前言
一个多世纪以来，癌症一直被视为一种累积突变的遗传疾病。例如，在癌症中，进展通常与APC、RAS、SMAD和TP53突变的增加相关。这些研究导致了这样一种观点，即体细胞突变的时间积累达到致癌负荷的阈值是转移状态的开始和进展的基础。研究表明，衰老组织中往往充斥着复杂致癌背景的克隆，这些克隆与正常组织似乎和谐共存，这进一步推动了这一观点。
然而，现在对小鼠的研究表明，即使是只有一个或几个致癌突变的细胞也可以发展为恶性。研究提供了进一步的证据，表明转移扩散到次要部位并不总是与更高的突变负担相关，即使是未转化的上皮细胞也可以自发扩散并在远处的器官中存活。某些癌症表现出的器官向性也支持这样一种观点，即环境决定了成功转移的形成，而非遗传途径往往控制着转移特征的获得。
在过去的十年里，人们专注于研究肿瘤微环境（TME）的各种成分的时空变化，以及转化细胞发展为恶性、侵袭性和转移性癌症时的变化。这些研究发现了许多新的癌症驱动因素，除了基因改变外，还有许多非基因改变，如组蛋白和DNA修饰和肿瘤侧的转录调节改变，以及TME的细胞外基质（ECM）、组织结构和物理应力，所有这些都会对恶性肿瘤产生深远影响。
总之，对肿瘤发生和转移的研究揭示了无数非遗传因素，这些因素是恶性肿瘤形成和发展的关键驱动因素，而且往往是主要驱动因素。这些癌症的微环境和表观遗传驱动因素具有作为癌症治疗靶点的巨大潜力。
癌症的细胞外在驱动因素
TME包括免疫细胞、CAFs、血液和淋巴血管系统和神经，以及细胞外成分，如ECM、基底膜、生长因子和代谢产物，所有这些都已知会影响肿瘤发生和肿瘤进展。
转化细胞与其健康邻居之间的竞争
哺乳动物上皮内的细胞竞争是在组织形态发生过程中发生的一个自然生理过程。通过这种机制，合适的细胞识别并主动杀死不太合适的邻居，然后将其从组织中排出。最近在乳腺类器官中检测了人类肿瘤发生中的细胞竞争，其中转化的细胞只有在被转化的邻居包围时才能有效增殖。因此，为了使转化细胞的克隆出现，它们必须产生足够的旁分泌信号来阻止健康邻居的竞争。事实上，在肠隐窝中，携带KRAS或PI3K突变的转化肠上皮细胞将骨形态发生蛋白配体分泌到邻近的健康隐窝，抑制正常干细胞活性并获得竞争优势。
这些研究提供了令人信服的证据，证明从肿瘤发生的早期阶段开始，在没有遗传突变积累的情况下，转化的上皮细胞可以改变其周围的上皮，以成功地发展为恶性肿瘤。在这方面，有趣的是，一些特定的突变，例如TP53和NOTCH1，可以在皮肤和食道中长时间积累，而不会发展为恶性肿瘤或被其邻居消除。表明除了致癌突变外，肿瘤发生还需要小生境重塑。总的来说，克隆竞争可能有助于并促进肿瘤内的异质性，以促进肿瘤的进化。
炎症
炎症是癌症在整个组织中发生和发展的关键驱动因素。最近的研究证实，炎症和癌症之间的联系是深远的。当用炎症诱导剂右旋糖酐硫酸钠（DSS）处理大肠腺瘤性息肉病（Apc）基因突变杂合的小鼠肠道时，肠道肿瘤发生加速。类似地，携带表皮生长因子（Egfr）或Kras突变的小鼠在受到空气污染加剧时，表现出肺腺癌的加速形成。因此，尽管长期假设必须发生额外的自发遗传事件才能发展为恶性肿瘤，但这些例子表明，暴露于初始遗传损伤之前或之后发生的炎症刺激可以取代这种需要。
基质成纤维细胞
CAFs是一种TME细胞，具有瘤体内异质性表型，在ECM沉积和重塑中发挥关键作用，并与癌细胞和浸润性淋巴细胞广泛交流。CAFs对上皮肿瘤发生的强大作用已在基因正常的成纤维细胞中得到证实。CAFs对TGF-β和Yes相关蛋白（YAP）信号传导有强烈反应，从而诱导ECM产生和免疫抑制能力的细胞类型特异性变化。此外，通过它们在一些肿瘤（例如胰腺癌）周围编织致密基质网的能力，CAFs有能力改变TME的代谢和缺氧环境，从而有利于癌细胞生长。
机械应力
尽管基质和转化细胞之间的许多相互作用受到分泌的细胞因子和生长因子的影响，但其他相互作用可能由细胞-细胞和细胞-ECM相互作用的急性快速变化或致癌突变引起的异常机械力触发。
肿瘤细胞入侵的能力取决于其周围环境的硬度。在年轻健康的组织中，基质ECM通常是坚硬的，阻碍肿瘤的发生，并且通常需要ECM降解酶来促进侵袭。随着组织年龄的增长，基质ECM变弱，这可能导致肿瘤发生率随年龄的增长而显著上升。
局部机械力作为非遗传因素在肿瘤进展中的重要性也进行了研究。例如，在一系列以不同模式和水凝胶硬度生长的小鼠和人类癌细胞系中，仅机械应力就可增强肿瘤的CSC特征，包括增殖、迁移、侵袭和存活。细胞外空间的机械应力如何影响致瘤性和侵袭性的另一个例子来自对人类肝细胞癌细胞系的研究，其中ECM的硬化诱导其分泌外泌体，这反过来导致NOTCH激活和异种移植后的生长增强。细胞外液体粘度也可以在体外重编程乳腺癌细胞，使其传播有利于转移的表型，影响肌动蛋白细胞骨架、钠和钙转运和收缩性。
血管生成、淋巴管生成和神经发生
TME对癌症的其他众所周知的影响包括血管生成和淋巴管生成，这两者都是由来自CSC的信号触发的。值得注意的是，VEGF-A可由早期致瘤微环境中的多种因素诱导，包括综合应激反应、缺氧和TGF-β信号传导。脉管系统将营养物质、激素和免疫细胞输送到肿瘤的能力使其成为CSC的重要生命线，CSC位于肿瘤-基质界面，血管扩张也可以产生肿瘤内的异质性，驱动邻近CSC的差异转录组学，并导致治疗耐药性。
最近的研究已经开始探索神经在癌症进展中的作用。到目前为止，它们的作用似乎取决于环境，没有一致的肿瘤促进或抑制作用。然而，在结直肠癌的单癌基因Apcmin模型中，迷走神经切断术显著减少了肿瘤数量，这表明内脏感觉神经元可能是肿瘤发生和发展的非基因驱动因素。
癌症的细胞内在非基因驱动因素
TME和肿瘤细胞之间的通讯形成了癌症表观基因组，包括DNA、组蛋白和其他染色单体相关蛋白的翻译后修饰。这些改变可以留下影响CSC的转录和翻译的持久印记。
TME诱导的转录因子失调
TME触发的促肿瘤信号传导通常导致转化细胞中的转录因子失调。MAPK途径被酪氨酸激酶受体如EGFR激活，后者反过来激活RAS和/或RAF，改变转录因子如JUN、FOS、ELK、ETS、MYC、MSK的表达，甚至β-连环蛋白，即WNT信号的淋巴增强结合因子（LEF1）辅因子。尽管该途径的基因在癌症中频繁突变，但TME可以过度激活该途径。例如，在致癌的RAS驱动的胰腺癌中，固醇O-酰基转移酶1（SOAT1）被过度激活，它增强了RAS膜的定位和功能。
染色质动力学的影响
随着肿瘤的发生，外部因素和下游转导信号通路的复杂相互作用可以深刻地改变CSCs的染色质组织。致癌过程中染色质失调导致可塑状态，导致癌症转化、异质性和进化。新出现的肿瘤及其微环境之间的动态串扰产生了选择性压力，从而触发组织中通常不活跃的转录因子。其中一个例子是Runt相关转录因子（RUNX），它经常引起与肿瘤进展和转移有关的染色质重塑的表观基因组改变。
TME的代谢状态也可以影响癌症表观基因组学。在这方面，许多DNA和组蛋白去甲基化酶的活性依赖于辅因子α-酮戊二酸，因此受到TME中α-酮谷氨酸与琥珀酸比率的影响。例如，当比率低并且去甲基化酶被抑制时，H3K27me3可以积累，特别是当甲基化酶（如EZH2）过度活跃时，就像在癌症中经常发生的那样。EZH2也可以通过TME升高，这足以诱导乳腺肿瘤的转移。
癌症进展的转录后控制
在染色质结构和转录的下游，调节转录稳定性的机制和翻译也被认为是表观遗传学调节剂。在癌症中，TME的外部因素可以诱导劫持这些机制的途径，以促进转化、肿瘤发生和进展。
miRNA
许多miRNA与癌症相关。例如，miRNA能够抑制编码载脂蛋白E的特定变体的mRNA，该变体在人群中自然发生，但当缺失时，会增加对转移性黑色素瘤的易感性。此外，癌细胞环境在调节这些转录后调节因子的表达方面也起着关键作用。缺氧和EGFR信号传导，后者被突变以及TME中细胞分泌的生长因子过度激活，从而调节控制miRNA成熟的AGO2蛋白的磷酸化。
翻译
癌细胞必须努力使其能够在压力条件下生存，同时抑制抗肿瘤免疫反应。敌对TME，如营养缺乏、氧气限制、高代谢需求和氧化应激，都会引发内质网（ER）应激的细胞状态。通过激活ER应激传感器和适应性应激反应，癌细胞可以抵御环境攻击，增强其转移和耐药性。这些反应的核心是转化机制。通过抑制全局翻译，同时允许翻译一些关键的应激反应mRNA，癌细胞可以更好地应对环境的应激。
小结
在过去的十年里，新的数据表明，对于大多数癌症来说，一旦干细胞接受了最初的致癌突变，非基因驱动因素可能是驱动肿瘤发生和发展的重要原因。肿瘤发生和进展的过程可以被视为遗传和非遗传因素之间的动态平衡，这是为适应特定的癌症起源细胞及其在肿瘤进展过程中不断变化的微环境而量身定制的。从这个角度来看待癌症，可以更准确地捕捉癌细胞行为的复杂性，并有助于未来的研究，揭示癌症治疗的新弱点。
参考文献：
1.Beyond genetics: driving cancer with the tumour microenvironment behind the wheel. Nat Rev Cancer. 2024 Feb 12