非整倍体的各种后果

生物_医药_科研 2019-01-28

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摘要

非整倍体或不平衡的染色体数量对真核细胞具有深远的影响。在人类中，非整倍体与多种病理相关，包括癌症，这表明它在这些条件下介导增殖优势。在这里，我们讨论由非整倍体引发的生理变化，例如改变的细胞生长，转录变化，蛋白毒性应激，基因组不稳定性和对干扰素的反应，以及癌细胞如何适应不断变化的非整倍体基因组。

介绍

大多数真核生物的基因组整齐地组织在染色体中，具有定义物种的特征数量，大小和序列。然而，例外的所谓的整倍体（来自古希腊的欧盟 -true，好）可以发现，如非整倍体，其特征是整个染色体或染色体片段的拷贝数变化。非整倍体是可以容忍的，并且在一些单细胞真核生物，如出芽酵母，该致病性真菌天然存在白色念珠菌或从属寄生虫贾第虫属，以及在几个多细胞物种1，2，3，4，5，6。在大多数情况下，全染色体非整倍体对细胞生理学有深远的影响。在人类中，常染色体的非整倍体是有害的，只有少数例外（染色体13,18和21的三体性）与存活相容，尽管伴随着各种病理。

非整倍体在癌症中很常见，其中它通常与称为染色体不稳定性（CIN）的更复杂的表型相关。CIN细胞在分裂时获得和丢失染色体，从而产生具有可变非整倍体核型的后代。CIN和在癌症与非整倍性转移，耐药物和疾病进展相关7，8，9，10，11，12，13，14。然而，究竟如何非整倍性影响真核细胞以及它如何促进肿瘤发生只是部分被理解。由于建立了大量的全染色体非整倍性模型，近年来带来了新的见解。此外，新一代测序和-omics方法的广泛使用提供了关于染色体拷贝数变化及其后果的广泛数据。在本综述中，我们讨论了非整倍体如何影响细胞和生物体的最新见解，并将这些与最近的癌症分析结果联系起来。

非整倍体的发生和原因

全染色体非整倍性起因于减数分裂或有丝分裂期间染色体分离期间的缺陷。特别地，哺乳动物雌性减数分裂是高度错误，导致非整倍体的配子并随后在全有机体非整倍体15，16。早期胚胎往往积累由于有丝分裂错误非整倍体细胞，从而产生整倍体和非整倍体细胞的马赛克17，18。后来，非整倍体细胞是从由衰老或凋亡，胚胎组织去除或通过增殖更好整倍体细胞穿不下成为19，20。在哺乳动物组织非整倍体细胞的频率是困难的估计：而单细胞测序揭示了非整倍体的神经元和成纤维细胞的小于1％，当通过荧光原位杂交评价相同的组织中显示出频繁异常染色体计数21，22，23，24。例如，在肝细胞中的原位杂交分析荧光显示了在细胞中的多达50％的非整倍体，而单细胞测序表明4％21，25。在其他物种中也发现了非整倍性的组织特异性差异，但其原因尚不清楚26。重要的是，非整倍体在大多数恶性瘤中发现，与根据癌症类型发生和在造血癌症范围高达在实体瘤中的90％和35-60％27，28，29。

机制导致非整倍体已被彻底表征，有几个优秀的评论汇总这些发现30，31，32。简而言之，全染色体非整倍性是由染色体分离过程中的错误引起的，这种错误是由于纺锤体微管与动粒的不正确附着所致，动粒是在每个染色体33的着丝粒区域聚集的蛋白质复合物。动粒能够形成与微管的稳定附着。正确的附着物会在纺锤体产生的力与姐妹染色单体凝聚力产生的力量之间产生张力，这种力量将姐妹们聚集在一起（图1a））。主轴装配检查点（SAC）识别缺少附件并进行校正，而激活的检查点延迟后期开始，直到所有染色体正确连接34（图1b-d）。无张力附件不稳定和拆卸，以便纠错35。染色体错误分离是由于损害有丝分裂纺锤体功能，动粒结构，姐妹染色单体凝聚或SAC的突变或散发性缺陷而发生的（图1e-g）。在基因调节癌症染色体分离保真度的突变是相当罕见的，但是在它们的表达水平的变化经常观察到36，37。此外，众所周知的致癌基因和肿瘤抑制基因的突变可引发分离错误。在的Rb-E2F和Ras的转录调节变化通过增强SAC基因的表达或通过使姐妹染色单体粘连缺陷影响染色体分离的保真度38，39，40，41。基因先前未链接到染色体的分离也可能诱导非整倍体，如由最近的两个遗传筛选42，43。此外，周围组织可能会影响染色体分离缺陷的发生，因为最近的一项研究表明上皮组织结构促进染色体分离保真度44。

染色体错误分离，特别是当与染色体断裂联接，之后通常是不可逆的细胞周期停滞，受损的增殖或细胞死亡45，46，47，48，49，50。因此，在组织非整倍体细胞的积累是不仅受突变增加的有丝分裂错误，但也通过那些促进存活后立即异常有丝分裂47，51，52和那些增加的耐受性由非整倍体引起的应力53，54，55。尽管这些类型的突变可能难以通过实验找到，但它们的鉴定将有助于了解非整倍体细胞如何在癌症中出现和繁殖。

全染色体非整倍体的模型

研究非整倍性及其细胞后果有两种主要方法。首先，非整倍体急性可以通过突变参与染色体分离的基因或通过损害有丝分裂通过添加抑制剂的细胞培养，特定组织或乃至整个生物体引起的49，56，57，58，59，60（图2A）。这种方法产生异质非整倍体群体，并允许研究对染色体错误分离的即时细胞反应，即非整倍性的急性后果。在不利方面，这种方法中改变的染色体的身份和拷贝数仍然未知。此外，可能难以区分观察到的表型是否特异于染色体拷贝数变化或由治疗的二次效应引起，例如正在进行的CIN。在第二种方法中，仅通过一条或两条染色体的获得或丢失产生与其同基因对应物不同的非整倍体细胞。这允许定义非整倍性的慢性后果在细胞中分析从患者的三体综合征，或通过转移个体染色体的产生61，62，63，通过靶向染色体去除或沉默64，65，66，或通过减数分裂不分离67（图2B-E ）。在芽殖酵母染色体引入拷贝数变化提供非整倍性另一个有用的模型68，69，70（图2F-H ）。

尽管急性细胞对非整倍性的反应模型和非整倍性的慢性后果在某些方面存在差异，但它们共同拓宽了我们的知识并开辟了对癌症的新观点。重要的是，对非整倍性的急性和慢性反应可能影响CIN细胞的表型，其中正在进行的染色体分离错误进一步改变已经非整倍体细胞。下面，我们更详细地关注大多数非整倍体模型共有的五种表型。对于非整倍体的其他方面，如代谢变化或老化的关联，我们建议近期评论71，72。

对细胞增殖的影响

在许多非整倍体模型系统中，染色体的获得强烈地影响增殖。非整倍性的影响可以是阳性或阴性，取决于细胞类型，环境和受影响的染色体。非整倍性往往赋予增殖缺点与小区周期的G1和S期的延迟，可能是由于细胞周期蛋白的积累延迟63，68，70，73，74，75。增殖缺陷是由额外染色体上的基因表达引起的，至少有两个观察结果证明了这一点。首先，含有不能在酵母中转录的人和小鼠DNA的酵母人工染色体的非整倍体芽殖酵母不会遭受细胞周期缺陷68。其次，即使是几种基因的组合基因剂量的微小变化也会损害增殖，尽管单独扩增时无害 76。人细胞中染色体3的臂水平缺失 29和二倍体酵母细胞 70中整个染色体的缺失也减少了增殖。当等位基因的一个基因拷贝不足以支持野生型表型时，这种效应可能是非整倍性相关应激和单倍体不足的复合物。在果蝇的神经和成体肠道干细胞中，非整倍性会减少增殖，导致G1细胞积聚，细胞周期退出和早熟分化 77。如何，机械地，非整倍性扰乱细胞周期进程仍不清楚，但许多胁迫条件下，如蛋白毒性或基因毒性应激，非整倍体细胞（下面讨论）确定的可与G1-S进展干扰78，79。

与此相反，非整倍性有助于在小鼠胚胎和人多能干细胞增殖80，81，82。非整倍性也赋予增殖优势人类三体细胞以及出芽酵母和该致病性真菌白色念珠菌胁迫条件下6，69，83，84，85。此外，染色体特异性对增殖有影响。对于大多数染色体而言是二体的萌芽酵母菌株使G1-S转变延迟10-20分钟，而染色体1,2,5或9的增加不会导致增殖变化68。8号染色体的增益对人体细胞的增殖的影响很小54和12号染色体的增益似乎提供优势大多数细胞类型中，如自发产生与三体性12细胞经常长大二倍体细胞培养物80，81，86。因此，非整倍体细胞的增殖变化取决于细胞类型，染色体身份和环境背景，但这些差异的原因仍不清楚。

基因表达响应非整倍体而变化

模型系统具有限定非整倍体在芽殖和裂殖酵母68，69，工程改造的人和鼠细胞系62，63，67，在拟南芥87和在患者来源的细胞系和组织88，89，90，91建立的mRNA丰度很大程度上与染色体拷贝数一致（图3）。这些观察结果表明，对于全染色体非整倍性缺乏一般剂量补偿，尽管有一些例外情况主要影响性染色体。在人类中，X染色体的额外拷贝通过长的非编码RNA XIST进行剂量补偿，其在健康女性中沉默X染色体之一92。因此，具有额外X染色体的个体大多数是无症状的，并且仅有10％的患者可能被诊断为93。在果蝇中，观察到对性染色体和常染色体两个剂量补偿94，95。而X染色体和染色体4是从X染色体衍生的进化，通过染色体特异性机制进行剂量补偿96，97，为对常染色体的基本机制仍不清楚。在非整倍体野生酵母分离物 98中也观察到常染色体剂量补偿，尽管这种效应的程度仍有争议 99，并且在具有单体性5和4 / 7b三体的白色念珠菌中，其中25-30％的转录物似乎得到补偿。到二倍体水平 100。然而，除了这些例外，mRNA水平大多与基因拷贝数一致。

由非整倍体出芽酵母进行质谱法和在建立在受影响的染色体编码的蛋白质水平在很大程度上比例与拷贝数改变的人细胞蛋白丰度分析53，63，69，101，102，103。重要的是，受影响的染色体上的所有蛋白质的约25％的丰度变得调节至在酵母和人细胞二倍体水平，这主要影响多分子蛋白复合物的亚基63，101，102（图3）。这种“剂量补偿”对于最初不稳定但随着年龄稳定的蛋白质尤其明显，最可能通过与其伴侣104结合。额外的染色体上编码的基因的减毒表达通过泛素-蛋白酶体系统介导的，如蛋白质丰度可以通过蛋白酶体抑制剂救出101，104。

除了这些原发性染色体特异性基因表达变化外，二次反式效应还会干扰全球基因表达网络（图3）。在芽殖酵母观察到非整倍体诱导的转录失调类似于表示以下的环境压力，如饥饿，氧化应激，热休克和生长缓慢共同转录变化的所谓的环境胁迫响应68，105，106。由于环境应激反应也反映了不同细胞周期阶段的细胞重新分布107观察到的变化可能部分归因于非整倍性对细胞周期进展的负面影响。对哺乳动物非整倍体细胞的分析确定了独特的“非整倍性应激反应”。这涉及到参与细胞周期调控，核酸代谢和核糖体生物发生，和自噬，溶酶体途径，膜代谢和糖酵解的调节途径上调的保守下调63，108，109。此外，相关的炎症应答，诸如主要组织相容性复合物和抗原加工和响应于干扰素（IFN）途径，被上调在人类非整倍体细胞49，103，109。

蛋白质毒性压力

非整倍体细胞的另一显着特征是由蛋白质折叠受损表现蛋白毒性应力，降解途径的活化和细胞质蛋白的积累聚集54，63，75，110，111。蛋白质聚集在细胞质中积累，由于减少了热休克蛋白90（HSP90）的折叠容量54，111。因此，非整倍体的芽殖酵母以及人和鼠细胞对HSP90抑制剂（参敏感54，68，110）。过表达热休克因子蛋白1（HSF1），一种调节热休克因子表达的转录因子，拯救蛋白质折叠缺陷和非整倍体人类细胞对HSP90抑制的敏感性54。蛋白质折叠缺陷可能是由于多余的染色体产生过剩的蛋白质（图3）。这压倒了对蛋白质折叠至关重要的分子伴侣机制，并导致错误折叠或聚集的蛋白质的积累。

必须除去错误折叠和聚集的蛋白质，因为不能清除聚集的蛋白质会损害细胞活力112。因此，非整倍体酵母和人细胞依赖蛋白酶体降解，这表现在它们对蛋白酶体抑制剂MG132的敏感性增加（参考文献60，68）。非整倍性耐受突变的遗传筛选确定了UBP6中的功能丧失突变，其增加了非整倍体酵母53的适应性。UBP6编码去泛素化酶，这是一种酶，从蛋白酶体的底物泛素除去，从而允许它们逃避降解113。多效性去泛素化酶Ubp3的缺失加剧了非整倍体酵母中的缺陷。这种功能是保守的，因为人类同源物USP10的消耗削弱了染色体错误分离后人体细胞的适应性55。这些发现证明了泛素 - 蛋白酶体系统在维持蛋白质稳态和非整倍体活力方面的重要性。

蛋白质降解的另一途径是自噬。自噬体的积累在人类和鼠细胞慢性三体性增加，并且一些非整倍体的细胞显示出增加的敏感性的自噬抑制剂氯喹63，75，110。灶正面为自噬标记LC3的积累增加也染色体错误分离后立即观察60，114。虽然错误分离的人类细胞会积聚自噬体，但溶酶体活性似乎受到损害，并且自噬通量反映了自噬导致的蛋白质周转，这种情况有所减少114。这表明急性蛋白质过度表达压倒了细胞溶酶体降解，从而引发溶酶体应激。这反过来激活TFEB，TFEB是溶酶体蛋白114表达所需的转录因子。重要的是，慢性非整倍性不会导致自噬通量缺陷和溶酶体应激63，这表明慢性非整倍体细胞通过自噬和溶酶体途径的组成性激活来适应蛋白质失衡。

基因组不稳定

单个染色体的获得通常会破坏基因组的稳定性。在出芽酵母中，二体组细胞显示染色体错误分离增加和自发诱变增加115。类似地，非整倍体人细胞经常经历有丝分裂异常，并显示增加的DNA损伤的水平75，116，117。该产生的DNA损伤可能是由于复制的缺陷，考虑到人类和非整倍体的酵母是复制抑制剂敏感，和复制应激标记物，如RPA32S33，在非整倍体人增加49，115，117。此外，非整倍性诱导人原代成纤维细胞和小鼠造血干细胞端粒的复制应激43。增加的复制应激和DNA损伤导致非整倍体细胞中的从头染色体重排117。

什么机制引发非整倍体的复制压力？主要罪魁祸首可能是不平衡的蛋白质表达，因为含有人类DNA的酵母人工染色体的酵母非整倍体虽然携带相当数量的额外DNA，但并未表现出相似的缺陷68。引人注目的是，急性和慢性非整倍性降低的复制因子的表达，包括Mcm2-7中解旋酶，复制许可证和复制体进展所需的密钥复制解旋酶60，117。究竟是什么导致复制因子表达减少仍不清楚。一种可能性是，对于非整倍体而言典型的蛋白毒性应激和蛋白质折叠缺陷下调复制因子。事实上，Mcm2-7中解旋酶和其他复制蛋白的表达被下调HSP90的抑制以下或耗尽转录因子HSF1的（参考文献54，118）。或者，复制因子水平可能受p53的影响，p53会负面调节增殖因子的表达，包括MCM2-7解旋酶119。后一种机制得到了来自DLD1细胞的三体细胞的支持，这是一种携带规范TP53的结肠直肠癌细胞系。癌症突变，不显示复制蛋白103的下调。因此，虽然增加的DNA损伤和基因组不稳定性是染色体获得的可能结果，但这些表型的原因在未来仍有待解决。

对IFN的反应

到I型IFN的响应也一贯上调在模型哺乳动物非整倍体49，103，109。参与IFN信号传导和反应的因子表达增加，如IFIT 3（IFN诱导的蛋白质与四十肽重复序列3），OASL1（2'-5'-寡腺苷酸合成酶样蛋白），STAT1（信号转导和转录激活因子1））等人，已模型三体和四体在RPE1，HCT116或DLD1细胞中观察到103，109。在人和鼠细胞中染色体错误分离后，促炎细胞因子的表达水平增加49。此外，已经在具有21三体的细胞系中记录了IFN信号传导的激活（参考文献120，121，122），唐氏综合征的鼠模型123和患者患有唐氏综合症124。这些观察结果以前归因于六个IFN受体中有四个位于21号染色体上（参考文献125）; 然而，最近的研究结果表明，非整倍性本身会激活这一途径。

DNA损伤和基因组不稳定性引发炎症反应，这可以解释在非整倍体细胞中观察到的表型。DNA通常在细胞核和线粒体内区室化，但细胞质中DNA的存在通过cGAS-STING（与IFN基因刺激物连接的环状GMP-AMP合酶）先天免疫途径诱导I型IFN和其他细胞因子126。DNA损伤和复制压力增加所谓的斑点或在容易破裂微核细胞溶质DNA存在的电平127，128，129，130。非整倍体103中细胞质DNA的水平也增加。此外，DNA损伤升高自然杀伤配体和促炎细胞因子的表达水平131，132，133。在染色体错误分离后立即在细胞中观察到这样的细胞因子，其中它们可能促进免疫系统49的清除。最后，人原代成纤维细胞中的全染色体非整倍性诱导DNA损伤和氧化应激，并随后诱导衰老相关的分泌表型和衰老134。最近，衰老相关分泌表型示于经由CGAS刺途径响应于DNA损伤的出现是由于IFN-β激活135。因此，目前的证据指向DNA损伤作为炎症反应的触发因素，非整倍性诱导的基因组不稳定性可能是主要原因。

癌症中非整倍性和CIN的悖论

染色体异常的内容和异常核分裂象癌细胞由戴维·汉塞尔曼和西奥多·博韦里发现了一个多世纪前136，和最近的癌症基因组的分析证实了这一观察的一般性的29，137。尽管其非常普遍，但非整倍性在肿瘤发生中的作用仍不清楚，并且由于非整倍性可以作为肿瘤抑制因子和肿瘤促进因子的矛盾观察而变得复杂。在模型系统中，染色体错误分离和非整倍是抗增殖63，67，68，诱导细胞凋亡51，60或衰老43，49，91，134，增加蛋白毒性和遗传毒性应激54，111，115，117和唤起先天免疫应答49，103，122。非整倍体还抑制软琼脂上的贴壁依赖性生长以及裸鼠中的肿瘤形成138。在诱导非整倍性的鼠模型中，观察到肿瘤抑制和肿瘤促进表型。携带纺锤体组装检查点基因杂合缺失的小鼠，如MAD1（参考文献139），MAD2（参考文献56）和BUB1B（参考文献140），导致具有可变非整倍体核型的细胞的积累产生自发和药物诱导的肿瘤。编码驱动蛋白样运动蛋白CENPE（着丝粒相关蛋白E）的基因的突变增加了脾淋巴瘤和肺腺瘤的发生率，但抑制了易患癌症的肝组织中的肿瘤形成58。与此相反，与小鼠BUB1B +/-或BUB3 +/- /的Rae-1 +/-突变显示组织特异性过早老化和尽管染色体错误分离率相似降低肿瘤发生率141，142。此外，患有唐氏综合症的人患白血病的风险增加，但实体瘤的发病率却相当低143。这些发现表明非整倍性促进癌症的能力取决于起源组织和非整倍性和CIN的程度。这可能会影响细胞是否以及如何有效地适应非整倍性的不利影响（图4）。

适应癌症中非整倍性相关的压力

非整倍体的癌症与模型非整倍体，如代谢变化，基因毒性应激，蛋白毒性胁迫和自噬激活共享某些特征108，144，145，146。虽然这些压力对模型非整倍体细胞有负面影响，但癌细胞却找到了适应的方法。例如，编码复制因子和核糖体亚基亲增殖的基因的表达水平升高的癌症，而它们在非整倍体模型细胞系中被下调108，109。克服非整倍性的抗增殖作用可能是转化细胞的重要适应。

癌症经常出现蛋白毒性应激，HSF1的组成性激活对许多癌症类型至关重要145。HSP90介导的蛋白质折叠的抑制是目前处于临床试验的疗法，以混合结果147，148（图4）。药物大多应用于由HSP90的相互作用物，诸如HER2，EGFR（表皮生长因子受体），AKT，RAF和BRAF驱动的肿瘤149，150，但也可以部分地发生由于由癌细胞经历增加的蛋白毒性应力他们的不平衡非整倍体核型148。因此，当靶向非整倍体肿瘤时，可以获得治疗功效的额外益处。

基因组不稳定可能促进对非整倍性诱导的应激的适应。不仅一个额外的染色体的存在提高基因组不稳定性115，116，117，而且，相反地，在DNA复制和修复缺陷产生全染色体非整倍体，如不正确修复双链DNA断裂妨碍有丝分裂，染色体分离和胞质分裂151，152。因此，癌症基因组分析表明，全染色体非整倍性与增加的点突变的频率呈正相关，以及与从头结构重排的累积29，153，154。这些正在进行的染色体增加和减少的循环驱动癌基因的扩增或肿瘤抑制因子的丧失155并产生可能有益于肿瘤生长的突变。然而，如果基因组不稳定性和DNA损伤达到阈值，则细胞经历衰老和细胞死亡，这反过来抑制肿瘤发生（图4）。实际上，高CIN水平与患者预后改善相关14。因此，癌症细胞的重要的适应可以是“稳定”和容忍低或中等水平的CIN和增加他们的CIN负载可以作为一种有效的治疗策略46，156，157（图4）。

非整倍体作为适应的驱动力

癌症可能需要适应非整倍性对生存的不利影响。与此同时，非整倍性本身推动了对压力环境的适应。在芽殖酵母中，非整倍性能够适应广泛的应激条件，例如升高的温度84，内质网应激158或抑制热休克因子159。非整倍体还促进缺乏运动蛋白Myo1的酵母的生存，Myo1是细胞因子160所必需的，受巯基过氧化物酶缺乏症影响的细胞161，蛋白质SUMO化162失调，端粒酶不足163和基因突变引起的其他缺陷164。在白色念珠菌中，对广泛使用的抗生素氟康唑的耐药性通常通过节段性非整倍体发生6。在这些情况下，应激条件刺激选择获得保护机制的非整倍体细胞，最有可能是由于染色体拷贝数增加导致相关基因的过表达，从而恢复细胞稳态。然而，特定染色体的获得可能对细胞165带来一组新的不利影响。非整倍体与癌症有着类似的作用的想法是通过复制一些染色体的数量变化是反复发作，发生在特定的癌症类型，并可以与特定的表型和药物反应相关的研究结果支持29，155，165。

非整倍性还可以驱动肿瘤细胞适应免疫系统。早期癌症阶段的细胞被免疫CD8 +，CD4 +和自然杀伤细胞消灭（参见参考文献166）。在肿瘤进展过程中，癌细胞从免疫原性演变由“免疫编辑”免疫抑制167，168，和癌症细胞从免疫细胞逃避是癌症的重要标志144。有趣的是，在非整倍体肿瘤与免疫抑制相关，并降低免疫细胞浸润，这表明非整倍性的作用类似于一个“隐形斗篷”保护癌细胞免受免疫细胞29，154。非整倍性如何支持癌症中的免疫逃避仍有待阐明，但可能增加的基因组不稳定性提高了杂合子丢失事件的机会，这些事件促进新抗原的丧失或损害抗原呈递169。

总之，非整倍性的致瘤潜力可能依赖于其有害和有利效果之间的平衡。未来的研究应旨在解决与非整倍性适应相关的分子途径，以及确定非整倍性对癌细胞的潜在优势。这将提高我们对非整倍性如何促进肿瘤生长的理解。另一个特别的挑战是鉴定细胞对非整倍性反应的标记组织特异性的潜在机制。检查全染色体非整倍性的生理学后果，确定允许应对它们的途径和鉴定非整倍性的优势可以确定用于抑制癌症生长的新型治疗靶标。

参考文献

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