癌癥是威脅人類健康的主要疾病之一，而轉移是導致絕大多數癌癥患者死亡的原因。盡管科學家們已經知道原發腫瘤和轉移灶在驅動基因突變上往往高度相似，但究竟是什么機制決定了只有少數腫瘤細胞能夠成功“遠征”并在遠處器官“安家落戶”，仍然是一個巨大的謎團。傳統的觀點聚焦于基因突變，然而，越來越多的證據表明，表觀遺傳調控和細胞可塑性可能在轉移中扮演著關鍵角色。例如，腫瘤細胞會展現出類似胚胎發育早期的“胎兒樣”狀態，或者發生上皮-間質轉化(EMT)，獲得更強的遷移和侵襲能力。但這些狀態與最終形成轉移灶之間的具體聯系，以及背后的核心驅動力，尚不清晰。這就像我們知道了士兵（腫瘤細胞）可能會接受某種訓練（如EMT），但還不清楚是哪種訓練最終能讓他們成為合格的特種部隊（轉移性克隆），以及誰在指揮這場訓練。

為了回答這些問題，一項發表于《Research》的研究應運而生。研究人員獨辟蹊徑，從“細胞身份”轉變的視角切入，提出并驗證了一個新假說：癌癥轉移的核心特征并非僅僅是變得“幼稚”（胎兒樣）或“流動”（EMT），而是發生了根本性的“身份轉換”，即譜系轉分化。這項研究綜合利用了前沿的生物信息學工具和多組學技術，旨在單細胞分辨率下，全景式描繪癌細胞在向轉移演進過程中，其轉錄組和表觀基因組的動態變化規律，并探尋其背后的分子開關和臨床意義。

為開展此項研究，作者主要運用了以下幾項關鍵技術方法：首先，整合并分析了大量已發表的小鼠和人類肺癌及其他多種癌癥的單細胞RNA測序(scRNA-seq)和單細胞ATAC測序(scATAC-seq)數據集，以重建癌細胞演化軌跡。其次，開發了新的生物信息學方法，用于量化單細胞的“譜系保真度”和推斷其可能的“祖先細胞類型”。第三，利用本研究團隊收集的臨床隊列（如Challenge-Lung和Challenge-PANCAN隊列）樣本，進行了DNA甲基化(DNAm)測序和生物信息學去卷積分析，構建了用于檢測譜系轉分化的“DNAm偏差指數”。最后，通過細胞功能實驗（如siRNA敲低和Transwell實驗）和藥理學擾動（如ALK抑制劑處理），在體外驗證了關鍵轉錄因子和信號通路的功能。

研究人員首先利用遺傳工程小鼠肺腺癌(LUAD)模型，整合分析其單細胞轉錄組和染色質可及性數據。他們描繪出一條清晰的演化路徑：正常的肺泡Ⅱ型(AT2)細胞→支氣管肺泡干細胞樣細胞(BASC)→原發癌細胞→Cldn4⁺細胞→EMT細胞→轉移細胞(Met1/Met2)。沿著這條路徑，癌細胞逐漸失去肺譜系特異性基因程序，先去分化進入一個胎兒樣、EMT活躍的狀態，隨后再分化，錯誤地激活了神經膠質、間質、內皮等替代譜系的基因程序。轉錄因子活性分析顯示，肺譜系因子（如Nkx2-1）活性下降，胎兒樣因子（如Gata3）活性先升高后降低，而替代譜系因子活性則在轉移細胞中顯著升高。研究人員引入了“譜系保真度”量化指標，發現癌細胞在轉移演化過程中譜系保真度 progressively 降低。此外，譜系追蹤和種群數量估算揭示，在Cldn4⁺向EMT細胞演進時存在一個種群瓶頸，只有約5.86%的Cldn4⁺細胞能成功進入下一階段，提示轉分化是一個受表觀遺傳隨機性驅動的選擇性過程。

為了驗證小鼠模型中的發現是否適用于人類癌癥，研究團隊重新分析了人類LUAD患者從早期原發灶到晚期轉移灶（如胸水、淋巴結、腦）的單細胞轉錄組數據。結果顯示，與小鼠模型一致，人類LUAD細胞在進展過程中，其譜系保真度逐漸下降，而干細胞性(CytoTRACE評分)則先升高（至晚期原發癌）后降低（在轉移癌）。基因共表達模塊分析表明，隨著癌癥進展，肺譜系相關程序表達減少，而替代譜系（如神經元樣、肝細胞樣）程序表達增加。絕大多數癌細胞仍可被歸類為單一的終末細胞類型，但其轉錄譜越來越偏離其起源的肺細胞，罕見的多譜系映射細胞可能代表了轉分化的中間狀態。

研究將分析擴展到8種其他人類癌癥類型（包括乳腺癌、結直腸癌、前列腺癌、胃癌、腎透明細胞癌、肝細胞癌、頭頸鱗癌和葡萄膜黑色素瘤）的單細胞數據。在所有分析的腺癌和非腺癌（頭頸鱗癌除外）中，轉移性癌細胞相較于原發癌細胞都表現出譜系保真度的下降。即使在頭頸鱗癌和葡萄膜黑色素瘤中，轉移細胞的干細胞性也顯著降低。這表明譜系轉分化是多種癌癥類型轉移中的一個普遍現象。

研究人員建立了一種基于DNA甲基化(DNAm)譜檢測譜系轉分化的方法。通過對臨床肺癌樣本的分析，他們定義了一個“DNAm偏差指數”，該指數與腫瘤的組織病理學分級、侵襲性類型正相關。重要的是，在配對的原發灶-轉移灶樣本（涵蓋肺癌、胃癌、前列腺癌、腦膜瘤、胰腺神經內分泌腫瘤）中，轉移灶均顯示出比原發灶更高的非起源組織DNAm信號，表明轉分化細胞在轉移灶中更富集。生存分析顯示，在膀胱癌、肺腺癌、腎透明細胞癌、前列腺癌和低級別膠質瘤等多種癌癥中，高DNAm偏差指數的患者其無進展生存期更差。該指數與反映胎兒樣狀態的甲基化干性指數(mDNAsi)相關性不一致，且在多變量分析中能獨立預測更差的預后，提示轉分化狀態本身是驅動不良預后的關鍵特征。

對臨床隊列的遺傳學分析發現，MAPK信號通路的高水平激活（如攜帶致病性EGFR突變、MAPK癌基因的染色體外DNA擴增或激酶融合）與高DNAm偏差指數顯著相關，而抑癌基因的失活則無此關聯。在攜帶EML4-ALK融合的人類肺癌單細胞染色質可及性數據中，ALK陽性樣本的轉分化癌細胞亞群更富集，且其中替代譜系轉錄因子活性更高。MAPK信號高的腫瘤在全基因組轉錄因子結合位點(TFBS)周圍表現出更高的DNA甲基化水平，可能通過抑制肺譜系和EMT相關轉錄因子的功能來促進轉分化。功能實驗證實，敲低轉分化相關的關鍵轉錄因子（如ETV6, GATA3, SOX2等）能顯著抑制肺癌細胞的遷移和侵襲能力。

藥理學實驗表明，用ALK抑制劑處理EML4-ALK陽性的肺癌細胞系，可使其從上皮樣表型轉向EMT樣表型，減少替代譜系的DNAm信號和基因表達，同時重新誘導胎兒樣和EMT相關基因。對EGFR和RET驅動肺癌細胞系的批量RNA測序數據分析也發現，酪氨酸激酶抑制劑(TKI)處理會誘導肌源性和EMT基因集的激活。在患者活檢單細胞數據中，TKI治療響應與譜系保真度升高、替代譜系程序抑制相關，而疾病進展時則出現相反的趨勢。這表明致癌性MAPK信號是維持癌細胞譜系轉分化狀態所必需的，抑制該通路可使其向更譜系忠實的狀態逆轉。

該研究通過整合多組學單細胞數據分析，系統闡述了癌癥轉移的一種新型演化機制。研究發現，轉移并非簡單源于胎兒樣狀態的獲得或EMT，而是經歷了一個“去分化-再分化”的譜系轉分化過程。癌細胞首先失去原有身份，進入一個可塑性高的胎兒樣中間狀態，隨后錯誤地激活并鎖定在替代譜系的基因程序上，從而獲得轉移能力。這一過程在多種小鼠和人類癌癥中普遍存在，并與腫瘤分級、轉移潛力和患者不良預后緊密相關。

研究進一步揭示，致癌性MAPK信號通路的激活是驅動譜系轉分化的關鍵分子開關。MAPK信號不僅促進全局性的de novoDNA甲基化，可能通過抑制原有譜系身份，還為替代譜系程序的建立創造條件。抑制MAPK信號可逆轉轉分化狀態，這為臨床上術后輔助TKI治療能夠預防轉移（如ADAURA等臨床試驗）提供了潛在的機制解釋。因此，靶向譜系轉分化過程或其上游的MAPK信號通路，有望成為遏制癌癥轉移的新策略。

研究的局限性在于主要基于生物信息學分析和已有數據集，缺乏直接的遺傳學操作實驗證明誘導轉分化足以導致轉移。此外，對更高層級的染色質結構變化、轉分化狀態是否決定轉移器官嗜性及其在體內微環境適應和免疫逃逸中的具體作用，仍有待未來研究。盡管如此，該工作首次將譜系轉分化確立為癌癥轉移的一個核心特征，為理解腫瘤演化和開發抗轉移療法開辟了新的視角和途徑。