癌细胞能够在无需DNA突变的情况下改变自身表型,这种“可塑性”可显著影响肿瘤行为,并对疾病进展与治疗反应产生深远影响.黑色素瘤在这方面尤为突出,早期研究显示,即使携带相同驱动突变,不同黑色素瘤细胞仍可呈现出高度异质的转录状态与行为模式,提示细胞命运不仅取决于基因突变,还受到更为灵活的调控机制影响.
近年来多项研究进一步揭示,大多数肿瘤并非由单一分子状态的细胞组成,而是由多个异质性但可重复的转录状态共同构成.细胞可在这些状态之间动态切换,从而获得侵袭性 干细胞样特性或药物耐受性.这类表型变化通常不依赖于新发突变,而是通过转录 表观遗传和代谢网络的动态重编程实现.这种“非遗传性可塑性”已成为癌症研究与治疗中的关键挑战,深入理解其分子机制及驱动信号,将为开发持久抑制肿瘤进展与耐药的新型策略提供重要契机.
近日,纪念斯隆凯特琳癌症中心Richard M. White团队在《Nature》发表题为“Mechanical confinement governs phenotypic plasticity in melanoma”的研究.该研究利用斑马鱼模型及人类样本,揭示肿瘤前沿细胞在机械挤压作用下形成乙酰化微管构成的“护核笼”,并上调HMGB2蛋白,通过LINC复合体将力学信号传导至染色质,诱导细胞去分化为神经样侵袭态.这一过程不仅促使细胞在“增殖-侵袭”表型间切换,还增强了对靶向药物的耐受性,凸显力学微环境在肿瘤可塑性中的核心作用.
通过分析斑马鱼及人类黑色素瘤的空间转录组与单细胞数据,作者发现约12%的肿瘤-微环境交界处细胞呈现独特的“交界处状态”.在人类样本中,这类细胞多见于免疫治疗耐药患者,表现为未分化特征,显著上调未分化相关基因 下调黑色素细胞分化基因.同时,交界处细胞还高表达神经发育相关基因,并受转录因子SOX9（上调）及MITF SOX10（下调）调控,呈现神经发育相关的侵袭表型.
组织学分析显示,进入微环境的肿瘤细胞核明显拉长,提示其处于机械压力状态.为模拟此过程,作者在体外将A375黑色素瘤细胞压缩至3 µm厚度,RNA测序结果显示机械限制引发显著转录变化,受限细胞上调神经相关通路,其表达谱与人类交界处细胞高度重叠,表明机械限制是驱动交界处细胞获得侵袭性神经特征的关键因素.
在细胞骨架层面,受限细胞在2–4小时内迅速形成核周弯曲的微管网络,乙酰化修饰显著增强,微管稳定性提高.该结构类似于神经元迁移中的“护核笼”,可保护细胞核免受外力损伤.敲除乙酰转移酶ATAT1后该结构消失,表明ATAT1是响应机械应力并稳定微管的关键酶.
进一步分析斑马鱼与人类转录组数据发现,交界处细胞持续上调高迁移率族蛋白,其中HMGB2在受限条件下特异性积累,而HMGB1与HMGA1未出现相同变化.人类黑色素瘤组织微阵列显示,约半数样本的侵袭前沿存在HMGB2高表达与乙酰化微管富集.类似现象在胰腺癌与膀胱癌模型中也得到验证,提示HMGB2是连接机械应力与染色质重塑的核心分子.
作者随后通过邻近标记蛋白质组学技术,发现HMGB2与LINC复合体成员nesprin-2存在相互作用.敲低nesprin-2编码基因可消除HMGB2积累与核周微管网络,表明机械外力通过骨架-核骨架桥接系统传递至染色质.受限细胞核的刚度增强,层粘连蛋白A/C表达上升,显示细胞核亦发生结构性重塑,从而增强对机械应力的抵抗.
在染色质层面,HMGB2稳定结合核内DNA,增加染色质可及性.ATAC-seq与ChIP-seq分析显示,HMGB2激活神经嵴与神经发育相关位点,并直接结合Notch信号与AP-1通路基因,推动细胞向神经样侵袭态转变.转录组数据进一步表明,HMGB2过表达细胞呈现间充质与侵袭性形态,上调UNC5D SPP1等迁移相关基因,证实HMGB2通过调控染色质结构驱动侵袭性神经状态.
功能实验验证了HMGB2的关键作用.受限细胞迅速退出细胞周期,FUCCI成像显示其停止分裂并转向迁移程序.敲除HMGB2抑制侵袭能力,而过表达则增强侵袭行为.在斑马鱼模型中,敲除hmgb2a与hmgb2b导致肿瘤增殖增强但侵袭减少,进一步确认HMGB2促进侵袭表型,其缺失则倾向增殖状态.
在耐药性方面,受限细胞对紫杉醇诱导的凋亡几乎完全抵抗,HMGB2过表达小鼠模型对达拉非尼与曲美替尼联合治疗亦表现出耐药,表明机械限制通过HMGB2上调不仅诱导侵袭表型,还直接促进靶向治疗耐受.
综上所述,本研究发现肿瘤前沿细胞在机械挤压下,依赖乙酰化微管“护核笼”和LINC复合体,将外部压力传导至核内,诱导HMGB2上调并重塑染色质,从而切换为具神经样特征的侵袭态.这种力学驱动的表型可塑性不仅增强肿瘤侵袭,还使其对靶向疗法更具耐受性,揭示外力在癌症可塑性和耐药中的关键作用.
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09445-6
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参考文献
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