Nat Cell Biol?|?癌細胞如何“返老還童”？揭秘ISR驅動的譜系重編程

撰文丨咸姐

肺癌，尤其是肺腺癌（LUAD），其惡性進展不僅源于基因突變積累，更關鍵的是腫瘤細胞通過譜系可塑性——即從分化狀態去分化為高可塑性、低分化狀態——獲得異質性、轉移能力和治療耐藥性。這種細胞身份的轉變在臨床上與疾病晚期和不良預后密切相關，但其深層調控機制長期未明。癌癥的一個決定性特征是其“應激表型”，這種表型源于致癌突變或腫瘤微環境（TME）中的多種因素所導致的DNA損傷加劇、蛋白質毒性增加以及代謝應激【1】。

整合應激反應（ISR）是高度保守的細胞應激適應通路，由四種激酶（PERK、GCN2、PKR、HRI）感知各類內外源脅迫后，通過磷酸化翻譯起始因子eIF2α（p-eIF2α），引發全局翻譯抑制與選擇性上調ATF4等應激相關基因，從而幫助細胞在營養匱乏、缺氧、蛋白毒性等壓力下存活。傳統觀點認為ISR在正常細胞中起抑癌屏障作用，但近年發現癌細胞可“劫持”這一通路以應對TME中的持續應激【2,3】。盡管ISR與腫瘤發展的關聯已被廣泛報道，但其在調控腫瘤細胞譜系進化、特別是驅動腫瘤內不同惡性細胞狀態轉換中的具體機制，尤其是在LUAD從早期病變向高度惡性、去分化狀態演進過程中的時空動態作用，仍缺乏系統性的研究。

近日，來自加拿大蒙特利爾猶太綜合醫院的Antonis E. Koromilas團隊在Nature Cell Biology上在線發表題為Integrated stress response couples mitochondrial fitness with lineage reprogramming to drive cancer evolution的文章，系統解析了ISR在腫瘤進化中的決定性作用，揭示ISR驅動腫瘤從AT2樣細胞經“肺過渡態”向高可塑性、前EMT及未分化狀態進化的軌跡。該過程依賴MYC，涉及ISR介導的肺泡身份關鍵因子NKX2-1抑制，以及線粒體完整性與代謝適應調控因子CHCHD10的誘導，同時伴隨ATF4和MYC活性增強。阻斷ISR則使腫瘤細胞陷入線粒體功能紊亂的“發育停滯”狀態，限制腫瘤進展。同時，ISR與MYC正反饋協同構成譜系可塑性的核心引擎。研究首次在體內闡明應激通過線粒體-轉錄調控軸驅動肺癌去分化的完整鏈條，并提出ISR是逆轉腫瘤進化、破壞可塑性的潛在治療靶點。

研究人員利用Eif2s1 SS1A純合敲入突變（elF2αA/A）小鼠阻斷eIF2α磷酸化，從而抑制ISR激活，并以野生型（elF2αS/S）小鼠為對照。通過氣管內滴注表達Cre重組酶和Tp53 shRNA的慢病毒，在兩類小鼠的肺泡2型（AT2）細胞中特異性誘導KRAS G12D驅動、p53抑制的LUAD。超聲成像顯示，p-eIF2α缺失顯著減少了肺部腫瘤的形成與生長。單細胞測序在對照腫瘤細胞中鑒定出九個轉錄特征各異的細胞集群，包括AT2樣、AT1樣、高可塑性及前EMT等已知的LUAD進展相關群體，同時還定義了一個連接AT1樣與高可塑性狀態的“肺過渡態”集群，以及一個顯示基底干細胞程序適度激活、UPR和mTOR信號及MYC依賴性程序升高的高度未分化集群。而elF2αA/A腫瘤完全缺少高可塑性、前EMT及高度未分化這些晚期集群，卻出現了獨特的“Mito-Dysf”集群——該群細胞線粒體基因失調、氧化磷酸化上調，保留較高Nkx2-1表達、分化狀態更成熟，但發育調控因子降低且ISR評分最低，提示重編程失敗。這些結果表明，完整的ISR信號是推動LUAD向晚期惡性集群進行譜系重編程所必需的，而其遺傳失活會阻斷這一進程，迫使腫瘤細胞轉歸一個更分化、線粒體功能失調的Mito-Dysf命運。

隨后，研究人員通過CellRank單細胞命運圖譜、擬時序分析、差異基因表達分析及CytoTRACE發育潛能評估等生物信息學方法，系統解析了LUAD腫瘤細胞譜系轉變的軌跡。研究結果證實，早期的譜系轉變可在ISR非依賴的情況下發生，但肺過渡態集群作為一個關鍵的命運決策節點，ISR在此通過ATF4和Eif4ebp1等關鍵效應因子驅動細胞向高可塑性和前EMT命運分化；而p-eIF2α的缺失則使細胞重定向至互斥的Mito-Dysf命運，從而有效限制腫瘤的惡性演進，以此揭示了ISR在腫瘤譜系分化中的核心調控作用。

進一步地，利用雜合Eif2s1 S3A敲入小鼠（elF2αS/A）模型，研究人員發現其腫瘤生長較elF2αS/S對照顯著減緩，elF2αS/A腫瘤保留了所有細胞集群但缺乏Mito-Dysf群，高可塑性和前EMT集群顯著減少，AT2樣和混合型集群擴增，伴隨高度未分化基因及MYC程序表達下降。整合軌跡分析表明，Mito-Dysf命運源于肺過渡態的獨立分支，且僅完全ISR缺失時才建立，高度未分化細胞減少與Mito-Dysf出現是ISR受損的平行后果，而非前體-產物關系。這些數據表明，完整的ISR是MYC驅動的向高度未分化和前EMT狀態進展所必需的，而ISR的部分減弱則在腫瘤承諾進入Mito-Dysf命運之前即限制了其進展。同時，研究結果證實，ATF4是ISR驅動的LUAD進展的關鍵效應因子，是腫瘤向侵襲性未分化狀態轉變所必需的；其缺失則將腫瘤重定向至更分化的命運，并損害其生長。此外，利用條件性MycON/OFF（KM）LUAD模型評估MYC在ISR驅動譜系演進中的作用，研究人員證實MYC與ISR的協同作用驅動LUAD譜系向高可塑性狀態演進，而MYC失活則會破壞ISR信號，使腫瘤回復至分化的AT2樣身份。更重要的是，分析結果將肺過渡態集群定義為LUAD演進中一個保守的應激適應性檢查點，ISR在此節點的激活許可了肺譜系決定因子Nkx2-1的抑制以及向去分化、可塑性狀態的進展，而ISR的破壞則保留了肺譜系身份，并將腫瘤細胞重定向至非進展性Mito-Dysf命運。研究人員還發現，培養的LUAD細胞保留了體內的腫瘤狀態，其中整合素α2（ITGA2）標記晚期集群，而ISR活性則調控腫瘤細胞的身份、去分化及譜系可塑性。

為了評估ISR在線粒體功能中的作用，研究人員分析了培養的elF2αS/S和elF2αA/A LUAD細胞。實驗結果表明，ISR通過p-eIF2α和ATF4維持LUAD細胞的線粒體完整性和代謝適應性，而ISR受損通過過度DRP1（促進線粒體募集和分裂）介導的分裂，驅動了病理性的線粒體碎片化。進一步將ATF4敲低LUAD細胞的bulk RNA-seq數據與MitoCarta線粒體基因數據庫及已發表的ATF4 ChIP-seq數據集進行交叉分析，研究人員最終識別出線粒體相關基因CHCHD10（編碼維持線粒體內膜完整性和呼吸功能所必需的蛋白質）為潛在ATF4靶點，其在elF2αS/S腫瘤的高度未分化集群中高表達，而在elF2αA/A腫瘤的Mito-Dysf集群中低表達，在ATF4缺陷細胞中也降低。實驗結果證實CHCHD10為LUAD中ISR依賴性線粒體穩態的核心介質，它支持細胞存活和致癌信號傳導，且其高表達與KRAS突變型LUAD的不良預后相關。

最后，研究人員分析了TCGA數據庫中539例LUAD樣本及706例來自手術患者的非黏液性LUAD病例，證明ISR活性升高與LUAD不良預后相關，尤其在晚期疾病中更為顯著，反映了其與侵襲性、去分化狀態的關聯；分化細胞特征與ISR活性之間的負相關也支持ISR作為腫瘤進展的關鍵驅動因素及候選治療靶點。進一步評估ISR抑制劑ISRIB（一種抵消p-eIF2α介導的翻譯抑制的小分子）對小鼠LUAD進展的影響顯示，ISRIB處理elF2αS/S小鼠4周能顯著減少腫瘤生長。同時，ISRIB可抑制肺過渡態、高可塑性和前EMT集群擴增，增加AT2樣群體，并促使細胞從ITGA2高表達向ITGA2低表達轉變。在攜帶KRAS G12C突變的人LUAD PDX模型中，ISRIB也能顯著抑制腫瘤生長，降低ATF4和4E-BP1的表達，與晚期去分化狀態受抑制一致。數據表明，ISRIB可通過限制ISR驅動的譜系可塑性并減少去分化腫瘤群體來抑制LUAD進展，同時在小鼠和人KRAS突變型LUAD模型中促進向更分化、類Mito-Dysf狀態的轉變。

綜上所述，本研究證實，ISR驅動了一條從AT2樣細胞經肺過渡態檢查點，最終導向高可塑性及前EMT狀態的保守譜系軌跡，這與腫瘤內異質性和惡性進展直接相關。該通路的核心在于ISR通過ATF4-CHCHD10軸在促進細胞身份可塑性的同時，精準維持線粒體適應以防止其陷入功能失調，從而為腫瘤演進提供了“安全緩沖”（圖1）。這一機制不僅闡明了應激適應與去分化之間的內在聯系，也確立ISR作為逆轉腫瘤進化軌跡、破壞細胞可塑性的潛在治療靶點。

圖1 ISR在LUAD腫瘤進化中的功能模型

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41556-026-01991-z

制版人： 十一

參考文獻

1. Luo, J., Solimini, N. L. & Elledge, S. J. Principles of cancer therapy: oncogene and non-oncogene addiction.Cell136, 823–837 (2009).

2. Costa-Mattioli, M. & Walter, P. The integrated stress response: from mechanism to disease.Science368, eaat5314 (2020).

3. Koromilas, A. E. Roles of the translation initiation factor eIF2alpha serine 51 phosphorylation in cancer formation and treatment.Biochim. Biophys. Acta1849, 871–880 (2015).

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