有句玩笑話說，想攻克癌癥的研究者，哪個沒殺過天文數(shù)字級別的癌細胞。這些以別樣方式“活”在實驗室里的癌細胞們，作為科研的第一手材料，為癌癥生物學(xué)和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的發(fā)展做出了巨大的貢獻[1]。
科學(xué)家們早就認識到，癌細胞系是不能夠完全模擬人體內(nèi)的腫瘤的，不過它仍然具有一定程度的代表性和穩(wěn)定性，足以提供對癌癥發(fā)展和藥物反應(yīng)的準確反饋。事實上，走向臨床的各種藥物、療法，第一次閃光都是踩在癌細胞系的尸體上。
可是實驗室內(nèi)的癌細胞系并不如科學(xué)家們所想的那樣穩(wěn)定，它們也在時刻“進化”之中，甚至對藥物的反應(yīng)會產(chǎn)生大幅度的變化！
本周的《自然》雜志刊登了來自Broad研究所的最新科研成果。研究者們對比了來自兩個數(shù)據(jù)庫的106個癌細胞系的外顯子測序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)同一細胞系之間竟然五分之一的基因序列差異！進一步分析了單一乳腺癌細胞系的27個細胞株，研究者發(fā)現(xiàn)同樣存在高水平的遺傳多樣性，測試的321種抗癌化合物中，有75%雖然能對特定細胞株產(chǎn)生抗癌活性，但是在其他細胞株中完全沒用！[2]
這或許也可以解釋為什么有些實驗，明明是用了同一癌細胞系，卻會得出不同的結(jié)果?？茖W(xué)家們必須得小心了，這意味著培養(yǎng)皿里的細胞們，說不定根本不能代表正在研究的癌種！
通訊作者之一，Todd Golub，大牛
通訊作者之二，Raemeen Beroukhim
從理論上來說，實驗室里的細胞傳代沒有環(huán)境施加的選擇壓力，遺傳上相對來說是穩(wěn)定的，那么按照這個道理來說，利用癌細胞系進行的實驗結(jié)果是可以重復(fù)的。但是實際上卻截然相反，特別是倍受關(guān)注的藥物研究，對藥物的敏感性和耐藥性經(jīng)常會得出不一致的結(jié)果[3]。
這不由得讓人猜想，難道這些癌細胞根本不如我們認為的那么穩(wěn)定？
研究者們從Broad研究所的癌癥細胞系百科全書（CCLE）和Sanger研究所的癌癥藥物敏感性基因組學(xué)（GDSC）數(shù)據(jù)庫中，提取了106個細胞系的外顯子測序數(shù)據(jù)。講道理，都是同一個細胞系，具有同樣的遺傳背景，提取到的數(shù)據(jù)不說一模一樣吧，也應(yīng)該差不了多少。
結(jié)果讓研究者大失所望，兩組數(shù)據(jù)的基因突變一致性比預(yù)想的低很多，約19%的錯義突變僅出現(xiàn)在兩組其一，在拷貝數(shù)變化上這個數(shù)字則達到了26%。
研究者對單個細胞系進行了研究。他們選中了癌癥研究中常用的雌激素受體陽性乳腺癌細胞系MCF7，涉及27個不同的細胞株，其中19個未經(jīng)過任何藥物影響或者基因工程改造，7個細胞株含有報告基因，還有1個已經(jīng)被移植入小鼠體內(nèi)，并接受了抗雌激素治療。
在這27個細胞株中，研究者發(fā)現(xiàn)數(shù)百種基因的拷貝數(shù)發(fā)生了變化，283種基因拷貝數(shù)增加，405種減少；其中，只有13%增加拷貝的基因和21%減少拷貝的基因是所有細胞株都存在的；而只有一個細胞株具有，獨一份兒的拷貝數(shù)變異基因則分別是7%和13%。
這些受影響的基因包括PTEN、TP53、EGFR、PIK3CA、MAP2K4等乳腺癌常見的突變基因，就拿PTEN來說吧，有17個細胞株都出現(xiàn)了PTEN缺失突變。還有表達雌激素受體的基因ESR1，12個細胞株拷貝增加，6個細胞株拷貝丟失——這與雌激素受體表達水平是息息相關(guān)的，而MCF7可是一個以雌激素受體陽性為特征的癌細胞系！
其他的突變類型數(shù)據(jù)也是類似的，95個單點突變中，只有35%存在于所有細胞株中，29%只存在于某個細胞株中。
各個細胞株具有的拷貝數(shù)變異
與突變情況一致，27個細胞株之間基因表達水平也有很大的差距。將細胞株兩兩對比，最慘的情況下有1574個基因表達水平差異達到了2倍以上（中位654個）。
研究者還在常見的肺癌細胞系A(chǔ)549的23個細胞株，以及其他11個癌細胞系中進行了驗證，從單點突變到結(jié)構(gòu)變異，都存在高水平的差異。
各個細胞株中的單點突變
基因?qū)用姘l(fā)生了如此大的變化，細胞功能也受到了影響，不同細胞株之間傳代時間、細胞的大小和形狀都十分不同，對藥物的反應(yīng)也相距甚遠。
同個細胞系的不同細胞株形態(tài)竟然能差這么多
研究者們在27個MCF7細胞株中測試了321種具有抗癌活性的化合物，有55種化合物在至少一個細胞株中表現(xiàn)出強抗癌活性，對癌細胞生長的抑制>50%，然而其中的48種（87%）卻在至少一個細胞株中基本沒用！
把標準再拉得嚴格一點，同時在至少兩個細胞株中都有強抗癌活性的化合物有42種，但是33種（79%）在兩個以上的細胞株中不起效果……
另外要說的是，這種變化可不是僅僅癌細胞有，正常的細胞系也是存在的，而且突變水平并不比癌細胞差。
細胞株對藥物的反應(yīng)
那么這些突變是打哪兒來的呢？
研究者在不同條件下培養(yǎng)細胞系，發(fā)現(xiàn)僅僅是不同的培養(yǎng)基條件就足以影響細胞的基因形態(tài)。與物種的進化一樣，培養(yǎng)環(huán)境也能夠?qū)毎赀M行“自然選擇”，使某些細胞更有生存優(yōu)勢，走在“進化”的前列；此外，就算是從細胞系中分離單個癌細胞進行培養(yǎng)，子代細胞也能夠獲得新的突變。
本研究與該團隊的另一項研究可以說是一脈相承的。去年，他們發(fā)表在《自然遺傳學(xué)》的論文顯示[4]，隨著時間推移，移植到小鼠體內(nèi)的人類癌細胞逐漸失去了患者的疾病特征，并且獲得了一些新的表型，與對藥物的敏感性變化有關(guān)。
這對科學(xué)家們來說并不是個好消息，但也并不是個那么壞的消息。癌細胞系依舊是實驗室不可或缺的研究工具，只是研究者們可能需要更加密切地關(guān)注高度變異導(dǎo)致的功能變化。
而挑戰(zhàn)換個角度看就會變成機遇。利用癌細胞的自我“進化”，科學(xué)家們可以在同樣遺傳背景的兩個細胞株上測試同種化合物，并利用細胞特征來解析作用機制，以及研究各種進化壓力與癌癥發(fā)展的關(guān)系。
通訊作者Todd Golub表示，“這并不意味著癌細胞系和基于培養(yǎng)基的生物模型都不夠好，反之，我們應(yīng)當了解模型的特點和局限性，在了解未知的基礎(chǔ)上繼續(xù)探索，而絕不是棄之不用。”[5]
為此，研究者們也開發(fā)了一款在線工具Cell STRAINER[6]，可以提供細胞株與CCLE中細胞系樣本遺傳數(shù)據(jù)的對比。
這不禁讓奇點糕想到了以基因數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的“精準醫(yī)療”，看來是時候搞搞“精準科研”了。
編輯神叨叨
說到精準醫(yī)療，近年發(fā)展賊快啊，來一本《Medical Trend》了解一下？
參考資料：
[1]Sharma, S. V., Haber, D. A. & Settleman, J. Cell line-based platforms to evaluate the therapeutic efcacy of candidate anticancer agents. Nat. Rev. Cancer 10,241–253 (2010).
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-018-0409-3
[3]Barretina, J. et al. The Cancer Cell Line Encyclopedia enables predictive modelling of anticancer drug sensitivity. Nature 483, 603–607 (2012).
[4]Barretina, J. et al. The Cancer Cell Line Encyclopedia enables predictive modelling of anticancer drug sensitivity. Nature 483, 603–607 (2012).
[5]https://www.broadinstitute.org/news/cancer-cell-lines-evolve-ways-affect-how-they-respond-drugs
[6]https://cellstrainer.broadinstitute.org/
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本文作者 | 代絲雨
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