Nat Cell Biol | 癌细胞如何“返老还童”？揭秘ISR驱动的谱系重编程|介导|免疫性疾病|癌细胞|线粒体|翻译|肿瘤细胞

撰文丨咸姐

肺癌，尤其是肺腺癌（LUAD），其恶性进展不仅源于基因突变积累，更关键的是肿瘤细胞通过谱系可塑性——即从分化状态去分化为高可塑性、低分化状态——获得异质性、转移能力和治疗耐药性。这种细胞身份的转变在临床上与疾病晚期和不良预后密切相关，但其深层调控机制长期未明。癌症的一个决定性特征是其“应激表型”，这种表型源于致癌突变或肿瘤微环境（TME）中的多种因素所导致的DNA损伤加剧、蛋白质毒性增加以及代谢应激【1】。

整合应激反应（ISR）是高度保守的细胞应激适应通路，由四种激酶（PERK、GCN2、PKR、HRI）感知各类内外源胁迫后，通过磷酸化翻译起始因子eIF2α（p-eIF2α），引发全局翻译抑制与选择性上调ATF4等应激相关基因，从而帮助细胞在营养匮乏、缺氧、蛋白毒性等压力下存活。传统观点认为ISR在正常细胞中起抑癌屏障作用，但近年发现癌细胞可“劫持”这一通路以应对TME中的持续应激【2,3】。尽管ISR与肿瘤发展的关联已被广泛报道，但其在调控肿瘤细胞谱系进化、特别是驱动肿瘤内不同恶性细胞状态转换中的具体机制，尤其是在LUAD从早期病变向高度恶性、去分化状态演进过程中的时空动态作用，仍缺乏系统性的研究。

近日，来自加拿大蒙特利尔犹太综合医院的Antonis E. Koromilas团队在Nature Cell Biology上在线发表题为Integrated stress response couples mitochondrial fitness with lineage reprogramming to drive cancer evolution的文章，系统解析了ISR在肿瘤进化中的决定性作用，揭示ISR驱动肿瘤从AT2样细胞经“肺过渡态”向高可塑性、前EMT及未分化状态进化的轨迹。该过程依赖MYC，涉及ISR介导的肺泡身份关键因子NKX2-1抑制，以及线粒体完整性与代谢适应调控因子CHCHD10的诱导，同时伴随ATF4和MYC活性增强。阻断ISR则使肿瘤细胞陷入线粒体功能紊乱的“发育停滞”状态，限制肿瘤进展。同时，ISR与MYC正反馈协同构成谱系可塑性的核心引擎。研究首次在体内阐明应激通过线粒体-转录调控轴驱动肺癌去分化的完整链条，并提出ISR是逆转肿瘤进化、破坏可塑性的潜在治疗靶点。

研究人员利用Eif2s1 SS1A纯合敲入突变（elF2αA/A）小鼠阻断eIF2α磷酸化，从而抑制ISR激活，并以野生型（elF2αS/S）小鼠为对照。通过气管内滴注表达Cre重组酶和Tp53 shRNA的慢病毒，在两类小鼠的肺泡2型（AT2）细胞中特异性诱导KRAS G12D驱动、p53抑制的LUAD。超声成像显示，p-eIF2α缺失显著减少了肺部肿瘤的形成与生长。单细胞测序在对照肿瘤细胞中鉴定出九个转录特征各异的细胞集群，包括AT2样、AT1样、高可塑性及前EMT等已知的LUAD进展相关群体，同时还定义了一个连接AT1样与高可塑性状态的“肺过渡态”集群，以及一个显示基底干细胞程序适度激活、UPR和mTOR信号及MYC依赖性程序升高的高度未分化集群。而elF2αA/A肿瘤完全缺少高可塑性、前EMT及高度未分化这些晚期集群，却出现了独特的“Mito-Dysf”集群——该群细胞线粒体基因失调、氧化磷酸化上调，保留较高Nkx2-1表达、分化状态更成熟，但发育调控因子降低且ISR评分最低，提示重编程失败。这些结果表明，完整的ISR信号是推动LUAD向晚期恶性集群进行谱系重编程所必需的，而其遗传失活会阻断这一进程，迫使肿瘤细胞转归一个更分化、线粒体功能失调的Mito-Dysf命运。

随后，研究人员通过CellRank单细胞命运图谱、拟时序分析、差异基因表达分析及CytoTRACE发育潜能评估等生物信息学方法，系统解析了LUAD肿瘤细胞谱系转变的轨迹。研究结果证实，早期的谱系转变可在ISR非依赖的情况下发生，但肺过渡态集群作为一个关键的命运决策节点，ISR在此通过ATF4和Eif4ebp1等关键效应因子驱动细胞向高可塑性和前EMT命运分化；而p-eIF2α的缺失则使细胞重定向至互斥的Mito-Dysf命运，从而有效限制肿瘤的恶性演进，以此揭示了ISR在肿瘤谱系分化中的核心调控作用。

进一步地，利用杂合Eif2s1 S3A敲入小鼠（elF2αS/A）模型，研究人员发现其肿瘤生长较elF2αS/S对照显著减缓，elF2αS/A肿瘤保留了所有细胞集群但缺乏Mito-Dysf群，高可塑性和前EMT集群显著减少，AT2样和混合型集群扩增，伴随高度未分化基因及MYC程序表达下降。整合轨迹分析表明，Mito-Dysf命运源于肺过渡态的独立分支，且仅完全ISR缺失时才建立，高度未分化细胞减少与Mito-Dysf出现是ISR受损的平行后果，而非前体-产物关系。这些数据表明，完整的ISR是MYC驱动的向高度未分化和前EMT状态进展所必需的，而ISR的部分减弱则在肿瘤承诺进入Mito-Dysf命运之前即限制了其进展。同时，研究结果证实，ATF4是ISR驱动的LUAD进展的关键效应因子，是肿瘤向侵袭性未分化状态转变所必需的；其缺失则将肿瘤重定向至更分化的命运，并损害其生长。此外，利用条件性MycON/OFF（KM）LUAD模型评估MYC在ISR驱动谱系演进中的作用，研究人员证实MYC与ISR的协同作用驱动LUAD谱系向高可塑性状态演进，而MYC失活则会破坏ISR信号，使肿瘤回复至分化的AT2样身份。更重要的是，分析结果将肺过渡态集群定义为LUAD演进中一个保守的应激适应性检查点，ISR在此节点的激活许可了肺谱系决定因子Nkx2-1的抑制以及向去分化、可塑性状态的进展，而ISR的破坏则保留了肺谱系身份，并将肿瘤细胞重定向至非进展性Mito-Dysf命运。研究人员还发现，培养的LUAD细胞保留了体内的肿瘤状态，其中整合素α2（ITGA2）标记晚期集群，而ISR活性则调控肿瘤细胞的身份、去分化及谱系可塑性。

为了评估ISR在线粒体功能中的作用，研究人员分析了培养的elF2αS/S和elF2αA/A LUAD细胞。实验结果表明，ISR通过p-eIF2α和ATF4维持LUAD细胞的线粒体完整性和代谢适应性，而ISR受损通过过度DRP1（促进线粒体募集和分裂）介导的分裂，驱动了病理性的线粒体碎片化。进一步将ATF4敲低LUAD细胞的bulk RNA-seq数据与MitoCarta线粒体基因数据库及已发表的ATF4 ChIP-seq数据集进行交叉分析，研究人员最终识别出线粒体相关基因CHCHD10（编码维持线粒体内膜完整性和呼吸功能所必需的蛋白质）为潜在ATF4靶点，其在elF2αS/S肿瘤的高度未分化集群中高表达，而在elF2αA/A肿瘤的Mito-Dysf集群中低表达，在ATF4缺陷细胞中也降低。实验结果证实CHCHD10为LUAD中ISR依赖性线粒体稳态的核心介质，它支持细胞存活和致癌信号传导，且其高表达与KRAS突变型LUAD的不良预后相关。

最后，研究人员分析了TCGA数据库中539例LUAD样本及706例来自手术患者的非黏液性LUAD病例，证明ISR活性升高与LUAD不良预后相关，尤其在晚期疾病中更为显著，反映了其与侵袭性、去分化状态的关联；分化细胞特征与ISR活性之间的负相关也支持ISR作为肿瘤进展的关键驱动因素及候选治疗靶点。进一步评估ISR抑制剂ISRIB（一种抵消p-eIF2α介导的翻译抑制的小分子）对小鼠LUAD进展的影响显示，ISRIB处理elF2αS/S小鼠4周能显著减少肿瘤生长。同时，ISRIB可抑制肺过渡态、高可塑性和前EMT集群扩增，增加AT2样群体，并促使细胞从ITGA2高表达向ITGA2低表达转变。在携带KRAS G12C突变的人LUAD PDX模型中，ISRIB也能显著抑制肿瘤生长，降低ATF4和4E-BP1的表达，与晚期去分化状态受抑制一致。数据表明，ISRIB可通过限制ISR驱动的谱系可塑性并减少去分化肿瘤群体来抑制LUAD进展，同时在小鼠和人KRAS突变型LUAD模型中促进向更分化、类Mito-Dysf状态的转变。

综上所述，本研究证实，ISR驱动了一条从AT2样细胞经肺过渡态检查点，最终导向高可塑性及前EMT状态的保守谱系轨迹，这与肿瘤内异质性和恶性进展直接相关。该通路的核心在于ISR通过ATF4-CHCHD10轴在促进细胞身份可塑性的同时，精准维持线粒体适应以防止其陷入功能失调，从而为肿瘤演进提供了“安全缓冲”（图1）。这一机制不仅阐明了应激适应与去分化之间的内在联系，也确立ISR作为逆转肿瘤进化轨迹、破坏细胞可塑性的潜在治疗靶点。

图1 ISR在LUAD肿瘤进化中的功能模型

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41556-026-01991-z

制版人：十一

参考文献

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).

学术合作组织

（*排名不分先后）