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113分Nature神子刊重磅综述介绍这一肿瘤发生机制,快收藏!

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细胞竞争


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多细胞生物中存在细胞竞争的行为早在1975年就已经被证实。具有更高适应性的细胞通过细胞竞争来消灭具有较低适应性的细胞,对组织器官质量和适合度的维持起着重要作用。


2022年9月29日,荷兰阿姆斯特丹大学的Louis Vermeulen和Sanne M. van Neerven在Nature Reviews Molecular Cell BiologyIF=113.915)期刊上发表了综述论文,题为“Cell competition in development, homeostasis and cancer”,文中主要讨论了细胞竞争的机制及其在胚胎发育、内稳态和癌症中的作用,并分析了如何利用细胞竞争改善癌症和其他疾病的预防和治疗




摘要


器官发育和内稳态涉及个体细胞之间的动态相互作用,共同调节组织结构和功能。为了确保最高的组织保真度,同等合适的细胞群体会通过随机替换事件不断更新,而被认为不太合适的细胞会被更合适的细胞主动移除。这种更新是由统称为细胞竞争的监视机制介导的。最近的研究表明,细胞竞争在大多数(即使不是全部)发育中的组织和成年的组织中起作用。这些研究还确定了细胞竞争作为肿瘤抑制机制和肿瘤促进机制的功能,因此对癌症的发生和发展具有重要影响。这篇综述讨论了细胞竞争的机制及其在胚胎发育、内稳态和癌症中的不同作用的最新见解。



简介


多细胞生物的发展和维持需要具有不同功能和特征的细胞的精确组织,即使是在进化中建立的建筑计划上的微小偏差都可能导致形态发生过程中的一系列畸形,加速衰老并导致疾病。因此,细胞群具有质量控制机制,以保护组织和器官的完整性。这些机制包括监测项目,其特点是持续监测细胞适应度,统称为“细胞竞争”。


1975年,Morata和Ripoll在研究黑腹果蝇翅原基中杂合核糖体基因突变的作用时首次描述了细胞竞争。尽管这些突变体可以生长发育并能够形成功能性有机体,但当与野生型细胞接触时,基因镶嵌中的突变细胞就会被主动清除。当发现野生型细胞被更合适的、表达致癌基因的细胞所击败时,细胞竞争的概念被进一步扩展,这种现象被称为“超级竞争”。这些发现表明,细胞能够相对于邻近细胞比较自身的适应水平,然后移除最不适应的细胞,或“失败者细胞”。


在过去的十年中,这些在黑腹果蝇模型中的初步发现已经在更复杂的哺乳动物系统中得到了研究。研究发现,细胞竞争和超级竞争的机制在进化上是保守的,在胚胎发育和内稳态过程中,它们在去除不适合的细胞方面起着关键作用。重要的是,大多数超级竞争的例子都涉及癌症中失调的信号通路,如WNT信号通路、p53信号通路和Hippo信号通路;因此,人们越来越关注癌症中细胞竞争的研究。


在生物体的生命周期中被替换的绝大多数细胞都是遗传或表型上的野生型,因此不能被认为是“不适合”的。这些细胞总体上具有相同的细胞适应性,并参与一个被称为“中性竞争”的过程——由细胞进程中的随机性质驱动的持续随机损失和替换事件——共同平衡组织内细胞的数量。


重要的是,中性和非中性竞争发挥着非排他性的作用,尽管两者的相对作用通常很难评估,而且可能在发育和衰老过程中发生变化。中性系统中相对细胞适合度的突然差异会引发自发的非中性竞争。例如,在小鼠外胚层细胞中,观察到MYC表达的随机变化通过超级竞争触发了低MYC表达细胞的消除。这项开创性的工作表明,哺乳动物细胞不仅有能力主动清除组织中的细胞,而且随机性是任何形式的细胞竞争的一个重要方面。


在这篇综述中,我们讨论了中性和非中性细胞竞争的机制及其在胚胎发生、组织稳态和衰老中的作用,并特别强调了哺乳动物系统。我们还分析了细胞竞争在肿瘤发生过程中作为抑癌机制和促癌机制的双重作用。


适应性:在细胞水平上,一个细胞在一个细胞群中的相对能力。在种群水平上,克隆或遗传变异在一个组织或有机体中保持或扩展的相对能力。

翅原基:黑腹果蝇中携带少量未分化前体细胞的组织,前体细胞扩展、分化并共同形成成年翅膀和大部分的瘤膜。翅原基发育是研究细胞竞争的一个重要模型。

Hippo信号通路:一种进化上保守的途径,通过调节增殖、分化和细胞存活来控制发育和内稳态期间的器官大小。在癌症发展过程中,Hippo信号经常失调,这促进了肿瘤的扩张。



细胞竞争的类型


多年来,细胞竞争机制明显以多种形式出现。虽然最初是在遗传镶嵌的黑腹果蝇中作为一种细胞消除的主动机制被发现的,但大多数自然发生的遗传变异几乎不会影响细胞的适应性。因此,主动竞争对观察到的组织内的遗传多样性的贡献微乎其微。相反,关于干细胞在发育和内稳态的动力学集中研究表明,大多数细胞替换遵循中性竞争所描述的动力学。在这种情况下,种群变异是由细胞克隆的存在来解释的,这些克隆具有中性或近乎中性的遗传变异,在组织内以波动的种群存在。这些种群可以随机消失,也可以普遍存在并扩大,有时它们会完全占据器官内的克隆单位(例如肠隐窝),从而达到组织固定的程度(图1a)。



有趣的是,即使在基因相同的细胞群中,基因表达的自发振荡也会在克隆群中产生时间适应度差异,从而引发优先克隆扩展或主动克隆消除的浪潮。因此,重要的是要记住,细胞群之间的任何竞争相遇的结果都不是确定的,而是受到许多内部和外部影响的随机过程的结果。在这里,我们试图对大量的细胞竞争机制进行分类,首先区分被动和主动的细胞竞争形式,然后讨论主动型细胞竞争的不同模式。


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中性竞争


谱系追踪研究已经证实中性细胞竞争在黑腹果蝇和哺乳动物组织的稳态中广泛存在。成体组织是由等效的干细胞或祖细胞种群维持的,它们在一个组织的有限空间内,在无限的周期内平衡增殖细胞和分化细胞的数量。虽然这些干细胞共同起着维持细胞数量平衡的作用,但从单个细胞的角度来看,它们与周围的干细胞进行持续的竞争。由于干细胞的等效性,干细胞的丢失和替换是随机发生的,导致克隆体的随机膨胀和收缩(图1b)。因此,细胞水平的中性竞争导致群体水平的中性点漂移,并描述了基因中性变异在自我更新组织中的传播。由于这些漂移动态,克隆多样性随着时间的推移逐渐减少,而个体克隆的规模则逐渐增加。重要的是,这种中性细胞竞争在胚胎发育过程中也被描述过,并被观察到是癌症进化的关键驱动因素。



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有偏竞争


虽然大多数干细胞群被认为是等效的,但并不是所有的干细胞都对干细胞池的补充做出了相同的贡献。例如,位于肠隐窝最低部分的肠干细胞(intestinal stem cells,ISCs)是最接近生态位因子的,因此更有可能留在干细胞区,同时物理地将位于隐窝上方的干细胞推出。同样,在青春期,只有位于延长的乳导管末端的末端乳芽边缘的乳腺干细胞才有助于导管扩张,造成时间位置偏差。重要的是,当细胞位置在末端乳芽的分叉期间被重新分配时,这种偏差就被消除了。这表明,细胞在干细胞生态位中的位置决定了其争夺占用生态位和维持干细胞潜能的潜力。此外,无论何时,只要突变的出现确实带来了选择性的适应性优势或劣势,竞争就会向最适合的克隆倾斜。这种有偏漂移描述了克隆的被动选择,这些克隆要么比它们的中性邻居增殖得更多,要么被替换得更少(图1c)。结果,适者克隆的组织固定概率增加,其速率取决于相对适应度差异。重要的是,由于竞争事件的随机性质,较适合的克隆并不总是在竞争中胜过较不适合的种群,仍然可能被淘汰,而劣势的克隆有时可能会扩张。




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主动型细胞竞争


尽管中性竞争和有偏竞争都可能随着时间的推移导致组织内克隆的扩张、收缩和固定,但它们是以被动的方式进行的,不会干扰邻近的克隆。相反,主动型细胞竞争导致不太适合的克隆被淘汰,随之而来的是合适的克隆的重新繁殖(图1d)。很明显,这种主动型细胞竞争可以在失败者细胞中诱导一系列反应,如凋亡、吞噬作用、分化作用和内吞作用。各种因素,包括年龄和组织结构,都会影响反应的选择,这再次强调了细胞竞争的环境依赖性本质。细胞传递适应度水平和激活细胞消除的机制尤其令人感兴趣。



外胚层:在分化和细胞命运的复杂过程中产生三个生殖系层的多能谱系。

克隆:由同一个祖细胞衍生而来的基因相同的细胞群。

组织固定:当一个组织被单个细胞或克隆的后代完全(100%)接管时,这种变异就会永久存在于组织中,也称为单克隆性。

中性点漂移:没有选择性优势的基因变异的传播。

末端乳芽:乳腺导管末端的高度增殖结构,推动乳腺的发育。

有偏漂移:具有选择性优势的基因变异的传播。

细胞套亡:一种非凋亡细胞死亡过程,其中一个细胞在存活时侵入或被另一个细胞吞噬。

活细胞挤压:在细胞密度高(拥挤)的组织中清除活细胞以维持组织中最佳细胞数量的过程。



主动型细胞竞争的模式


我们在此概述了主动型细胞竞争的模式(图2)。我们承认,任何细分都在某种程度上是任意的;然而,目前的分类捕获了区分不同模式的关键分子特征。因此,主动细胞竞争可以以基于信号的和机械的两种方式发生,并涉及许多不一定是排他性的机制;例如,多项研究报告称,不合适的细胞首先通过受体信号传递被识别,然后通过机械细胞竞争被清除。此外,基于信号的机制要么需要细胞与细胞的直接接触,要么可以通过可靶向更远细胞的可溶性信号发挥作用。关于细胞主动竞争机制的更详细例子已在其他文献中进行了综述。



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机械细胞竞争


细胞的消除可以是机械压力的直接结果。在正常情况下,机械力控制着稳态组织中的细胞数量。例如,在上皮切片中,组织高度拥挤的区域容易受到活细胞挤压,以减轻压力的积聚。然而,当拥挤敏感性出现差异时,最敏感的种群就会被主动清除。例如,通过下调细胞外信号调节激酶和上调促凋亡蛋白Hid,激活黑腹果蝇背板中的突变RasV12(也称为Ras85D),可导致压力敏感野生型细胞的清除(图2a)。同样,在极性因子Scribble沉默后,发现Madin–Darby犬肾细胞由于基线p53水平升高而对致密化高度敏感,当被诱导Scribble基因突变体致密化的野生型细胞包围时,Madin–Darby犬肾细胞优先被消除。



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基于信号的细胞竞争


另一种方法是通过改变细胞表面蛋白的表达来感知邻近不合适的细胞。例如,主要组织相容性复合体I表达增加的RasV12突变体可通过白细胞免疫球蛋白样受体B3被周围正常上皮细胞识别。这种识别在正常细胞中通过SHP2和ROCK2触发机械反应,导致细胞骨架蛋白丝蛋白在正常细胞和突变细胞之间的边界处积聚。这种丝蛋白的积累使正常细胞能够对转化细胞施加物理压力,并通过挤压作用将其清除(图2b)。虽然主要组织相容性复合体蛋白最初被确定为免疫样监测受体,但这项工作和对黑腹果蝇中其他免疫因子的关键研究为上皮细胞如何利用免疫检测机制驱动细胞竞争提供了令人信服的证据。在果蝇中证明的基于识别的细胞竞争的其他例子还有通过Sas–Ptp10D配体-受体信号去除scribble突变体,以及由多细胞动物中保存的细胞膜蛋白Flower(Fwe)介导的适应感测。



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通过可溶性信号竞争


细胞也可以通过分泌可溶性因子进行非接触竞争。例如,如在果蝇细胞培养物中所示,将含有竞争性Mychi和Myclow细胞的共培养物中的条件培养基转移到原始种群,根据其自身的相对Myc水平,可导致该种群的扩大或消除。类似地,将含有肿瘤抑制基因Apc(编码腺瘤性大肠息肉病)突变的小鼠肠道类器官培养物中的条件培养基转移到野生型培养物中,可诱导后者的消除,这一效果是通过分泌WNT拮抗剂来诱导正常干细胞的分化(图2c)。相反,在小鼠皮肤中,表达稳定β-连环蛋白的突变毛囊干细胞分泌WNT配体,吸引正常细胞,正常细胞反过来消除突变体,从而抑制突变体的生长并发挥抑瘤机制。



(昆虫)背板:果蝇胸部的背部部分。

Scribble:一种细胞极性基因,当基因功能丧失时,会对受体细胞造成不利影响。

主要组织相容性复合体I:在细胞膜上表达的参与介导细胞免疫的一类蛋白质。



发育过程中的角色


胚胎细胞的第一次分裂对生物体的正确发育至关重要。在受精卵的早期分裂步骤后,会形成一个多细胞囊胚,其内部细胞团包含原始的内胚层和外胚层细胞,分别形成卵黄囊和发育中的胚胎(图3a)。哺乳动物的外胚层由多能干细胞组成,这些细胞在原肠胚形成过程中分化为三个初级生殖层,最终形成生物体的所有细胞类型。在这一关键的步骤中,少数未成熟的外胚层细胞被指定形成整个生物体,因此高质量细胞的存在是至关重要的。很明显,中性和主动细胞竞争过程的结合参与了最适合的胚胎的形成,细胞可以根据基因组、转录组和代谢水平上的变异引起的适应度差异而被淘汰。



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多能性外胚层细胞的产生和维持


在细胞命运向原始内胚层或外胚层分化之前,内细胞团细胞在转录和表型上是同质的。Fgf4表达出现时间异质性后,内部细胞团谱系的分离发生,随后在内胚层或外胚层分别出现GATA6或NANOG的互斥表达(图3b)。当细胞在这种随机分离事件后没有归属于任何一个谱系时,它们就会通过主动竞争而被淘汰。这些未确定的细胞是由YAP的细胞质定位和Hippo途径转录因子TEAD的低活性来定义的,由于缺乏内胚层标记,它们被认为是不合适的外胚层细胞。由于外胚层细胞中的TEAD活性是多能因子强表达所必需的,因此TEADhi细胞会去除这些TEADlow的外胚层细胞,这是通过TEADlow细胞中半胱天冬酶的激活发生的(图3b)。这就允许选择具有最高多能性的细胞来形成外胚层。


即使形成了外胚层细胞,几乎约35%的外胚层细胞在原肠胚形成之前被主动去除,因为它们无法适应在转录、表观遗传和代谢水平上发生的动态变化。去除的一个原因是无法维持早期外胚层未分化的多能性状态。这种多能细胞状态的关键调控因子是MYC。MYC在外胚层的表达具有天然的异质性。这导致MYChi细胞通过主动细胞竞争持续去除MYClow细胞(图3c)。对小鼠胚胎干细胞(embryonic stem cells,ES细胞)内源性MYC水平的实时追踪显示,当MYClow细胞与MYChi细胞发生物理接触时,这些细胞会进一步降低它们的MYC水平,而当这种接触持续存在时,MYClow细胞会通过凋亡被清除,从而去除那些提前准备分化的细胞。在小鼠外胚层中也观察到了这种细胞消除机制,这些研究表明,细胞状态的时间性、随机性差异可能导致短期适应度差异,从而促使发育中的外胚层中适应度最低的细胞被淘汰。除了促进细胞竞争的基因外,小鼠诱导的多能干细胞的全基因组敲除筛选确定了Tp53(也称为Trp53)和Top1基因是体外细胞竞争的抑制因子,并揭示将Tp53突变或Top1突变的ES细胞与野生型ES细胞共同注射到囊胚中,可导致后者从胚胎中完全去除。最近的研究已经证实,Tp53的缺失确实会使ES细胞转变为超级竞争者。至关重要的是,这种竞争优势只发生在多能细胞分化时,而不是在多能细胞早期状态时,这突出表明这种超级竞争表型是环境依赖性的。


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非整倍体细胞的主动去除


具有遗传变异的细胞(例如,非整倍体)也会引发细胞竞争。非整倍体出现于子细胞在细胞分裂过程中收到不平等的染色体分布或不均匀的卵裂球切割时。最近的研究表明,在胚胎第13.5天,发育中的小鼠胚胎皮层中存在大量的非整倍体细胞,而这些细胞在出生后显著减少。此外,在着床前阶段主动诱导非整倍体会导致非整倍体克隆在发育过程中逐渐减少。与这些发现相一致的是,植入具有染色体嵌合性的人类囊胚可以产生整倍体后代,这表明在胚胎发育过程中非整倍体细胞从囊胚中被移除。


最近一项在黑腹果蝇翅原基组织中进行的研究表明,主动细胞竞争参与了组织中非整倍体细胞的清除。这项研究表明,细胞可以利用编码核糖体蛋白(ribosomal proteins,RPs)的基因内的拷贝数变化来“计数”染色体的数量,以此作为非整倍体的代用品。目前,已有超过70个RP编码基因被鉴定出来,它们随机分布在基因组中,并且是最佳核糖体组装所必需的。由于它们的基因组分散,非整倍性极有可能改变了RP编码基因的数量,从而扰乱了他们剂量的平衡。事实上,通过诱导特定染色体拷贝数的改变而产生非整倍体,只有当被消除的染色体片段含有RP编码基因时,才会导致获得性大杂合子缺失的细胞的主动消除。最近,另外两项研究表明,在果蝇中核糖体组成的不平衡会导致蛋白质毒性应激,从而导致RP编码基因突变的细胞处于失败者状态。这种应激反应随后驱动翻译起始因子eIF2α的磷酸化,导致蛋白质合成的全局减少和诱导凋亡。尽管这些发现还没有在哺乳动物系统中得到验证,但在人类中,RP编码基因也随机分布在染色体中,这意味着它们具有作为非整倍体传感器的潜在作用,类似于它们在果蝇中的作用。此外,在癌细胞系和体内肿瘤中,具有RP编码基因缺失的转化人类细胞也会被阴性选择,这一事实进一步支持了这一观点。


尽管识别不太适合的细胞的确切机制通常尚不清楚,但目前的研究已经捕捉到了濒临灭绝的外胚层细胞的遗传图谱,并揭示了一个常见的“失败者特征”,即p53活性增强,mTOR和MYC水平降低。此外,失败者特征在与线粒体功能障碍相关的基因中富集,并且具有代谢适应度差异的细胞被证明是主动竞争的。综合这些发现,我们可以清楚地看到,果蝇和小鼠的失败者细胞状态是由相同的进化保守分子途径驱动的,这表明细胞竞争在人类发展中也起着关键作用。


半胱天冬酶:一种蛋白酶家族,通过从重要的细胞结构上切割半胱氨酸,从而分解它们来促进细胞凋亡。

mTOR:雷帕霉素的机制靶点,一种与其他蛋白形成复合物(复合物1或复合物2)的激酶,共同调节细胞生长、运动和存活等过程。



组织生长和内稳态中的角色


一旦生物体达到完全成年的大小,它的主要功能就从生长转变为组织维护。确切地说,组织是如何调节这种转变并控制器官大小仍然是一个广泛研究的问题,但越来越清楚的是,细胞竞争参与其中。有趣的是,由细胞竞争引起的驱动细胞消除的机制被发现与这种生长到稳态的转变有关。本研究表明,发育中的小鼠表皮中的不适合细胞主要通过凋亡样机制去除,而在成体组织中则通过分化去除。这一有趣的发现提供了基于生物的生命阶段调整淘汰方法的第一个证据,并强调了细胞竞争机制的多功能性,即使在同一组织内。


大多数成体组织是通过分化细胞的不断产生来维持的,以平衡衰老细胞的损失。这种细胞周转是由居住在专门的成体干细胞生态位中的多能干细胞或祖细胞调节的,在那里它们不断分裂以提供新的后代,同时与它们的邻居竞争生态位的占有率。生态位内干细胞竞争的调节是由组织独特的三维结构所决定的,下面的小节将举例说明。


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腺上皮中的细胞竞争


腺上皮由单层柱状细胞组成,折叠成内陷的腺结构,称为“隐窝”或“腺体”。这些内陷提供了一个空间狭窄的生态位,以容纳干细胞,特别是胃和肠的上皮细胞。谱系追踪研究表明,在小鼠ISC生态位内,有5 - 7个功能干细胞参与持续的中性竞争以占领生态位。在这一过程中,ISCs被随机启动进行分化,而空缺的位置被一个相邻ISCs中的后代重新填充(图4a)。尽管更为复杂,但最近在胃峡部干细胞群体中观察到了类似的中性动力学。由于替换的随机性,随着时间的推移,所有的隐窝和腺体最终都会变成单克隆,由于ISCs通常不能扩散到它们所在的隐窝之外,因此这个过程被称为隐窝固定。隐窝的固定率取决于竞争干细胞的数量和替换率。



尽管不断产生的分化后代在物理上推动位于生态位边缘的ISCs向上,但随机的细胞重排可以重新定位远处的ISCs,使它们能够重新进入生态位。


然而,最近的研究表明,不管ISCs的等效性和它们在组织中改变位置的能力如何,位于隐窝基部的ISCs的谱系存活率最高,该位置生态位因子最丰富,这表明生态位在定义干细胞的“适应性”方面起着重要作用。因此,改变生态位因子会影响ISC竞争。例如,WNT配体(维持ISCs的关键信号分子)的可用性降低,每个隐窝的ISCs数量就会减少。ISC数量也会随着衰老自然减少,因为衰老的Paneth细胞分泌WNT拮抗剂NOTUM,驱动干细胞分化(图4a)。相比之下,热量限制会导致干细胞数量的增加。重要的是,调节干细胞竞争对手的数量可以影响克隆的膨胀和收缩的速度,从而影响单克隆转化(隐窝固定)。例如,每个隐窝中竞争性ISCs的减少加速了克隆的扩展速度,并增加了特定干细胞的后代达到隐窝固定的概率。因此,ISC的数量会对结直肠癌的发展产生严重的后果,这在后面会讨论。


隐窝固定:组织固定的一种形式,但在肠道干细胞动力学的背景下。当隐窝中的所有细胞都来自单一肠干细胞的后代时,就会发生隐窝固定。

Paneth细胞:存在于肠隐窝底部的分泌型上皮细胞,提供重要的生长因子支持肠干细胞功能。


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复层上皮中的细胞竞争


例如,食管和滤泡间表皮的复层上皮由一层柱状细胞组成,这些柱状细胞排列在基底膜上,基底膜上覆盖着几层角质形成细胞,这些细胞向管腔表面分化并分层,最终脱落(图4b)。这两种组织都不包含物理的干细胞生态位;然而,干细胞/祖细胞仅局限于基底层。尽管干细胞/祖细胞分裂的线索是随机的,但最近的研究表明,当一个细胞分裂时,它的直接邻居会暂时偏向分化,这个过程被称为“局部命运协调”。一个祖细胞的分裂是否会因相互信号而改变周围祖细胞的细胞命运,或者一个祖细胞是否会简单地将其邻居从物理上驱逐出去,目前仍在争论之中。


以下内容中总结的工作为后者提供了证据,并描述了鳞状上皮细胞中的竞争如何被半脂质体组成的胶原XVII(COL17A1)中自然发生的异质性所偏倚。在基因组应激或氧化应激下,COL17A1被靶向进行蛋白水解,因此,“受损”的COL17A1low细胞逐渐从基底层去除,这仅发生在COL17A1hi细胞存在的情况下。COL17A1hi干细胞的特征是高频率的对称细胞分裂,这种分裂平行于基膜发生,产生两个基底子细胞。COL17A1low干细胞中缺少半桥粒附着体,导致其微分层,并使分裂的COL17A1hi细胞能够垂直分裂,导致不对称分裂,从而产生基底细胞和位于顶端的分化基底上细胞。因此,增殖的平衡向COL17A1hi干细胞倾斜,这导致不太适合的干细胞逐渐分化,并最终从表皮消除(图4b)。随着年龄的增长,这种竞争机制的相关性变得更加明显,因为COL17A1的表达会随着时间的推移而自然减少,从而减少表皮干细胞之间的竞争优势,促进干细胞池的老化。有趣的是,在毛囊干细胞中也观察到类似COL17A1驱动的竞争倾向。



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骨髓中的造血细胞竞争


血液系统的维持和再生是由造血干细胞(haematopoietic stem cells,HSCs)控制的,HSCs具有自我更新和产生多能祖细胞的能力,以确保来自髓系和淋巴系的成熟血细胞的持续供应。HSCs位于指定的骨髓龛中,其中包含间充质干细胞、祖细胞和内皮细胞,这些细胞表达参与造血干细胞维持的各种因子,如膜结合干细胞因子(stem cell factor,SCF)和趋化因子CXCL12(图4c)。在正常情况下,HSCs基本处于静止状态,只在很少的情况下分裂。然而,在对各种刺激(如损伤)的反应中,HSCs可以重新进入细胞周期并产生所需要的血细胞,然后它们再回到休眠状态。随着每一个细胞周期的进入,HSCs的多谱系更新能力降低,随着时间的推移,在HSCs种群中产生广泛的异质性,使大部分休眠的HSCs具有最高的适应性。循环HSCs在分化前只能在生态位外驻留有限的时间,这突出了生态位信号的重要性。大多数休眠的HSCs富含与生态位粘附相关的基因,这表明它们在生态位占据方面可能比更频繁循环的HSCs更具有竞争优势。总之,这些发现表明,就像在固体组织中一样,与生态位的相互作用和依附是协调干细胞适应性的关键。



此外,非整倍体HSCs在竞争中被其邻近的整倍体所淘汰,这至少可以部分解释为增殖能力下降,但也可能与RP编码基因的剂量改变有关,如前文所述。此外,在压力存在的情况下,如低剂量电离辐射,HSCs在异质p53表达的基础上主动相互竞争。由于p53水平升高与DNA损伤相关,因此p53水平低的HSCs的竞争力高于p53水平高的HSCs,后者会被迫衰老。总的来说,这些数据揭示了在平衡和压力条件下,有几种机制可以使HSC池尽可能保持健康。此外,最近的研究表明,间充质干细胞、祖细胞和内皮细胞也分泌与更多谱系承诺群体命运规范有关的因子,这表明骨髓生态位可能不仅为HSCs提供了合适的环境,也为它们的后代提供了合适的环境。事实上,一些来自生态位的因子,如SCF,在几个细胞亚群中是共享的,这导致了一个有趣的假设:不同的细胞群在骨髓生态位中竞争有限的因子。尽管这在很大程度上尚未被探索,但最近的研究确实表明,由于SCF的可获得性增加,多能祖细胞的耗损会导致HSCs数量的增加,而不会导致HSCs功能的丧失。这意味着HSCs及其后代和骨髓生态位在控制HSCs数量和维持方面存在复杂的相互作用。


基底膜:细胞外基质的薄层,支持其上的上皮细胞并与之发出信号。

半桥粒:使上皮细胞稳定地粘附在基底膜上的蛋白质复合物。


重要的是,组织稳态中的细胞竞争经常在干细胞驱动的组织中进行研究,这就提出了一个问题,即非周期或慢周期组织中的细胞是否参与类似的竞争动力学。尽管研究已经证明了心脏、肝脏、大脑和胰腺中的细胞竞争,但这是在发育或组织损伤的背景下观察到的,这表明细胞竞争的机制与细胞可塑性和组织再生密切相关。有趣的是,最近的一项研究表明,在Madin–Darby犬肾细胞单层组织损伤的情况下,通常被认为不太适合的p53水平升高的细胞会成为向伤口部位集体迁移的先导细胞,从而指导上皮层的修复。在上皮关闭后,这些含高水平p53的细胞依次被清除,最终恢复组织内的内稳态,再次强调了细胞竞争的环境依赖性本质。



癌症中的细胞竞争


随着年龄的增长,我们的细胞不断获得突变,这些突变会干扰中性组织动力学,导致正常组织如肠道、子宫内膜、食道、表皮和具有突变克隆的造血系统的定植。在大多数情况下,突变不会改变细胞的适应性和行为,随后的组织定植是细胞群随机漂移的结果。然而,大约140个癌症驱动基因的突变已被证实具有竞争优势,可能导致癌症发展。突变克隆是如何在各种组织中扩展的还不清楚,但很明显,这与细胞竞争有关。


正常细胞和突变细胞之间的竞争可以是中性的、抑制肿瘤的或促进肿瘤的。至关重要的是,携带相同突变的细胞可以根据组织类型、组织中突变细胞的数量、微环境的变化、其他突变的同时发生以及治疗干预而被识别为赢家和输家。


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癌症上皮防御


正常上皮细胞有能力从组织中移除突变细胞,这一过程是在体外哺乳动物细胞培养中发现的,被称为“癌症上皮防御”(epithelial defence against cancer,EDAC)。EDAC的一个出色例证是RAS基因突变体的去除,RAS基因突变体是驱动多种肿瘤类型发展的强致癌基因。在胰腺中,单个KrasG12D突变细胞通过膜受体EPHA2表达的增加被正常细胞识别,下游的EPHA2 - ephrin A信号转导导致突变体与正常邻居之间基于E-钙粘蛋白的细胞-细胞粘附减少,因此突变体被机械挤出组织。相反,Epha2的缺失导致KrasG12D克隆的保留和胰腺上皮内瘤变病变(胰腺癌的癌前阶段)的增加。在成年小鼠的肠道和皮肤中,KrasG12DHrasG12V突变体以类似的方式被去除。有趣的是,细胞挤压的效率可以受到微环境因素的影响,如炎症和基质刚度的增加,这些特征与癌症进展和转移有关。EDAC的影响越来越明显,因为最近的研究表明,携带Tp53Src突变的细胞,过表达ERBB2或YAP的细胞,或显示CDC42激活的细胞,同样可以通过不同组织的极度挤压被去除。


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克隆竞争在预防复层上皮细胞肿瘤发生中的作用


由于复层上皮(如皮肤的表皮)的结构,在这些组织中经常观察到突变克隆的横向扩张。近年来的研究表明,非恶性突变细胞的扩增可以防止恶性克隆的扩散。例如,老龄小鼠和人类的食道中存在大量NOTCH1突变或TP53突变克隆,它们分别可定植到高达80%和10%的上皮细胞中。特别是,Notch1突变体显示出竞争优势,这是因为它们倾向于沿着基底层对称分裂,因此在很大程度上阻止了分化作为细胞命运的决定。这导致了突变克隆的扩展,同时促进了邻近野生型细胞的分化。尽管NOTCH1驱动竞争的确切机制尚不清楚,但在野生型和NOTCH1突变角化细胞的体外共培养中观察到野生型细胞的类似诱导分化。有趣的是,在正常食管中NOTCH1突变克隆的丰度比在食管癌中要高,这意味着增加的细胞适应性不等于致癌潜力。更多的研究表明,当具有相当适应度水平的不同突变克隆发生碰撞时,克隆边界处的增殖和分化之间的平衡会再次恢复,从而阻止其扩展(图5)。



这表明,组织中突变景观的组成可以极大地影响致癌克隆的生长,从而影响肿瘤发生的风险,这一现象也可以在其他上皮组织中观察到。事实上,最近的一项研究很好地证明,在使用诱变化合物二乙基亚硝胺的食管癌发生模型中,更合适的Notch1突变体通过驱动不合适的微肿瘤的消除而起到肿瘤抑制剂的作用。相反,通过降低Notch1突变体使用Notch通路抑制剂的竞争优势,促进了微肿瘤的生长。因此,改变组织中的细胞竞争动态可能会帮助一些不太适合的克隆茁壮成长,从而导致恶性生长。除克隆间竞争外,致癌克隆也显示会限制自身在表皮的扩张,以参与克隆内竞争。具体来说,单癌性HrasG12V细胞首先表现出自我更新能力的增强,导致突变细胞的扩大。然而,在增殖扩张数周后,克隆内核的子代细胞开始上调RAS效应因子和肿瘤抑制因子RASSF5,从而促进了它们的分化。这就导致了突变克隆内“致癌内稳态”的建立,其中克隆边缘细胞的增殖通过核心细胞的分化来平衡。这些发现与观察到的衰老人类表皮中的突变克隆扩展到相对均匀的大小相一致。


癌症驱动基因:一组基因在突变时产生生长优势,从而推动肿瘤的形成。


3

胸腺中的肿瘤抑制


另一种独特的肿瘤抑制细胞竞争自然发生在胸腺。在胸腺内,骨髓源性细胞不断进入并经历多个分化步骤,直到它们成为成熟的CD4+或CD8+T淋巴细胞。在分化的第一步,胸腺细胞缺乏CD4和CD8的表达,因此被称为“双阴性(double-negative,DN)胸腺细胞”;它们随后的成熟分为四个子阶段(DN1-DN4)。在没有祖细胞流入胸腺的情况下,DN1和DN2胸腺细胞消耗殆尽。然而,达到DN3亚阶段的细胞能够自我更新并维持胸腺生成数周,这个过程被称为“胸腺自主性”。然而,长时间的胸腺自主性可导致异常细胞群的增加,驱动T细胞急性淋巴母细胞白血病的发展。因此,在正常的内稳态条件下,“年轻的”骨髓前体和“老的”胸腺细胞之间持续的细胞竞争阻止了T细胞急性淋巴母细胞白血病的发展。尽管这种竞争的确切机制尚不清楚,但新的证据表明,“年轻的”DN2胸腺细胞在胸腺皮层中胜过自我更新的DN3胸腺细胞,从而促进细胞更替并防止潜在致癌细胞的异常克隆扩展。


4

克隆造血是一种促癌细胞竞争机制


尽管正常细胞可以在各种方面胜过潜在的致瘤细胞,但获得适应度优势的致瘤突变体可以随后胜过正常细胞,并在组织中扩散,从而促进肿瘤的发生。在造血骨髓龛中,“白血病前期”HSCs的扩展通过克隆造血发生,这主要不影响正常的内稳态谱系分化,但与衰老和血液系统恶性肿瘤的增加有关(图4c)。虽然驱动白血病性克隆造血的确切机制仍然难以捉摸,但最近的研究表明,偏向漂移和主动选择都参与其中。例如,携带DNMT3A(编码DNA甲基转移酶3A)突变的HSCs在移植后比非突变的HSCs更具有繁殖优势。另一项研究发现,NrasG12D突变对HSCs具有双峰效应:致癌的NrasG12D突变增加了一个突变HSC亚群的增殖并降低了自我更新能力,同时促进了其他突变HSCs的自我更新并减少了分裂。在这两个种群中,只有缓慢分裂、休眠的NrasG12D突变体具有竞争优势,可以缓慢但永久地接管HSC池。此外,白血病干细胞已被证明通过上调促进与基底膜生态位物理粘附的膜蛋白而具有竞争优势。这表明白血病前期HSCs也具有竞争优势,可以进行克隆造血,因为在急性髓系白血病缓解患者中,这种白血病前期HSCs的存在与疾病复发的增加有关。


5

偏倚漂移、过度竞争和肿瘤发生


同样在固体组织中,突变克隆体也比正常克隆体更具有竞争优势。例如,在肠隐窝内,获得致癌突变的ISCs有更高的隐窝保留能力。通过这种方式,ApcKras及编码磷脂酰肌醇4,5-二磷酸3激酶(phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate 3-kinase,PIK3CA)的基因编码催化亚单位α的突变被赋予了竞争优势,从而增加了突变ISCs固定隐窝的可能性。新的研究表明,这些突变的ISCs在ISC生态位中扮演着超级竞争者的角色,并以牺牲正常ISCs为代价进行扩张。例如,Apc突变体分泌一系列WNT拮抗剂,主动迫使野生型ISCs分化并退出干细胞生态位(图6)。



敲除WNT拮抗剂Notum,或使用GSK3β抑制剂锂刺激正常ISCs中的WNT通路,会降低Apc突变ISCs的竞争优势,减少隐窝固定,进而抑制肠腺瘤的发展。Apc突变体细胞的超级竞争者表型已经在果蝇的中肠和成虫盘中被识别出来,突变体在邻近的野生型细胞中诱导凋亡。类似地,KrasG12DPIK3CAH1047R细胞通过分泌激活骨形态发生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)信号的因子影响干细胞竞争——BMP信号在平衡WNT驱动的内稳态自我更新和肠上皮细胞增殖中起着关键作用——因此也减少了野生型竞争者的数量。PIK3CAH1047R突变体不仅直接影响其正常的上皮邻居,而且还刺激支持生态位的基质细胞分泌BMP配体和进一步的WNT拮抗剂(图6)。在骨髓生态位中也证明了类似的竞争策略,在骨髓生态位中,白血病干细胞抑制骨髓实质细胞的功能,从而损害正常的HSC功能,促进其自身的扩张。总之,这些研究强调了干细胞和它们的局部生态位之间相互信号在引导细胞竞争中的重要性。


肠上皮的腺体结构在很大程度上阻止了突变细胞扩展到其所居住的单个隐窝之外,这反映在结肠隐窝中的癌驱动基因突变的丰度相对较低(例如,结肠中1%的细胞对食道中50%的细胞)。令人惊讶的是,对中年人肠隐窝的分析发现了大片突变隐窝的存在,这表明肠隐窝正在发生扩张。事实上,研究已经揭示了KrasPIK3CA的突变和Rspo3(WNT通路的激活因子)的过表达是如何促进隐窝裂变的,这一过程导致一个隐窝分裂成两个隐窝(图6)。相反,两个隐窝也可以合并,这个过程被称为隐窝融合,当正常隐窝和固定突变隐窝发生这种情况时,融合可以重新激活竞争。


6

已确诊癌症中的细胞竞争


从引发癌变的起始事件到癌症转移的建立,突变细胞经历了一系列不同的压力。这些内在和外在的压力导致了肿瘤内不同亚克隆的遗传多样化、选择和扩展,这一过程统称为“癌症进化”。由于在癌症中观察到大量的瘤内异质性,以及直接追踪早期肿瘤的局限性,驱动克隆进化的中性与非中性事件的划分仍然很复杂,特别是因为突变克隆可以合作以提高它们的集体适应度。然而,由于癌细胞经常在胚胎形成过程中重新激活驱动细胞竞争的发育途径,细胞竞争很可能在癌症的发展中也起着突出作用。事实上,最近的一些研究揭示了细胞竞争在既定癌症中的意义,包括肿瘤内(克隆)竞争和与肿瘤微环境的竞争。


克隆和微环境细胞竞争的一个重要例证是Hippo信号传导的相对差异,因为在许多类型的癌症中普遍观察到Hippo通路基因的突变。例如,YAP1表达的异质性可以驱动胶质母细胞瘤(一种侵袭性脑癌)中的主动细胞竞争。具体而言, YAPhi癌细胞可诱导YAPlow细胞凋亡,从而促进YAPhi克隆的致瘤能力,并最终在肿瘤和体外培养中产生克隆优势(图7a)。这种现象在融合培养物中尤其明显,这一发现让人想起在诱导多能干细胞培养中观察到的机械细胞竞争,并提示YAPhi细胞可能更好地抵御周围环境对其施加的机械压力。与此一致,YAP活性高于肿瘤细胞的瘤周肝细胞能够通过促进肿瘤块的压缩和凋亡来抑制肝癌和黑色素瘤在小鼠肝脏内的转移(图7b)。总之,这些数据表明,力学特性的差异是肿瘤内部和肿瘤细胞及其肿瘤微环境之间细胞竞争的一个强有力的驱动因素。


此外,为了产生空间以促进肿瘤的扩张,癌细胞也可以与周围的基质细胞竞争,例如通过一种基于钙通道蛋白Flower(FWE)不同亚型表达的适应性感知机制。这些FWE异构体被认为在物理上标记细胞为胜利者(FWEwin)或失败者(FWElose),从而将FWElose细胞从组织中排除。尽管尚不清楚具体的FWEwin和FWElose变体的表达和识别是如何受到调控的,但最近的一项研究表明,恶性肿瘤高度上调FWEwin,同时诱导邻近基质细胞中FWElose的表达,导致其通过凋亡被清除,从而促进肿瘤生长(图7c)。然而,这一现象到底有多普遍,哪些基质细胞群会受到这种基于FWE的竞争,尤其是考虑到肿瘤基质在促进恶性进展中的关键作用,仍有待研究。



多项研究已经阐明了癌症的几个特征,如代谢改变、免疫逃避、氧化还原平衡失调、炎症和可能的缺氧诱导,是如何驱动细胞竞争的。许多癌症表现出代谢活性的改变,其中最著名的是Warburg效应,它描述的是即使在氧气存在的情况下糖酵解也会增加。作为补充这种增加的葡萄糖代谢的替代能源,癌细胞经常使用乳酸,而最近的研究揭示了乳酸需求如何为正常细胞和突变细胞之间的细胞竞争提供基础。在这项研究中,MYC突变细胞被证明可以诱导正常细胞的凋亡,从而增加突变细胞的乳酸可用性,将这些细胞置于富含乳酸的环境中可减少这种超级竞争者表型。此外,由于对营养物质的竞争已被证明可以调节免疫细胞之间的免疫反应,因此肿瘤细胞可以以类似的方式与免疫细胞竞争也就不足为奇了。例如,肿瘤葡萄糖消耗的增加会导致肿瘤微环境中葡萄糖的普遍消耗,从而导致T细胞效应功能受损。事实上,肿瘤诱导的营养限制导致浸润性T细胞普遍无反应,甚至是对高抗原性肿瘤无反应,而抑制糖酵解增强了抗肿瘤反应。


7

细胞竞争作为癌症治疗靶点


癌症的另一个显著影响细胞竞争的标志是炎症的激活。例如,胰腺炎的诱导被证明通过抑制小鼠胰腺Kras突变细胞的顶端挤压来影响EDAC。相反,服用非甾体抗炎药布洛芬促进了突变体的去除。这与一项新的研究一致,该研究阐明了慢性炎症如何极大地影响结肠上皮等组织的克隆组成,以及非甾体类抗炎药物在预防癌症发生和发展中的作用。然而,最近的研究也揭示了传统的抗癌疗法,如低剂量的电离辐射和化疗,可以极大地改变克隆的适应度,有利于突变克隆,因此建议审慎。


针对癌症中潜在的细胞竞争基础可以提供新的治疗干预措施来预防和抑制癌症,比如通过促进EDAC。另一种可能性是基于抑制突变克隆的竞争优势。因此,抑制WNT拮抗剂NOTUM或使用锂增强正常竞争对手的WNT通路会消除肠道中Apc突变克隆的竞争优势。此外,在食道中,电离辐射可促进癌前Tp53突变克隆的优先扩张,因为它们比正常邻居更能抵抗辐射引起的氧化还原应激。然而,抗氧化剂与低剂量照射结合使用可增加正常细胞的适应度,并有助于去除Tp53突变克隆。第三种可能的策略可以基于特异性地抑制(前)恶性细胞粘附于生态位以促进其消除,并且已经证明能够预防急性髓系白血病的发病。另一种选择是通过移植引入更合适的竞争者,这是一种常见的治疗方法,旨在重建多种类型血癌患者的血细胞生产。尽管尚未在癌症中进行研究,但最近的一项研究报告了在单个造血干细胞中恢复CXCR4(一种与改善生态位粘附有关的蛋白质)的功能如何治愈了一名患WHIM综合征的患者,方法是它逐渐战胜所有致病的造血干细胞。为了支持这一理论,在大鼠中移植“更适合的”胎儿肝干细胞导致了大量成人肝组织的重新繁殖,这表明基于细胞竞争的方法也可以有利于提高人类器官移植的效果。这对于发展医学异种移植策略也很有意义,特别是考虑到细胞竞争在种间嵌合体中的关键影响。然而,考虑到细胞竞争的环境依赖性特性和目前对这一过程有限的机制知识,还需要更多的研究来实施这种新的治疗策略。


WHIM综合症:由CXCR4基因突变引起的先天性免疫缺陷,表现为疣、低丙种球蛋白血症、感染和骨髓缺血。



结论和观点


在过去的十年中,多组学单细胞分析技术和高清成像方法的兴起揭示了细胞竞争在哺乳动物系统中的多方面作用。细胞竞争机制现在被广泛认为与最佳胚胎发育和体内平衡组织的维持有关。因此,细胞适合度由几个过程的关键分子通路控制,包括胚胎发育、组织扩张、干细胞维持、机械感受和凋亡,并且细胞适合度的下降与衰老有关。此外,很明显,器官的独特结构及其局部微环境在很大程度上影响中性干细胞竞争和跨组织克隆扩展模式,使这些过程具有高度的环境特异性。


我们也开始意识到,放松对细胞竞争的管制可以推动病理过程,尤其是癌症。似乎细胞竞争的生理功能——保护有机体免受不适应或突变细胞的伤害——可以被劫持,以推动有利于突变细胞的细胞竞争,从而促进癌症的发生、进展和转移。此外,克隆竞争和合作机制驱动肿瘤的进化,可以大大影响对传统疗法的反应。尽管我们对细胞竞争的了解正在迅速增长,但关于细胞如何感知彼此的适应性以及如何建立赢-输的状态这一最基本的问题在很大程度上仍未得到解答。回答这些关键问题对于理解细胞竞争的机制至关重要,并将为如何利用细胞竞争改善癌症和其他疾病(如神经退行性疾病和代谢综合征)的预防和治疗以及损伤后器官再生提供重要线索。


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