Trends in Cancer丨乾細胞與攝護腺發育和癌變的故事

撰文丨趙睿哲 （上海交通大學醫學院 上海市第一人民醫院泌尿外科）

責編丨迦漵

攝護腺是男性特有的附屬生殖器官，對雄性生殖健康起著至關重要的作用。作為分泌型腺體組織，其分泌的攝護腺液約佔精液總體積的30%。攝護腺癌是世界範圍內威脅男性健康的主要原因之一。在美國，攝護腺癌的發病率及死亡率分為位列男性腫瘤的第一和第二位。雄激素剝奪治療（Androgen Deprivation Therapy, ADT）是目前廣泛應用的攝護腺癌一線療法。雖然ADT起初對原位癌（Primary prostate cancer）的治療效果顯著，但對晚期癌症（late stage prostate cancer）或是複發性攝護腺癌的治療效果不盡人意。而且，對雄激素剝奪治療的耐藥性不可避免，最終會發展為去勢抵抗性攝護腺癌（Castration Resistant Prostate Cancer, CRPC）。目前在全球範圍內CRPC是不治之症。

簡單來講，癌症就是「正常細胞」的不正常生長。因此，關於癌症的細胞起源（Cell of origin）一直是細胞生物學領域的熱點問題。細胞起源是指能被致癌事件轉化成瘤的任何一種正常細胞。關於攝護腺癌的細胞起源（Cell of origin）目前尚有爭論。攝護腺主要含有基底（Basal） 和管腔（Luminal）兩類上皮細胞。攝護腺癌臨床表型主要表現為管腔細胞型（Luminal phenotype）；照理推，其細胞起源應該是管腔細胞，但以往較多的研究認為攝護腺癌起源於基底細胞。隨著近幾年的發展，越來越多的證據表明管腔細胞及其前體細胞（Luminal Progenitor, LP）更有可能是攝護腺癌的真正起源，同時也是促進攝護腺癌進展及轉移的元兇。

2018年11月，來自於美國羅斯維爾帕克癌症研究所和華中農業大學的張定校博士等人在Cell子刊Trends in Cancer上發表了題為Prostate Luminal Progenitor Cells in Development and Cancer的綜述文章【1】。在本綜述中，張博士總結了管腔前體細胞LP在攝護腺組織發育、器官功能發揮、管腔細胞分化、攝護腺去勢後再生及攝護腺癌發生發展和轉移中的重要作用。同時，作者討論了通過轉錄組分析所發現的治療惡性攝護腺癌的新靶點，並對未來攝護腺癌領域有關乾細胞的研究方向進行了展望。

攝護腺上皮細胞包括管腔細胞（Luminal）、基底細胞（Basal）及數量稀少的神經內分泌細胞（Neuroendocrine Cell）。管腔細胞是一群圍繞腺體管腔緊密排列的細胞，通常被認為是終末分化的細胞，可分泌攝護腺特異性抗原（Prostate specific antigen, PSA），表達雄激素受體（Androgen receptor, AR），是雄激素依賴型細胞。基底細胞分布於攝護腺基底膜與管腔細胞之間，是組織乾細胞的主要來源。管腔細胞是攝護腺中的功能性細胞，該細胞層的動態平衡（Homeostasis）主要由其前體細胞（LP，也就是管腔細胞中的乾細胞）來保持自我更新和修復。當疾病進展為去勢抵抗性攝護腺癌CRPC時，腫瘤的異質性會增大，當中會存在一部分類似於乾細胞特質的可自我更新的「腫瘤乾細胞」（Cancer Stem Cell, CSC），並且其比例會隨著疾病的進展而增多，這些細胞能顯著促進攝護腺癌的耐藥性及侵襲性。介於攝護腺癌主要表型為管腔細胞型，CRPC中的CSC很可能表現出與LP類似的分子及行為特徵。因此，對管腔細胞譜系和LP細胞生物學特徵的探索有助於克服和找到侵襲性或惡性攝護腺癌治療的研究。相比於傳統技術只能培養基底細胞，近年來發展出來的類器官培養（Organoid）、譜系示蹤等技術（Lineage-tracing）可以很好地提供管腔細胞的體外培養和動物模型，使得研究LP細胞成為可能並在近年來取得很好的進展。因此，該綜述作者主要從以下四個方面針對LP細胞展開深入地討論：1.攝護腺的發育及再生；2.攝護腺癌的細胞起源；3.攝護腺癌的惡性發展；4.攝護腺癌的治療靶點。

1. LP細胞在攝護腺的發育及再生中的作用

此前已有一些研究表明LP細胞在攝護腺的正常發育與去勢後再生中起到類似於乾細胞的作用。在小鼠的研究中，譜系示蹤顯示，胚胎期小鼠管腔細胞主要由基底乾細胞分化而來，且基底細胞是攝護腺組織發育的起源。在小鼠出生以後，一旦攝護腺基本發育成型，其管腔細胞層主要由LP細胞的增殖和分化來完成【2, 3】。將小鼠去勢後（也就是閹割，以降低體內雄激素），絕大多數的雄激素依賴型管腔細胞發生凋亡，而LP由於對雄激素的依賴性比較弱，殘留存活。當給去勢小鼠補充雄激素後，這群LP細胞可以再次驅動小鼠攝護腺的再生。在2018年初，張博士利用基因融合技術，建立了一個雄激素敏感型管腔細胞的小鼠模型【4】。該模型是根據組織乾縱橫諜海慢（slow-cycling）的特點和標記殘留（label-retention）的原理而建立，其可以通過H2B-GFP來標記並區分靜息的LP和分化的管腔細胞。研究發現，一群緩慢增殖的細胞（Slow-cycling Label-Retaining Cells, LRCs）能在體外培養形成單克隆及3D類器官，並可通過組織重建實驗在體內形成攝護腺腺體，證明這群細胞是有乾細胞功能的LP細胞。另外，相對於成熟的雄激素依賴型的管腔細胞，LP具有去勢抵抗功能，並特異表達一個與炎症和神經發育相關的基因標籤，且該標籤與臨床攝護腺癌的惡化程度有關。該模型也是目前領域內第一個專門用來研究LP生物學功能的模型。

另外，其他研究也發現了一些具有去勢後再生功能的LP細胞亞群，如CARN（表達NKX-3.1）、CARB（表達Bmi-1）、Sca-1+細胞、Lgr5+細胞等。這些細胞大多能在體外形成3D類器官結構，並在小鼠去勢後攝護腺的再生中起到重要作用。值得注意的是，人類的LP細胞研究相對較少，目前僅有一篇報導稱CD38可以作為區分攝護腺乾細胞與成熟管腔細胞的標誌物；因此，後續應該加大攝護腺乾細胞在人上的研究。

2. LP細胞與攝護腺癌的起源

一般認為，人類的腫瘤起源於正常的組織乾細胞，因為這些細胞生命周期較長，容易積累突變。關於攝護腺癌的細胞起源一直都有爭論，早期的動物實驗表明基底細胞是攝護腺癌的起源，而近年來隨著實驗方法的改進，管腔細胞和LP細胞也具有轉化成攝護腺癌的能力。通過2D或3D培養富集的LP細胞，由特定的癌基因轉化後可獲得與基底細胞類似的成瘤能力【5】（Fig.1A）。且近年來興起的譜系示蹤實驗更是傾向於認為LP細胞才是引起攝護腺癌發生發展的真正元兇 (Fig.1B）。

3. LP細胞在攝護腺癌發生發展中的作用

在不同致癌基因突變的情況下（如PTEN丟失，AKT激活，p53功能缺失等），成熟的管腔細胞可重新獲得乾細胞特性，轉化為具有類LP細胞特性的腫瘤細胞（Fig.1B）。其中一部分癌化的LP細胞甚至具有向基底或神經內分泌細胞轉分化的能力（Trans-differentiation），進而形成鱗癌（squamous-like cancer）或神經內分泌攝護腺癌（NEPC）【6, 7】。另外，譜系示蹤實驗也發現抑癌基因突變或腫瘤基因激活誘導的基底細胞來源的攝護腺癌，首先會通過分化為LP細胞，然後LP進一步增殖和分化並最終形成管腔細胞表型的攝護腺癌。同時，炎症作為諸多癌症的誘因，會刺激導致管腔細胞AR表達的降低，並伴隨著乾性樣細胞（LP-like）的出現，表明各種因素導致的攝護腺癌發生進展最後都會和LP細胞有關聯。重要的是，這些腫瘤對目前使用的ADT具有高度耐葯，證明LP細胞在攝護腺癌惡性化發展中發揮了重要作用。

Fig1. LP細胞在攝護腺癌的起源及發展中的核心作用。(A) 人體細胞實驗證據 (B) 小鼠實驗證據

4. LP細胞與攝護腺癌的治療靶點

特定基因的表達往往決定了腫瘤的表型，對LP細胞轉錄組學的研究可以更深入地了解相關分子特徵並尋找有效的治療靶點。作者通過多年的積累，並結合已經公開的數據，發現LP細胞具有炎症（如IL-1、IL-4、IL-6）、乾細胞（如BMI、BCL-2、EMT）及神經生成（如CHRM3）等分子特性（Fig.2），針對這些通路的抑製劑目前已經運用於相關的體外及動物實驗，有些已經取得了不錯的初期臨床效果，這些藥物有望成為治療晚期和複發攝護腺癌的新希望。

Fig2. LP細胞相關通路

由於實驗技術及細胞和動物模型缺少的限制，管腔細胞的研究起步較晚，也比較欠缺。但隨著近年來2D細胞培養技術的改進及3D培養、譜系示蹤的應用，管腔細胞的生物學特性也漸漸被揭開面紗。攝護腺癌的細胞起源及惡性發展的機制目前尚不明確，但近期的研究表明管腔前體細胞（LP）在這個過程中參與並扮演了重要的角色。通過大量轉錄組數據的分析，新的治療靶點正逐漸明確，這些結果對我們認識並治療惡性攝護腺癌提供了新的方向。

作 者 簡 介

張定校博士近幾年來一直致力於雄激素調控組織乾細胞和攝護腺癌的研究，相關成果發表在Trends Cancer (2018)，Stem Cell Rep(2018)，Semin Cancer Biol (2018)，Nat Commun (2018，2017，2016)，Clin Cancer Res(2016)，Stem Cells Transl Med (2017)，Cell Discov(2016)，J Biol Chem (2011) 等雜誌上。張定校博士已於近期回華中農業大學任PI，目前正處於組建實驗室階段，希望對組織乾細胞（包括攝護腺乾細胞和肌肉干細胞）和癌症細胞生物學感興趣的同學報考張博士的研究生。另外，於近期1-2年畢業的生物類博士，如果對該研究方向感興趣，也歡迎加入從事博士後研究。

Reference

1. Zhang, D., et al. (2018) Prostate Luminal Progenitor Cells in Development and Cancer. Trends in cancer 4, 769-783

2. Choi, N., et al. (2012) Adult murine prostate basal and luminal cells are self-sustained lineages that can both serve as targets for prostate cancer initiation. Cancer cell 21, 253-265

3. Wang, Z.A., et al. (2014) Luminal cells are favored as the cell of origin for prostate cancer. Cell reports 8, 1339-1346

4. Zhang, D., et al. (2018) Histone 2B-GFP Label-Retaining Prostate Luminal Cells Possess Progenitor Cell Properties and Are Intrinsically Resistant to Castration. Stem Cell Reports 10, 228-242

5. Zhang, D., et al. (2017) Developing a Novel Two-Dimensional Culture System to Enrich Human Prostate Luminal Progenitors that Can Function as a Cell of Origin for Prostate Cancer. Stem Cells Transl Med 6, 748-760

6. Mu, P., et al. (2017) SOX2 promotes lineage plasticity and antiandrogen resistance in TP53- and RB1-deficient prostate cancer. Science 355, 84-88

7. Zou, M., et al. (2017) Transdifferentiation as a Mechanism of Treatment Resistance in a Mouse Model of Castration-Resistant Prostate Cancer. Cancer discovery 7, 736-749

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