ZEB1基因缺失相关，促进间质-上皮转化（MET）和外渗。最近发现CIN通过诱导微核DNA暴露于胞质引发的胞质DNA应答，导致cGAS-STING通路下游非经典NF-κB信号激活而触发转移。
在治疗耐药方面，CIN赋予肿瘤细胞广泛且不断增加的基因组异质性，在削弱治疗效果中发挥关键作用。CIN诱导的ITH作为一种称为"细胞对冲"（cellular bet-hedging）的生存策略发挥作用。CIN肿瘤大多表现出化疗耐药和高侵袭性。此外，CIN通过其固有可塑性、大规模基因组重塑和表观遗传适应性，也主要促成对癌基因靶向治疗的耐药。
癌细胞对CIN的适应机制
癌细胞通过多种机制将CIN维持在致死阈值以下以生存和进化，包括SAC调节、DNA损伤和复制应激耐受、蛋白毒性负担补偿、代谢重编程和免疫信号调节。
在SAC调节方面，肿瘤细胞可通过下调APC/C活性来限制过度的CIN。具有多余中心体的癌细胞常将额外中心体聚集形成伪双极纺锤体，虽可促进merotelic附着，但缓解了多极后期启动的灾难性后果。全基因组加倍（whole genome doubling, WGD）可增加对CIN的耐受性，而Kif18A已成为WGD
+和CIN癌细胞生存的必要因子。
在DNA损伤和复制应激耐受方面，p53通路失活或旁路是适应的重要途径，但并非唯一机制。非整倍体细胞可通过RAF/MEK/ERK通路克服增加的DNA损伤而不依赖于p53状态。此外，非整倍体细胞通过DNA复制和修复因子的转录重编程降低复制应激，并可通过增加休眠复制起点 firing 和有丝分裂DNA合成（mitotic DNA synthesis, MiDAS）来耐受复制应激。跨损伤合成（translesion synthesis, TLS）聚合酶的上调是癌细胞抵抗DNA损伤/复制应激的常见方式。
在蛋白毒性负担补偿方面，癌细胞常通过增加分子伴侣产生、增强泛素-蛋白酶体活性以及自噬和溶酶体降解通路、激活未折叠蛋白应答（unfolded protein response, UPR）来限制CIN。
在代谢重编程方面，代谢重编程对于适应CIN施加的高能量需求和氧化应激条件是必要的。AMPK、mTOR/PI3K通路、HIF-1α、MYC和应激响应转录因子共同重编程代谢回路以促进糖酵解、谷氨酰胺依赖、抗氧化能力和线粒体功能。
在免疫信号调节方面，对CIN的适应常涉及固有免疫信号通路的调节。慢性CIN诱导的cGAS-STING轴及其下游程序的激活被协同选择以支持肿瘤细胞生存、免疫逃逸和转移进展。
CIN在肿瘤进化中的动态作用
CIN是人类癌症的普遍特征，也是肿瘤进化动力学的主要驱动力。癌症以CIN为特征的进化动力学更为复杂，因为大规模基因组重排可产生广泛、同步且快速的遗传变异。肿瘤进化涉及渐进选择、分支进化、基因组改变的中性积累和间歇性基因组剧变的组合。CIN通过产生连续的核型多样性促进了克隆选择和随机多样化，充当进化工具箱使肿瘤能够探索适应性景观。
探索CIN悖论
CIN对肿瘤发生的影响是非线性的。中等水平的CIN似乎在遗传多样化与细胞活力之间实现了最佳平衡。相反，过高的CIN率通过触发有丝分裂灾难、蛋白毒性应激和代谢负担而施加严重的适应性代价。这支持了"恰好"（just-right）假说，即肿瘤细胞从中等水平的基因组不稳定性中获得最大进化收益。然而，细胞耐受性和组织类型关键性地调节CIN的结果。
CIN评估的挑战：从基础研究到临床转化
CIN作为一种动态过程而非静态状态，难以精确诊断。传统方法依赖间接的群体水平替代指标而非正在进行的CIN的测量。新兴技术正在重塑CIN的量化，包括活细胞成像平台、CRISPR基因座标记等实现有丝分裂错误的直接动态可视化。单细胞组学已成为定量CIN分析的核心支柱，单细胞DNA测序（ssDNA-seq）和单细胞RNA测序（ssRNA-seq）可在单个细胞分辨率下进行全基因组分析。空间多组学方法将空间信息与基因组推断相结合，AI驱动的多组学数据整合也有望将复杂的癌症分子图谱转化为临床可操作的见解。
CIN靶向治疗策略
将CIN率增强至超过临界阈值是杀死CIN肿瘤细胞的可行策略。传统抗癌药物也通过诱导基因组不稳定性来促进癌细胞死亡或衰老并刺激免疫清除。CIN同时也创造了可被治疗利用的依赖性和脆弱性。
在有丝分裂纺锤体调节方面，经典CIN诱导剂如微管靶向药物（microtubule targeting agents, MTAs）影响纺锤体组装，紫杉烷类广泛用于实体瘤治疗。SAC抑制剂（SACi）增强APC/C
Cdc20激活并诱导有丝分裂提前退出，Mps1作为关键SAC激酶已成为重要靶点。纺锤体驱动蛋白如Kif18A在有丝分裂中抑制微管动力学以促进染色体正确排列，其小分子抑制剂在临床前研究中显示出显著的肿瘤抑制活性。
在细胞周期调控方面，Wee1抑制剂（Wee1i）显示出在TP53突变存在下的合成致死作用，并可增强对DNA损伤药物的敏感性。CHK1/2抑制剂（CHKi）旨在加剧复制应激、DSBs和染色体碎裂，但因剂量限制性毒性和耐药机制而临床效果有限。AURK A/B抑制剂（AURKi）通过破坏有丝分裂纺锤体功能和纠错机制导致严重CIN和细胞死亡。PLK1抑制剂（PLK1i）尽管临床前结果令人鼓舞，但临床试验中因疗效降低和耐药的出现而成功有限。
在DNA转录和损伤控制方面，组蛋白去乙酰化酶抑制剂（HDACi）通过多种机制诱导基因组不稳定性。ATM抑制剂（ATMi）在合成致死策略中具有广阔治疗潜力，与PARP抑制剂联合使用前景最大。CDK7抑制剂（CDK7i）已被证明可增加CIN。
在蛋白稳态调节方面，CIN肿瘤表现出对蛋白稳态网络的强烈依赖性。通过使用蛋白酶体抑制剂（proteasome inhibitors, Pi）、HSR抑制剂（HSRi）、自噬抑制剂（autophagy inhibitors, Ai）和UPR通路抑制剂（UPRi），可利用这一脆弱性。IRE1α的抑制可重编程肿瘤微环境（TME）并增强抗肿瘤免疫。
在代谢重编程方面，CIN驱动的非整倍性对肿瘤细胞施加深刻的代谢应激，这些适应创造了可利用的脆弱性。谷氨酰胺酶抑制剂（GLSi）、NAMPT抑制剂（NAMPTi）和NRF2信号调节剂等正在临床试验中评估。
在免疫调节方面，染色体不稳定癌细胞依赖cGAS-STING介导的炎症调节维持生存，靶向IL-6/STAT3通路可能为CIN肿瘤提供有前景的治疗策略。ENPP1抑制剂作为新型固有免疫检查点，CD47-SIRPα信号靶向疗法和CSF-1R抑制剂也正在临床研究中。
结论与未来展望
CIN曾被视为恶性转化的后果，现已被认为是积极塑造癌症进展和治疗应答的肿瘤进化的根本驱动力。CIN源于多种常共存的异常的汇聚。通过持续产生基因组变异，CIN为克隆选择提供底物，加速肿瘤进化并促进ITH。矛盾的是一方面，推动肿瘤进化的同样过程也施加了显著的适应性代价，CIN扰乱蛋白稳态、重编程细胞代谢、促进慢性复制和DNA损伤应激并调节免疫通路。因此成功的癌细胞必须将CIN维持在一个最佳范围内。CIN还通过调节炎症和免疫信号通路积极影响TME。将这些见解转化为临床可操作框架的关键问题在于CIN的准确定量，区分活跃CIN与稳定基因组改变仍是关键局限。新兴技术如单细胞多组学、空间转录组学、长读长测序和AI整合正开始改变这一局面。在治疗方面，当前策略集中于两种互补途径：一是将CIN加剧至超过细胞耐受阈值，二是靶向使CIN耐受细胞能够在持续基因组失衡中存活的适应机制。合理联合疗法可能比单一药物疗法产生更大的治疗效益。继续深入剖析CIN的机制、后果和情境特异性脆弱性，结合技术和临床创新，对于将CIN从不良预后的标志转变为可干预、可治疗利用的脆弱性至关重要。
