Nature | Apc突变能驱动周围健康细胞的分化，驱动肿瘤形成
撰文：风不止步
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亮点：
大多数结直肠癌是通过WNT通路的永久激活而启动，通常是发生在干细胞内的肿瘤抑制基因APC的突变。驻留在底部的相对少量的肠干细胞之间持续进行的中性替换事件在受影响后被扭曲。因此，APC突变的ISCs及其后代有更大的可能性启动肿瘤的形成。Apc的突变可诱导肠内细胞增殖增加，防止细胞死亡并阻断分化。通过结合体外类器官培养和体内克隆动力学的详细分析来进行更详细地研究apc突变克隆如何发挥其与野生型ISCs (WT)相比的竞争优势。
2021年6月2日，英国癌症研究所的 Louis Vermeulen等人在《Nature》上发表了一篇“Apc-mutant cells act as supercompetitors in intestinal tumour initiation ”的文章。Apc基因（大部分结肠癌是由Apc基因突变所驱动）失活后，会影响到干细胞的活性。Apc突变能驱动周围健康细胞的分化，让突变的癌细胞产生竞争优势。
首先建立WT和Apc−/−类器官的共培养体系，并将其转导为具有不同荧光标记的类器官。WT/WT共培养物的相对表面贡献随着时间的推移保持不变(图1a, b)，而Apc−/−类器官迅速占据与WT类器官共培养物的主导地位(图1c, d)，这与之前在体内的观察结果相似。当与Apc−/−细胞共培养时，WT类器官的膨胀率降低，表明Apc突变细胞积极抑制了WT类器官的生长，这是由表面膨胀和细胞数量决定的(图1e，f)。这种生长抑制效应是由来自Apc - / -类器官的条件培养基(CM)的分泌因子介导的，并辅以新鲜生长因子，产生了类似的效果(图1g, h)。这表明，肠道Apc - / -细胞扮演着超级竞争对手的角色，主动地抑制邻近细胞的生长。
为进一步了解Apc突变细胞对WT对应细胞的抑制性影响，对WT或Apc−/−CM处理过的WT类器官进行了转录组分析(图2)。Apc−/−CM孵育的WT类器官显示出干性下降和分化增加的特征，这可以通过WNT和ISC的表达减少来证明。数据表明apc突变小鼠和人类细胞分泌因子，通过促进分化和减少干细胞数量，积极抑制WT类器官的生长和克隆性。GSK3β抑制剂氯化锂(LiCl)和CHIR99021(CHIR)激活WNT通路的下游完全消除了这种效应，表明该通路的抑制发生在上游配体-受体水平。
Apc失活后，WNT拮抗剂在类器官培养中以及在CM中产生后会迅速上调。与此一致的是，在小鼠腺瘤组织体内也发现了相同拮抗剂的上调(图3c)。重要的是，一系列相似的WNT拮抗剂也被发现在人类apc突变的类器官中表达上调(图3d)。特别是，NOTUM在人来源的apc突变类器官和腺瘤中也高度上调(图3e, f)。研究结果表明，持续的WNT通路信号导致一个强有力的负反馈回路的激活，包括WNT拮抗剂的上调，在生理环境中可能调节WNT水平。值得注意的是，Apc- / -细胞在受体水平上对WNT调制不敏感，而Apc-细胞则不然，从而导致干细胞特征的丢失。
氯化锂治疗显著降低的克隆速率，与非治疗组小鼠相比固定(图4 )，克隆固定的概率显著降低。评估是否观察氯化锂对突变ISC动力学的影响特定Apc-mutant克隆,并根据KrasG12D-mutant细胞的精确描述的竞争优势，分析了KrasG12D-mutant克隆体外和体内存在与否的氯化锂。我们发现LiCl处理后KrasG12D的克隆动态没有受到影响，表明apc突变克隆竞争优势的降低确实与拮抗apc突变克隆的特异性效应有关。最后，评估Apc - / -克隆固定率的降低是否也导致腺瘤形成的减少。用LiCl预处理小鼠，诱导低水平的Apc失活，诱导60天后，杀死小鼠并评估腺瘤的数量(图4l-n)。结果显示，肠道所有节段的腺瘤形成明显减少(图4o)，证实了WT细胞对apc突变克隆的超级竞争效应不敏感的能力，以防止肠道肿瘤的形成。apc突变的细胞表现出了超级竞争对手的特性，因为它们积极地推动WT ISCs清除。
锂具有预防癌症的作用，特别是在消化系统癌症中。最近有研究表明细胞分泌 NOTUM 会降低老化肠道中的干细胞功能，并且已经证明 NOTUM 的药理抑制可以使肠道恢复活力。在 APC 突变的人类细胞中，检测到了一组更大的部分冗余 WNT 拮抗剂的表达，包括 NOTUM、DKK1、SFRP5 和 WIF1（图 3h）。这一发现支持配体-受体水平下游的药理学 WNT 激活，例如使用 LiCl。
当健康的干细胞与Apc基因发生突变的干细胞一起培养，或者仅仅接触到后者使用过的培养液，都会明显降低类器官结构的形成速度，这也表明Apc基因突变能影响到健康干细胞的活力。Notum基因编码了一种可分泌的蛋白NOTUM，能抑制对维持干细胞状态至关重要的WNT信号通路。NOTUM蛋白看似只会影响到健康细胞，而不会影响基因发生突变的细胞。这是因为Apc基因突变位于整条通路的更下游，所以NOTUM对这些突变细胞产生不了实质影响。如果能重新激活WNT信号通路，或是抑制NOTUM的功能，就能让突变的干细胞与健康的干细胞重新回到同一起跑线，进行公平对决。在Apc基因突变的小鼠模型中，这种做法能减慢癌症发生的速度，也表明我们未来有望针对这一特性开发全新的抗癌疗法。
教授介绍
Louis Vermeulen，医学博士
荷兰阿姆斯特丹医疗中心首席研究员
2017 NYSCF – 罗伯逊干细胞研究者
学术医学中心，阿姆斯特丹，荷兰
Vermeulen 博士是荷兰阿姆斯特丹学术医学中心实验分子医学中心的首席研究员，主要研究干细胞在结直肠癌发展和进展中的作用。目标是通过研究基因突变对肠道干细胞行为的影响，为这种疾病开发改进的预防策略和新颖、更有效的疗法。在阿姆斯特丹大学阿姆斯特丹学术医学中心获得医学博士和博士学位，并在英国剑桥大学完成了博士后研究。
研究领域：癌症与血液
参考文献
1、Sanne M. van Neerven, Nina E. de Groot et al. Apc-mutant cells actas supercompetitors in intestinal tumour initiation.(2021)