當(dāng)癌癥局限于身體的一個(gè)部位時(shí)，醫(yī)生通常可以通過手術(shù)或其他療法進(jìn)行治療。然而，大部分與癌癥有關(guān)的死亡，是由于它的轉(zhuǎn)移傾向，發(fā)送自己的種子（癌細(xì)胞），可能在全身生根。轉(zhuǎn)移的確切時(shí)刻轉(zhuǎn)瞬即逝，混雜在腫瘤中發(fā)生的數(shù)百萬次分裂中。美國懷特黑德研究所成員Jonathan Weissman說，“這些事件通常是不可能實(shí)時(shí)監(jiān)測的。”

如今，在一項(xiàng)新的研究中，Weissman領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)把CRISPR工具變成了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法。Weissman實(shí)驗(yàn)室與加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)科學(xué)家Nir Yosef和加州大學(xué)舊金山分校癌癥生物學(xué)家Trever Bivona合作，以進(jìn)化生物學(xué)家看待物種的方式對待癌細(xì)胞，繪制出極其詳細(xì)的家族樹。通過探究這個(gè)家族樹的分支，他們可以跟蹤癌細(xì)胞的譜系，以找到單個(gè)腫瘤細(xì)胞何時(shí)變得異常，將其后代擴(kuò)散到身體的其他部位。相關(guān)研究結(jié)果于2021年1月21日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標(biāo)題為“Single-cell lineages reveal the rates, routes, and drivers of metastasis in cancer xenografts”。

每種顏色代表身體的不同位置。色彩斑斕的系統(tǒng)發(fā)育樹顯示了高度轉(zhuǎn)移的表型，這表明一個(gè)細(xì)胞的后代在不同的組織之間轉(zhuǎn)移了很多次。以一種顏色為主的系統(tǒng)發(fā)育樹主代表著轉(zhuǎn)移性較低的細(xì)胞。圖片來自Jeffrey Quinn/Whitehead Institute。

Weissman 說，“通過這種方法，你可以問這樣的問題：‘這個(gè)腫瘤轉(zhuǎn)移的頻率有多高？轉(zhuǎn)移的部位來自哪里？它們?nèi)チ四睦铮俊ㄟ^能夠跟蹤腫瘤在體內(nèi)的歷史，你可以揭示腫瘤的生物學(xué)差異，而這通過常規(guī)手段是觀察不到的。”

構(gòu)建便簽簿細(xì)胞

科學(xué)家們過去曾通過比較癌細(xì)胞DNA藍(lán)圖中的共同突變和其他變異來追蹤它們的譜系。然而，這些方法在一定程度上取決于是否有足夠多的自然發(fā)生的突變或其他標(biāo)志物來準(zhǔn)確顯示細(xì)胞之間的關(guān)系。

這就是Weissman 和論文共同第一作者Jeffrey Quinn（當(dāng)時(shí)是Weissman 實(shí)驗(yàn)室博士后研究員）以及論文共同第一作者、Weissman實(shí)驗(yàn)室研究生Matthew Jones看到了使用CRISPR技術(shù)---特別是Weissman實(shí)驗(yàn)室成員Michelle Chan開發(fā)的一種追蹤胚胎發(fā)育的方法---有利于追蹤的機(jī)會(huì)。

這些研究人員決定利用Chan的方法自己添加標(biāo)志物，而不是簡單地希望癌細(xì)胞譜系包含足夠多的譜系特異性標(biāo)志物來追蹤。Weissman說，“基本上，我們的想法是設(shè)計(jì)含有基因組DNA便簽簿（scratchpad ）的細(xì)胞，然后用CRISPR在上面‘書寫’。這種在基因組中的‘書寫’是以一種可遺傳的方式進(jìn)行的，這意味著細(xì)胞的孫后代將在其基因組中記錄其親代細(xì)胞和祖代細(xì)胞的‘書寫’。”

為了構(gòu)建這些特殊的“便簽簿”細(xì)胞，Weissman 對人類癌細(xì)胞進(jìn)行了基因改造，增加了一些基因：一個(gè)是編碼細(xì)菌蛋白Cas9的基因，即CRISPR基因組編輯方法中使用的著名“分子剪刀”；另一個(gè)是編碼發(fā)光蛋白的基因用于顯微鏡觀察；還有一些序列將作為CRISPR技術(shù)的靶標(biāo)。

隨后，這些研究人員將數(shù)千個(gè)這些經(jīng)過基因修飾的人類癌細(xì)胞植入小鼠體內(nèi)，以模擬肺部腫瘤（Bivona開發(fā)的模型）。攜帶人類肺部腫瘤的小鼠通常表現(xiàn)出侵襲性轉(zhuǎn)移，因此他們推斷它們將為實(shí)時(shí)追蹤癌癥進(jìn)展提供一個(gè)良好的模型。

當(dāng)這些癌細(xì)胞開始分裂時(shí)，Cas9在靶位點(diǎn)進(jìn)行了較小的切割。當(dāng)它們修復(fù)切口時(shí)，它插入或刪除了一些隨機(jī)的核苷酸，從而形成了一個(gè)獨(dú)特的稱為indel的修復(fù)序列。這種切割和修復(fù)幾乎在每一代中都隨機(jī)發(fā)生，從而構(gòu)建出細(xì)胞分裂圖譜，然后Weissman及其團(tuán)隊(duì)可以使用他們與Yosef合作構(gòu)建的特殊計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行跟蹤。

揭開無形的面紗

通過這種方式跟蹤細(xì)胞，產(chǎn)生了一些有趣的結(jié)果。首先，單個(gè)腫瘤細(xì)胞之間的差異比這些研究人員預(yù)期的要大得多。這些研究人員使用的細(xì)胞來自于一種成熟的稱為A549的人類肺癌細(xì)胞系。Weissman說，“你會(huì)認(rèn)為它們會(huì)相對均質(zhì)。但事實(shí)上，我們看到了不同腫瘤轉(zhuǎn)移傾向的顯著差異---即使是在同一只小鼠身上，也是如此。有些癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移率非常低，另一些些癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移率非常高。”

為了找出這種異質(zhì)性的來源，這些研究人員在不同的小鼠中植入了同一個(gè)癌細(xì)胞的兩個(gè)克隆。隨著細(xì)胞的增殖，他們發(fā)現(xiàn)，它們的后代以非常相似的速度發(fā)生轉(zhuǎn)移。然而，來自同一癌細(xì)胞系的不同細(xì)胞的后代卻并非如此---這個(gè)癌細(xì)胞系在體外培養(yǎng)了數(shù)代后，明顯已經(jīng)進(jìn)化出不同的轉(zhuǎn)移潛能。

這些研究人員接下來想知道是什么基因?qū)е铝藖碜酝患?xì)胞系的不同癌細(xì)胞之間的這種差異性。于是他們開始尋找非轉(zhuǎn)移性腫瘤、轉(zhuǎn)移性較弱的腫瘤和轉(zhuǎn)移性較高的腫瘤之間不同表達(dá)的基因。

許多基因脫穎而出，其中的一些基因以前就被認(rèn)為與轉(zhuǎn)移有關(guān)--盡管不清楚它們是推動(dòng)轉(zhuǎn)移的原因還是僅僅是轉(zhuǎn)移的結(jié)果。其中的一個(gè)基因編碼角蛋白17（Keratin 17, KRT17），在低轉(zhuǎn)移性腫瘤中的表達(dá)比在高轉(zhuǎn)移性腫瘤中的表達(dá)要強(qiáng)烈得多。Weissman說，“當(dāng)我們敲除或過度表達(dá)KRT17時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)基因?qū)嶋H上是在控制腫瘤的浸潤性。”

能夠以這種方式識(shí)別轉(zhuǎn)移相關(guān)基因，可能有助于人們回答關(guān)于腫瘤如何進(jìn)化和適應(yīng)的問題。Weissman說，“這是一種全新的方式來看待腫瘤的行為和進(jìn)化。我們認(rèn)為它可以應(yīng)用于癌癥生物學(xué)中的許多不同問題。”

從哪里來，到哪里去？

Weissman的CRISPR方法還允許這些研究人員更詳細(xì)地追蹤轉(zhuǎn)移細(xì)胞在體內(nèi)的去向，以及何時(shí)轉(zhuǎn)移。例如，一個(gè)植入的癌細(xì)胞的后代分別進(jìn)行了五次轉(zhuǎn)移，每次都從左肺擴(kuò)散到其他組織，如右肺和肝臟。其他細(xì)胞則轉(zhuǎn)移到不同的區(qū)域，然后從那里再次轉(zhuǎn)移。

這些運(yùn)動(dòng)可以整齊地映射在系統(tǒng)發(fā)育樹（即前面提及的家族樹）上（如圖所示），每種顏色代表身體的不同位置。色彩斑斕的系統(tǒng)發(fā)育樹顯示了高度轉(zhuǎn)移的表型，這表明一個(gè)細(xì)胞的后代在不同的組織之間轉(zhuǎn)移了很多次。以一種顏色為主的系統(tǒng)發(fā)育樹主代表著轉(zhuǎn)移性較低的細(xì)胞。

以這種方式繪制腫瘤進(jìn)展圖譜使得Weissman和他的團(tuán)隊(duì)能夠?qū)D(zhuǎn)移機(jī)制進(jìn)行一些有趣的觀察。例如，一些癌細(xì)胞克隆以教科書中提到的方式播種，從左肺，即它們開始的地方，前往身體的不同區(qū)域。其他的癌細(xì)胞克隆更不規(guī)則，首先移動(dòng)到其他組織，然后再從那里轉(zhuǎn)移。

論文共同第一作者Jeffrey Quinn說，一個(gè)這樣的組織，即位于肺部之間的縱隔淋巴組織（mediastinal lymph tissue），似乎是一種樞紐。他說，“它充當(dāng)了一個(gè)中轉(zhuǎn)站，將癌細(xì)胞連接到所有肥沃的土地上，然后它們就可以去定植了。”

在治療上，發(fā)現(xiàn)這樣的轉(zhuǎn)移“樞紐”可能非常有用。Weissman說，“如果你把癌癥治療的重點(diǎn)放在這些地方，那么你就可以在第一時(shí)間減緩轉(zhuǎn)移或預(yù)防轉(zhuǎn)移。”

在未來，Weissman希望不僅僅是簡單地觀察細(xì)胞，而且還要開始預(yù)測它們的行為。Weissman說，“這就像牛頓力學(xué)一樣--如果你知道速度和位置以及作用在一個(gè)球上的所有力，你就可以計(jì)算出這個(gè)球在未來任何時(shí)候會(huì)去哪里。我們希望對細(xì)胞做同樣的事情。我們希望從本質(zhì)上構(gòu)建一個(gè)驅(qū)動(dòng)腫瘤分化的函數(shù)，然后能夠測量它們在任何特定時(shí)間的位置，并預(yù)測它們在未來的位置。”

這些研究人員樂觀地認(rèn)為，能夠?qū)崟r(shí)追蹤單個(gè)細(xì)胞的家族樹將證實(shí)在其他環(huán)境中也是有用的。論文共同第一作者M(jìn)atthew Jones說，“我認(rèn)為，這將為我們所考慮的生物學(xué)中可測量的數(shù)量打開一個(gè)全新的維度。總地來說，這就是這個(gè)領(lǐng)域非常酷的地方，我們正在重新定義什么是不可觀察到的，什么是可觀察到的。”（生物谷 世聯(lián)博研Bioexcellence）

小編推薦會(huì)議 2021 （第四屆）單細(xì)胞多組學(xué)研究與臨床應(yīng)用峰會(huì)

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