前列腺发育 干细胞与前列腺发育和癌变的故事

撰文丨赵睿哲

责编丨迦溆

前列腺是男性特有的附属生殖器官，对雄性生殖健康起着至关重要的作用。作为分泌型腺体组织，其分泌的前列腺液约占精液总体积的30%。前列腺癌是世界范围内威胁男性健康的主要原因之一。在美国，前列腺癌的发病率及死亡率分为位列男性肿瘤的第一和第二位。雄激素剥夺治疗是目前广泛应用的前列腺癌一线疗法。虽然ADT起初对原位癌的治疗效果显著，但对晚期癌症或是复发性前列腺癌的治疗效果不尽人意。而且，对雄激素剥夺治疗的耐药性不可避免，最终会发展为去势抵抗性前列腺癌。目前在全球范围内CRPC是不治之症。

简单来讲，癌症就是“正常细胞”的不正常生长。因此，关于癌症的细胞起源一直是细胞生物学领域的热点问题。细胞起源是指能被致癌事件转化成瘤的任何一种正常细胞。关于前列腺癌的细胞起源目前尚有争论。前列腺主要含有基底和管腔两类上皮细胞。前列腺癌临床表型主要表现为管腔细胞型；照理推，其细胞起源应该是管腔细胞，但以往较多的研究认为前列腺癌起源于基底细胞。随着近几年的发展，越来越多的证据表明管腔细胞及其前体细胞更有可能是前列腺癌的真正起源，同时也是促进前列腺癌进展及转移的元凶。

2018年11月，来自于美国罗斯维尔帕克癌症研究所和华中农业大学的张定校博士等人在Cell子刊Trends in Cancer上发表了题为Prostate Luminal Progenitor Cells in Development and Cancer的综述文章。在本综述中，张博士总结了管腔前体细胞LP在前列腺组织发育、器官功能发挥、管腔细胞分化、前列腺去势后再生及前列腺癌发生发展和转移中的重要作用。同时，作者讨论了通过转录组分析所发现的治疗恶性前列腺癌的新靶点，并对未来前列腺癌领域有关干细胞的研究方向进行了展望。

前列腺上皮细胞包括管腔细胞、基底细胞及数量稀少的神经内分泌细胞。管腔细胞是一群围绕腺体管腔紧密排列的细胞，通常被认为是终末分化的细胞，可分泌前列腺特异性抗原，表达雄激素受体，是雄激素依赖型细胞。基底细胞分布于前列腺基底膜与管腔细胞之间，是组织干细胞的主要来源。管腔细胞是前列腺中的功能性细胞，该细胞层的动态平衡主要由其前体细胞来保持自我更新和修复。当疾病进展为去势抵抗性前列腺癌CRPC时，肿瘤的异质性会增大，当中会存在一部分类似于干细胞特质的可自我更新的“肿瘤干细胞”，并且其比例会随着疾病的进展而增多，这些细胞能显著促进前列腺癌的耐药性及侵袭性。介于前列腺癌主要表型为管腔细胞型，CRPC中的CSC很可能表现出与LP类似的分子及行为特征。因此，对管腔细胞谱系和LP细胞生物学特征的探索有助于克服和找到侵袭性或恶性前列腺癌治疗的研究。相比于传统技术只能培养基底细胞，近年来发展出来的类器官培养、谱系示踪等技术可以很好地提供管腔细胞的体外培养和动物模型，使得研究LP细胞成为可能并在近年来取得很好的进展。因此，该综述作者主要从以下四个方面针对LP细胞展开深入地讨论：1.前列腺的发育及再生；2.前列腺癌的细胞起源；3.前列腺癌的恶性发展；4.前列腺癌的治疗靶点。

1. LP细胞在前列腺的发育及再生中的作用

此前已有一些研究表明LP细胞在前列腺的正常发育与去势后再生中起到类似于干细胞的作用。在小鼠的研究中，谱系示踪显示，胚胎期小鼠管腔细胞主要由基底干细胞分化而来，且基底细胞是前列腺组织发育的起源。在小鼠出生以后，一旦前列腺基本发育成型，其管腔细胞层主要由LP细胞的增殖和分化来完成。将小鼠去势后，绝大多数的雄激素依赖型管腔细胞发生凋亡，而LP由于对雄激素的依赖性比较弱，残留存活。当给去势小鼠补充雄激素后，这群LP细胞可以再次驱动小鼠前列腺的再生。在2018年初，张博士利用基因融合技术，建立了一个雄激素敏感型管腔细胞的小鼠模型。该模型是根据组织干细胞分裂慢的特点和标记残留的原理而建立，其可以通过H2B-GFP来标记并区分静息的LP和分化的管腔细胞。研究发现，一群缓慢增殖的细胞能在体外培养形成单克隆及3D类器官，并可通过组织重建实验在体内形成前列腺腺体，证明这群细胞是有干细胞功能的LP细胞。另外，相对于成熟的雄激素依赖型的管腔细胞，LP具有去势抵抗功能，并特异表达一个与炎症和神经发育相关的基因标签，且该标签与临床前列腺癌的恶化程度有关。该模型也是目前领域内第一个专门用来研究LP生物学功能的模型。

另外，其他研究也发现了一些具有去势后再生功能的LP细胞亚群，如CARN、CARB、Sca-1+细胞、Lgr5+细胞等。这些细胞大多能在体外形成3D类器官结构，并在小鼠去势后前列腺的再生中起到重要作用。值得注意的是，人类的LP细胞研究相对较少，目前仅有一篇报道称CD38可以作为区分前列腺干细胞与成熟管腔细胞的标志物；因此，后续应该加大前列腺干细胞在人上的研究。

2. LP细胞与前列腺癌的起源

一般认为，人类的肿瘤起源于正常的组织干细胞，因为这些细胞生命周期较长，容易积累突变。关于前列腺癌的细胞起源一直都有争论，早期的动物实验表明基底细胞是前列腺癌的起源，而近年来随着实验方法的改进，管腔细胞和LP细胞也具有转化成前列腺癌的能力。通过2D或3D培养富集的LP细胞，由特定的癌基因转化后可获得与基底细胞类似的成瘤能力。且近年来兴起的谱系示踪实验更是倾向于认为LP细胞才是引起前列腺癌发生发展的真正元凶(Fig.1B）。

3. LP细胞在前列腺癌发生发展中的作用

在不同致癌基因突变的情况下，成熟的管腔细胞可重新获得干细胞特性，转化为具有类LP细胞特性的肿瘤细胞。其中一部分癌化的LP细胞甚至具有向基底或神经内分泌细胞转分化的能力，进而形成鳞癌或神经内分泌前列腺癌。另外，谱系示踪实验也发现抑癌基因突变或肿瘤基因激活诱导的基底细胞来源的前列腺癌，首先会通过分化为LP细胞，然后LP进一步增殖和分化并最终形成管腔细胞表型的前列腺癌。同时，炎症作为诸多癌症的诱因，会刺激导致管腔细胞AR表达的降低，并伴随着干性样细胞的出现，表明各种因素导致的前列腺癌发生进展最后都会和LP细胞有关联。重要的是，这些肿瘤对目前使用的ADT具有高度耐药，证明LP细胞在前列腺癌恶性化发展中发挥了重要作用。

Fig1. LP细胞在前列腺癌的起源及发展中的核心作用。(A) 人体细胞实验证据 (B) 小鼠实验证据

4. LP细胞与前列腺癌的治疗靶点

特定基因的表达往往决定了肿瘤的表型，对LP细胞转录组学的研究可以更深入地了解相关分子特征并寻找有效的治疗靶点。作者通过多年的积累，并结合已经公开的数据，发现LP细胞具有炎症、干细胞及神经生成等分子特性，针对这些通路的抑制剂目前已经运用于相关的体外及动物实验，有些已经取得了不错的初期临床效果，这些药物有望成为治疗晚期和复发前列腺癌的新希望。

Fig2. LP细胞相关通路

总 结

由于实验技术及细胞和动物模型缺少的限制，管腔细胞的研究起步较晚，也比较欠缺。但随着近年来2D细胞培养技术的改进及3D培养、谱系示踪的应用，管腔细胞的生物学特性也渐渐被揭开面纱。前列腺癌的细胞起源及恶性发展的机制目前尚不明确，但近期的研究表明管腔前体细胞在这个过程中参与并扮演了重要的角色。通过大量转录组数据的分析，新的治疗靶点正逐渐明确，这些结果对我们认识并治疗恶性前列腺癌提供了新的方向。

作 者 简 介

张定校博士近几年来一直致力于雄激素调控组织干细胞和前列腺癌的研究，相关成果发表在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)等杂志上。张定校博士已于近期回华中农业大学任PI，目前正处于组建实验室阶段，希望对组织干细胞和癌症细胞生物学感兴趣的同学报考张博士的研究生。另外，于近期1-2年毕业的生物类博士，如果对该研究方向感兴趣，也欢迎加入从事博士后研究。

Reference

1. Zhang, D., et al. (2018) Prostate Luminal Progenitor Cells in Development and Cancer.Trends in cancer4, 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 cell21, 253-265

3. Wang, Z.A., et al. (2014) Luminal cells are favored as the cell of origin for prostate cancer.Cell reports8, 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 Reports10, 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 Med6, 748-760

6. Mu, P., et al. (2017) SOX2 promotes lineage plasticity and antiandrogen resistance in TP53- and RB1-deficient prostate cancer.Science355, 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 discovery7, 736-749