肿瘤的异质性是恶性肿瘤的特征之一，是有效治疗的障碍[1，3]。结直肠癌(colorectal cancer, CRC)作为异质性较高的恶性肿瘤，在所有癌症中，发病率排名第三，死亡率排名第三[4]。大量研究表明，结直肠癌是由隐窝底部的正常干细胞经过突变累积转化为肿瘤干细胞后，细胞异常的增殖分化而引起的[5]。然而，在肿瘤进展初期，瘤内异质性（intratumor heterogeneity, ITH）是如何建立的在很大程度上是未知的。
在肿瘤组织中，存在极少量的肿瘤干细胞，具有无限增生的潜能，在肿瘤中充当着“种子”的角色，对启动肿瘤发生、生长和复发起着决定性作用。肿瘤干细胞与正常干细胞相似，具有自我更新和分化的潜能。既能够通过自我更新产生一个与自身相同的子代干细胞，又能够产生分化程度更高的子代细胞或前体细胞。大量的报道表明及其少量的肿瘤干细胞就能够生长成为一个包含众多不同细胞类型的、高度异质性的肿瘤组织。那么肿瘤干细胞经过分裂能够产生哪些细胞类群呢？为了研究这一问题，研究人员使用了从两个CRC患者肿瘤组织中分离的CD133+LGR5+的肠癌干细胞，称为CCSC，将这群细胞注射到裸鼠皮下，使其形成异种移植瘤。收取肿瘤将其消化成单细胞悬液后进行10×Genomics单细胞转录组测序，从而分析CCSCs来源的肿瘤细胞的异质性。研究发现异质性肿瘤中除了肠癌干细胞外还产生了另外 6 种基因表达和功能不同的细胞亚群（图1A-H），并且这些细胞亚群在肿瘤的发展过程中是动态变化的。
图1. CCSC来源的异种移植瘤内肿瘤细胞的分群
进一步研究人员对肠癌干细胞不对称分裂是否参与了肿瘤早期异质性的建立进行了探索。为了探究CCSC通过不对称分裂都能产生哪些类型的非干细胞，研究人员利用Notch报告基因系统捕获了CCSC不对称分裂产生的Notch-GFP-非干细胞，采用Smart-seq2的方法进行单细胞转录组测序，发现CCSC不对称分裂产生了五个亚群（图2D-I）。通过与10×Genomics单细胞转录组测序结果的整合比对，研究人员发现在异种移植瘤中早期出现的 3 个细胞亚群是通过肠癌干细胞不对称分裂产生的（图2J-M）。通过进一步的功能分析与免疫荧光染色实验证实结直肠癌干细胞不对称分裂促进了肿瘤早期异质性的形成。
图2. CCSC不对称分裂促进了早期瘤内异质性的形成
随后研究人员对由干细胞通过不对称分裂产生的非干细胞亚群的功能进行了分析及实验验证，除快具有速增殖特性的亚群外，还鉴定了一个药物耐受亚群和一个具有侵袭能力的亚群，并探索了调控这些亚群产生的调节因子（ATF6, FOXQ1）（图3A,B）。通过进一步研究发现靶向调节因子能够影响细胞亚型的组成和CRC的进展（图3C-I）。
图3. ATF6和FOXQ1分别参与调节CCSC不对称分裂产生的化疗耐受亚群和侵袭亚群
综上所述，研究结果表明，CRC的ITH进化起源于CCSCs。研究人员阐明了CCSC不对称分裂对早期CRC 形成ITH的贡献，并揭示了影响细胞组成和CRC进展的调节因子。因此，靶向肿瘤干细胞的不对称分裂能够改变ITH的组成，并有利于CRC的治疗。然而本项研究中仍有一些问题没有彻底阐明，例如10×Genomics测序得到的亚群中仍有三群细胞的来源并不清楚，这表明除了不对称分裂之外，其他机制也导致了CRC的 ITH，例如遗传和表观遗传的改变，这可能是ITH相对较晚阶段发生的。此外，已有的报道表明肿瘤干细胞也是一群异质性群体，其与不对称分裂产生的五个非干细胞亚群的对应关系也有待进一步研究。
