国家重大科学研究计划2011年立项项目申请书肿瘤干细胞的动态演进及干预研究

项目名称：肿瘤干细胞的动态演进及干预研究首席科学家：刘强中山大学起止年限：2012.1至2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容拟解决的关键科学问题：肿瘤干细胞的动态演进及干预研究。

本项目将围绕“肿瘤干细胞的动态演进及干预研究”这一关键科学问题，选择造血和消化系统恶性肿瘤为研究对象，以肿瘤干细胞动态演进过程为切入点，通过体内外功能实验及临床标本验证“干性”及转移潜能调控中的关键基因，明确肿瘤干细胞演进的分子机制、关键调控分子和信号通路，探索靶向肿瘤干细胞演进过程的干预方法和手段，阐明肿瘤干细胞的演进过程及靶向干预肿瘤细胞动态演进过程的干预新模式。

本研究将为肿瘤干细胞的动态演进模型及创新性靶标药物的临床应用提供充实的理论和实验依据，为攻克肿瘤开创新的突破口。

围绕拟解决的关键科学问题，本项目的主要研究内容是：1. 肿瘤干细胞的起始与动态演进机制：本课题组将运用TEL-AML1及PML-RARα白血病相关模型，探索白血病干细胞的动态演进过程（白血病起源细胞→白血病前癌干细胞→白血病干细胞）：（1）TEL-AML1 相关白血病起始和发展过程中起源细胞、Pre-LSC和LSC的鉴定，以及这些干细胞动态演进的遗传和表观遗传调控机制；（2）PML-RARα相关白血病起始和发展过程中不同阶段的干细胞鉴定和动态演进机制。

另一方面，本课题组还将探讨肝癌干细胞在肝癌发生发展过程（原发、复发及转移）中的动态演进过程。

2. 肿瘤干细胞“干性”的分子调控及临床意义：（1）应用新一代高通量测序技术，系统分析全基因组、全外显子组、转录组、表观遗传组、代谢组等变化，绘制造血和消化系统肿瘤干细胞异质性相关基因序列谱、表达谱和表观遗传学图谱，分析肿瘤干细胞“干性”相关的调控分子及关键信号通路；（2）运用小鼠模型等体内外功能实验对候选分子在肿瘤干细胞动态演进过程中的功能进行鉴定，并通过临床标本检验肿瘤干细胞动态演进模型的临床意义；（3）结合本课题组已有工作基础，展开肿瘤干细胞细胞周期、非对称分裂等分子调控方面的细致研究。

3. 肿瘤干细胞转移潜能获得的分子机制：肿瘤干细胞的“干性”决定着其转移潜能，EMT作为肿瘤转移的重要机制，与肿瘤干细胞的动态演进过程紧密关联，剖析二者之间的相互作用，将为寻找肿瘤发生及转移的靶点提供有力的理论基础：（1）利用肝癌转移动物模型，研究具有转移潜能的肿瘤干细胞的基因表达谱；（2）研究本课题初期筛选到的调节肿瘤干细胞“干性”相关基因促进EMT过程的可能性及机制；（3）在已有研究基础上，继续探索细胞增殖相关基因调节EMT及肿瘤干细胞生物学行为的机制；（4）结合临床标本研究EMT相关基因在转移性肝癌等消化系统恶性肿瘤的相关性。

4. 肿瘤干细胞的特异性干预靶点研究：针对肿瘤干细胞动态演进过程以及与“干性”、转移潜能相关的关键调控分子为靶点，建立特异性的干预手段：（1）结合本研究前期工作进展，针对肿瘤干细胞演化过程中关键分子和通路的遗传学和表观遗传学学改变，寻找可干预的靶点，设计特异性抑制分子；（2）深入探讨AKT抑制剂、XIAP抑制剂等在体内外对肿瘤干细胞增殖、抑制和凋亡的诱导作用，及相关下游信号通路的抗肿瘤分子机制；（3）研究肿瘤干细胞对细胞凋亡抵抗的新分子机制，在此基础上设计和筛选对肿瘤细胞和肿瘤干细胞具有更高促凋亡作用的靶向性凋亡诱导剂和增敏剂，研发新的抗肿瘤药物；（4）针对肿瘤干细胞的代谢调控机制，建立肿瘤干细胞代谢组学研究平台，开发具有临床应用前景的代谢靶向新药。

二、预期目标恶性肿瘤是危害人类健康的常见病，肿瘤干细胞作为肿瘤组织存在的根源，在肿瘤的诊断与治疗中有着举足轻重的地位，本研究将充分利用国内丰富的肿瘤资源，发挥各合作单位的高水平人才和完善的实验平台，探索“肿瘤干细胞的动态演进及干预”。

本研究以严重危害国民健康的血液和消化系统肿瘤为研究目标，在前期成功分离鉴定血液和消化系统肿瘤干细胞的基础上，充分利用新一代高通量测序平台，系统研究肿瘤干细胞动态演进过程及遗传学和表观遗传学的变化，成功筛选“干性”与转移潜能调控通路中的关键分子，通过体内外功能学实验的鉴定及临床标本的验证，进一步探讨其作为特异性干预靶点的潜在意义，开发系列药物来靶向肿瘤干细胞的动态演进过程，制定以肿瘤干细胞为靶标的分子干预策略，引领肿瘤干细胞研究领域的前沿。

具体预期目标如下：1. 阐明肿瘤干细胞的动态演进模型：发展前期研究成果，通过研究干细胞在白血病及肝癌中的起始和演化过程，阐明并完善肿瘤干细胞的动态演进模型（肿瘤起源细胞→前体肿瘤干细胞→肿瘤干细胞），及致瘤和非致瘤性肿瘤干细胞之间的互相演变，明确其重要调控机制，将引领肿瘤干细胞研究的国际前沿。

2.完善全基因组水平肿瘤干细胞遗传学和表观遗传学的分析平台：新一代高通量测序技术的应用，能够快速、精确的获取全基因组水平的基因信息，包括突变和表达量变化等，目前该技术已经成熟地运用于检测肿瘤基因组体细胞突变和表达图谱。

本项目力争建立并完善该分析平台，将其应用到血液和消化系统肿瘤干细胞的全基因组信息分析中。

3.明确肿瘤干细胞“干性”相关分子并验证其临床意义：肿瘤干细胞的自我更新、无限增殖和多向分化等“干性”特征是肿瘤干细胞发挥生物学功能的基础。

结合前期工作基础和高通量测序方法筛选肿瘤干细胞“干性”、转移潜能调控通路的关键分子，运用免疫缺陷小鼠模型等体内外实验及临床标本，进行功能鉴定，并明确其临床意义，为阐明肿瘤干细胞的动态演进模型提供详细分子机制，为寻找有效的小分子抑制剂、开创特异性靶向干预手段而提供理论依据和应用基础。

4.明确肿瘤干细胞的转移潜能及其调控机制：结合初期研究基础和高通量测序技术筛选到的肿瘤干细胞“干性”、转移潜能关键调控分子、肝癌转移动物模型肿瘤干细胞基因表达谱等重要信息，开展系列体内外实验，探讨这些候选分子在肿瘤干细胞动态演进模型中促进转移/EMT的生物学行为作用机制，评估肿瘤干细胞与EMT过程中的可干预性靶点，为开发靶向干预药物提供依据。

5.寻找肿瘤干细胞的靶向干预手段并评价其临床应用前景：针对肿瘤干细胞的动态演进过程，阐明肿瘤干细胞耐药的分子机理，揭示与此相关的遗传学和表观遗传学改变，筛选耐药细胞的分子标记物和治疗靶点；明确肿瘤干细胞凋亡通路的改变、设计并开发细胞凋亡的诱导剂和增敏剂；建立肿瘤干细胞代谢组学分析平台，开展肿瘤干细胞代谢及其调控机制的分析鉴定，在肿瘤干细胞能量代谢及其线粒体功能失调等领域的研究取得突破性进展，开发具有临床应用前景的代谢靶向新药；建立并完善规范化的肿瘤干细胞研究平台。

6.创新性研究成果及队伍建设：本课题组计划建立5～6个国内肿瘤干细胞研究平台；发现5～10个肿瘤干细胞靶点，争取完成临床前期实验研究；总结归纳研究成果，在相关领域SCI收录国际杂志上发表论文80篇以上（5分以上15～20篇）；申报获得授权发明专利10～20项；争取获得国家级科技奖励1～2项；主办国际肿瘤干细胞研讨会1～2次；国家杰出青年科学基金获得者2~3名；培养博士和硕士研究生100～200名，产生百篇优秀博士论文1～2篇。

三、研究方案（一）总体学术思路肿瘤干细胞被公认为肿瘤发生的根源，是肿瘤耐药、复发与转移的根本，在肿瘤的发生发展过程中发挥着重要作用，阐明其重要生物学功能及演变过程尤为重要。

现有的肿瘤干细胞模型（肿瘤干细胞模型和克隆演变模型）仍不能全面解释其发展演变过程，从而掩盖了肿瘤干细胞发展的关键过程。

因此，全面概括并提出描述肿瘤干细胞演变过程的新模式及在此基础上对肿瘤干细胞“干性”等生物学特征的研究是非常重要的，将为探寻肿瘤干细胞特异性靶点带来思路，并为靶向干预肿瘤干细胞的转化医学研究提供理论基础。

基于以上思路，本研究旨在从现有的肿瘤干细胞模型出发，以白血病和消化道肿瘤为研究对象，深入研究肿瘤干细胞演化过程及其各阶段与“干性”密切相关调控通路，阐明“肿瘤干细胞的动态演进过程”及分子机制，以此来带动该领域关于遗传学及表观遗传学的研究。

深入探讨肿瘤干细胞的“干性”以及转移潜能（EMT）等生物学功能的调控，阐明肿瘤干细胞在肿瘤转移过程中的详细机制。

更重要的是，针对“干性”特征及转移潜能等，从转化医学的角度去发掘可干预的治疗靶点，开发有效的小分子抑制剂等干预方法和手段。

（二）课题设置本项目将围绕“肿瘤干细胞的动态演进与干预”这个核心，系统研究肿瘤干细胞的动态演进过程、及该过程中“干性”特征和转移潜能的获得机制与临床意义，以干预调控通路、诱导细胞凋亡、阻断代谢途径等为切入点，针对各阶段调控通路中的关键分子，制定干预手段，靶向肿瘤干细胞关键信号传导通路，以期根治肿瘤。

本项目设置四个研究课题：【研究课题一】从探讨肿瘤干细胞的动态演进模型入手，结合表型、功能和遗传学变异的多样性，准确地鉴定和分离肿瘤干细胞起始和发展各个阶段的细胞，即起源细胞、前肿瘤干细胞和肿瘤干细胞，明确演变过程中各个阶段遗传学和表观遗传学改变，探讨对肿瘤病因学和治疗学的临床意义。

（经费比例： 18%）【研究课题二】应用肿瘤干细胞演变过程中的各阶段细胞、或患者标本中的肿瘤干细胞，进行高通量的测序分析，筛选与干细胞“干性”、凋亡通路、转移特性、代谢调节通路等密切相关的候选分子，开展体内外实验进行功能鉴定及临床标本验证，并收集临床标本验证其临床意义，与此同时发展前期工作基础，挖掘Aurora-A、GSK-3β、Bmi-1等分子在肿瘤干细胞“干性”调控方面的具体分子机制。

（经费比例：28%）【研究课题三】应用已有的动物模型，结合体内外转移相关实验，研究筛选到的与肿瘤干细胞转移潜能相关的候选分子，研究“干性”相关基因调节细胞发生转移及EMT的生物学行为机制。

（经费比例：28%）【研究课题四】结合研究课题一、二、三中得到的肿瘤干细胞演化过程、“干性”调节基因、转移相关基因以及代谢调控基因等为目标，从中寻找可干预的靶点，研发设计特异性的小分子靶向药物、凋亡诱导/增敏剂、抗代谢药物等，以期预防及根除肿瘤。

（经费比例：26%）（三）创新点与特色1. 本项目瞄准国际前沿，面向国家需求，针对2011年“干细胞研究国家重大科学研究计划”中“肿瘤干细胞与肿瘤发生、药物抗性及靶向特异性分子调控”的要求，综合利用多学科优势，针对肿瘤干细胞的动态演进过程，及其分子调控网络和相互作用，展开多层面而又互相关联的研究。

2. 本项目将肿瘤干细胞研究的各个领域有机的结合在一起，通过各个子课题的开展，明确肿瘤干细胞演变各个时期的分子调控机制，明确演变过程中各个阶段遗传学和表观遗传学改变，阐明肿瘤干细胞的“动态演进过程”，将引领肿瘤干细胞研究的前沿。

3. 应用新一代高通量测序方法，筛选出肿瘤干细胞与非肿瘤干细胞之间、肿瘤干细胞发生不同阶段的细胞之间的遗传学和表观遗传学差异关键，发现肿瘤干细胞发生发展过程中的关键分子及信号通路，并且通过体内外的实验和临床标本验证候选分子的重要通路，为后续肿瘤干细胞的研究提供众多切入点。