Nature 研究揭秘：机械限制驱动黑色素瘤表型可塑性与耐药的分子机制

文章来源公众号：BioArt 作者：阿童木

癌细胞具有无需DNA突变即可改变表型的能力，这种可塑性显著改变肿瘤行为，且对肿瘤进展与治疗产生深远影响【1】。黑色素瘤的可塑性特征尤为明显，早期研究发现，部分黑色素瘤细胞虽然携带相同的驱动突变，却呈现出差异巨大的转录状态和行为模式【2】。这表明，癌细胞的命运并不仅由基因突变决定，还依赖更灵活的调控机制。

近年来，大量证据进一步揭示，大多数肿瘤并非处于单一的分子状态，而是由多个异质却可重复的转录状态构成【3】。细胞可以在这些状态间动态切换，从而在不同条件下获得侵袭性、干细胞样特性，或进入药物耐受状态。这类表型变化并不依赖新的突变，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”已成为癌症研究和临床治疗面临的重大挑战。深入理解其分子基础，揭示驱动这种状态转变的关键信号，将为开发能够真正持久抑制肿瘤进展和耐药的新型治疗策略提供重要契机。

近日，纪念斯隆凯特琳癌症中心Richard M. White实验室等在Nature杂志发表了题为Mechanical confinement governs phenotypic plasticity in melanoma的研究文章，作者利用斑马鱼模型与人类样本，揭示了肿瘤前沿细胞在机械挤压下形成乙酰化微管“护核笼”，并上调HMGB2，通过LINC复合体“把外力写入染色质”，诱导细胞去分化为神经样侵袭态。这一过程不仅驱动细胞在“增殖-侵袭”之间切换，也增强了对靶向疗法的耐受性，揭示了外力在肿瘤可塑性中的核心作用。

通过分析斑马鱼黑色素瘤和患者样本的空间转录组和单细胞测序数据，作者发现肿瘤与微环境交界处约12%的细胞呈现特殊的“交界处（interface）状态”。在人类黑色素瘤中，交界处细胞主要见于免疫治疗耐药患者，表现为未分化态特征，显著上调未分化态基因，下调黑色素细胞分化基因。交界处细胞还上调神经发育相关基因，并通过转录因子SOX9（上调）及MITF、SOX10（下调）调控，呈现侵袭性神经发育表型。因此，交界处细胞呈现侵袭状态，并具有神经发育的标记。

组织学分析显示，进入微环境的肿瘤细胞核显著拉长，提示它们正在承受机械压力。作者在体外模拟了这种状态，将A375黑色素瘤细胞压缩至3 µm厚。RNA测序显示，机械限制引发显著转录变化，受限细胞上调神经相关通路，与人类交界处细胞的基因表达特征高度重叠，尤其是神经发育相关基因，表明机械限制驱动交界处细胞呈现侵袭性神经特性。

在骨架层面，受限细胞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，使微管更加稳定。这种“护核笼”类似神经元在迁移时的结构，能够抵御外部压力，保护细胞核免受损伤。敲除乙酰转移酶ATAT1后，该结构消失，表明ATAT1是响应机械应力的微管乙酰转移酶，稳定微管骨架。因此，受限黑色素瘤细胞通过乙酰化微管网络增强核保护，模仿神经元行为。

分析相关的斑马鱼和人类转录组数据集后，作者发现交界处细胞持续上调高迁移率族（HMG）蛋白，这些蛋白通过结合并弯曲DNA调节染色质结构，以缓解机械应力。其中，HMGB2在受限条件下持续积累，特异性地响应机械刺激，而HMGB1、HMGA1并未表现相同变化。人类黑色素瘤组织微阵列分析确认，约一半样本在侵袭前沿可见HMGB2高表达并伴随乙酰化微管富集。这一现象在胰腺癌、膀胱癌模型中也被观察到，提示HMGB2是连接机械应力与染色质重塑的核心分子，在机械应力诱导的表型转换中发挥了关键作用。

接下来，作者利用邻近标记蛋白质组学技术发现HMGB2与连接核骨架和细胞骨架（LINC）复合物成员nesprin-2存在互作。敲低nesprin-2编码基因能够消除HMGB2的积累和核周微管网络，说明外力通过骨架和核骨架桥接传递到染色质。受限细胞核的刚度明显增强，层粘连蛋白A/C增加，显示细胞核本身也在进行结构性重塑。因此，受限黑色素瘤细胞通过LINC复合物介导的HMGB2上调和核结构重塑增强机械应力抵抗。

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表明，HMGB2激活了神经嵴和神经发育相关位点，并直接结合Notch 信号与AP-1通路基因，推动细胞进入神经样侵袭态。转录组数据进一步显示，HMGB2过表达细胞呈现间充质和侵袭性形态，上调UNC5D、SPP1等迁移基因，即HMGB2通过调控染色质结构驱动侵袭性神经状态。

功能实验印证了HMGB2的作用。作者发现受限细胞快速退出细胞周期，FUCCI成像显示它们停止分裂，转而进入迁移程序。敲除HMGB2抑制侵袭，过表达则增强侵袭。在斑马鱼中，敲除hmgb2a和hmgb2b导致肿瘤增殖增强但侵袭减少，印证了HMGB2推动侵袭状态，缺失会显著诱导增殖。

而在耐药性方面，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和曲美替尼联合治疗也表现出耐药，表明机械性限制介导的HMGB2上调诱导黑色素瘤促侵袭和耐药状态的产生。力学环境驱动的表型切换不仅让黑色素瘤更具侵袭性，还直接削弱了现有靶向疗法的疗效。

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。

Nature | 当肿瘤被挤压：力学微环境诱导黑色素瘤表型可塑性与耐药性