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撰文 | 染色体
组织中干-祖细胞的比例与恶性肿瘤的风险相关【1】，肿瘤干细胞的比例决定了肿瘤的侵袭性、转移能力和耐药性【2】。细胞外基质（ECM）对干细胞微环境起调节作用，ECM的刚度可以影响细胞的生长、存活、分化和组织稳态【3】。肿瘤的ECM常发生变化，高级别的肿瘤通常具有更高的干-祖细胞比例、ECM纤维化程度和刚度。刚性的ECM可以促进上皮-间质转化（EMT），导致肿瘤细胞表达干-祖细胞标记物并呈现干-祖细胞样表型【4】。因此，组织的硬度可以调节干-祖细胞的比例。
近日，来自美国加州大学旧金山分校外科系的Valerie M. Weaver团队在Cell Stem Cell期刊发表题为Mechanosensitive hormone signaling promotes mammary progenitor expansion and breast cancer risk（机械敏感的激素信号促进乳腺祖细胞扩增，增加乳腺癌风险）的文章。研究发现，整合素机械信号在增加乳腺上皮干-祖细胞比例和促进肿瘤发生中起着重要作用。ERK-PR 诱导的 RANK 信号是机械敏感的信号通路，在这一过程中发挥关键作用。抑制这些信号通路可以降低高乳腺密度（mammographic density，MD）女性罹患癌症的风险。
刚性的ECM可以通过调节细胞信号转导和影响基因表达来改变细胞行为。研究人员推测，刚性的ECM通过改变细胞信号转导增加组织中的干-祖细胞比例。此外，刚性的ECM还可以通过调节孕激素受体（progesterone receptor，PR）的活性，进而增加正常乳腺上皮祖细胞的数量。这种变化可能会促进乳腺肿瘤的发生和发展。研究人员以乳腺组织为例进行了深入探索。
机械信号上调促进乳腺干-祖细胞的扩增和活性
通常，高MD的女性乳房中的纤维腺组织较多，患乳腺恶性肿瘤的风险增加。研究发现，高MD组织的基质更坚硬，含有更多的纤维状胶原和胶原交联酶。而且，高MD组织中的干-祖乳腺上皮细胞（stem-progenitor mammary epithelial cells，MECs）的比例也更高。先前的研究表明，高MD的女性乳腺组织中，活化的β1-整合素水平升高，表明组织的刚度促进了整合素机械信号传导。为了探究ECM刚度、整合素机械信号传导和干-祖MECs扩增之间的关系，研究人员在小鼠MECs中条件性表达可以促进整合素信号传导的人类β1-整合素突变体（V737N）。研究发现，调节整合素机械信号传导可以增加乳腺组织中基底MECs的扩张。为了确定基底MECs数量增加是否反映了干-祖细胞数量上升，研究人员分析了对照小鼠（CTLM）和表达V737N突变体小鼠（V737NM）的乳腺管腔和基底上皮细胞。研究表明，与基底干-祖细胞有关的Zeb1、Zeb2和Snai1的表达在突变体中升高，而管腔标志物Cdh1的表达基本上没有变化。进一步的研究发现，上调整合素机械信号传导可以显著增加基底MECs中的干-祖细胞数量，并增强它们的自我更新能力，产生更广泛的上皮生长，这表明整合素机械信号传导可以促进乳腺组织的干-祖细胞功能，并可能与乳腺导管增殖和分支发育相关。
接下来，研究人员评估了机械信号传导和基质密度增加干-祖MECs表型的影响。研究发现，增加胶原基质密度、基质硬度和整合素信号传导，有利于基底上皮扩增和干-祖MECs活性增强。干-祖细胞相关基因（如Snai2、Zeb1和Smarca2）在基底区域显著上调，而Sox9在管腔区域表达高于对照组。已知SLUG和SOX9调节干-祖细胞活性，而ZEB1和SMARCA2是机械信号传导因子YAP/TAZ的调节因子，促进基底上皮细胞谱系命运和干-祖细胞的维持。进一步实验发现，ZEB1和SLUG与预测的ECM弹性呈显著正相关，证实了ECM刚度在干-祖细胞扩增中的作用。此外，机械信号对于基底干-祖MECs的维持和扩张也起到重要的调节作用。这些结果提示，ECM刚度和机械信号对乳腺干-祖细胞的增殖和功能具有重要的调控作用。
机械信号诱导乳腺干-祖细胞扩增的分子机制
在乳腺中，雌激素和孕激素可以调节MECs的增殖和祖细胞扩增。因此，研究人员探究了机械信号传导与激素依赖性干-祖MECs扩增之间的相互作用。实验发现通过增加基质硬度和整合素机械信号传导，可以增加干-祖MECs相关基因的表达。此外，机械信号还可以诱导乳腺上皮细胞中RANKL（孕激素诱导的旁分泌因子）的表达水平升高。RANKL信号与整合素机械信号的关联也得到验证：ECM刚度和整合素机械信号的增加可以上调RANKL/RANK基因和蛋白的表达，促进乳腺干-祖细胞的增殖。同时，RANKL抑制剂（RANK:Fc）可以降低干-祖MECs的比例和活性。此外，机械信号还可以增强PR的活性，通过ERK介导的磷酸化调节PR的转录活性和RANKL的表达水平。研究人员还观察到高MD组织中干-祖细胞比例的增加与ERK、PR和RANK信号的活性升高有关。这些结果表明高MD女性乳腺癌风险的增加与乳腺中干-祖MECs的比例增加有关。这种增加可能是由于ECM的刚度增加、EGFR-ERK依赖性孕激素诱导的RANKL和RANK信号上调所致。
组织张力对肿瘤发生和发展的影响
随后，研究人员进一步探究了机械信号和ECM刚度对乳腺癌风险和早期上皮病变形成的影响。研究发现，机械信号和ECM刚度的增加可以促进早期和癌前上皮病变的形成，并且通过抑制RANKL信号可以预防侵袭性乳腺癌或前体病变的进展。此外，在乳腺癌中，刚性基质和增加的机械信号可能会促进肿瘤的侵袭和转移，增加肿瘤干细胞的数量。小鼠模型的研究表明，增强的机械信号会导致肿瘤表型转变为更具侵袭性和干细胞特征的类型，对肿瘤起始和侵袭性表型的形成起着重要作用。这些研究结果表明，ECM刚度和机械信号在肿瘤特性和转移过程中具有重要作用。
综上所述，该研究发现刚性ECM和上调的整合素机械信号可以增强EGFR-ERK-PR介导的RANK信号通路，增加干-祖MECs的数量。研究结果表明，通过干预EGFR、ERK或RANK信号通路，可以降低高MD女性的乳腺癌患病风险，这在高纤维化乳腺癌患者中也具有潜在的应用价值。
https://doi.org/10.1016/j.stem.2023.12.002
制版人：十一
参考文献
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[3] Northey, J.J., Przybyla, L., and Weaver, V.M. (2017). Tissue force programs cell fate and tumor aggression.Cancer Discov.7, 1224-1237.
[4] Wilson, M.M., Weinberg, R.A., Lees, J.A., and Guen, V.J. (2020). Emerging mechanisms by which EMT programs control stemness.Trends Cancer6, 775-780.
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