观察癌细胞通过染色体不稳定性进化

昵称32772025 2022-08-28 发布于广东

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癌细胞的基因组中布满了突变，其中一些突变可能通过激活被称为致癌基因的肿瘤促进基因或关闭一类被称为肿瘤抑制基因的基因来促进癌症的生长，这类肿瘤抑制基因与癌症作斗争。然而，可以说更重要的是发生在肿瘤细胞中的更大规模的基因组变异。例如，这样的细胞可能含有异常数目的整条染色体（这种情况称为非整倍体）。随着肿瘤的演变，染色体异常在邻近的癌细胞之间会有所不同。这表明，每次细胞分裂过程中染色体反复 ' 洗牌 ’ 可发生染色体变化，导致基因组高变化率，称为染色体不稳定性。

分析从肿瘤中新鲜分离的细胞技术困难，使研究人员无法确定肿瘤中是否存在持续的染色体不稳定性。Bolhaqueiro 等人在 Nature Genetics 上撰文称，报道这样的数据，揭示人类结直肠癌细胞中持续的染色体不稳定性。

20 多年前就已经知道，大多数结直肠癌中的细胞其染色体的数量不同，而这一直归因于染色体的不稳定性。近 90% 的实体瘤有某种程度的染色体不稳定性。这种肿瘤细胞基因组的持续改变被认为有助于细胞快速适应抗癌治疗的效果。高水平的基因组变异通常与癌症患者的不良预后相关。因此，获得染色体不稳定性的清晰图像是非常有意义的，例如确定负责机制、这种变化发生的速率以及它在单个肿瘤中的演变。

然而，考虑到染色体不稳定是一个动态的过程，它不能仅仅从分离的肿瘤基因组 DNA 分析“快照”（通常是可用的）进行充分评估。到目前为止，实验室工作的大部分支持阐明了所涉及的速率和机制都是基于这样的实验，其中从肿瘤中移除的细胞在培养皿中生长，通常为 2D 单层细胞，这样的细胞通常在培养皿中维持多年。

目前还不清楚这些 2D 模型系统在肿瘤生长中的代表性。细胞培养系统，可以使三维生长，如使用细胞团块称为类器官，已率先作为一种方式，以反映肿瘤环境，比使用二维系统可能更准确。事实上，当在 2D 单层细胞中培养细胞而失去围绕非癌细胞的正常组织结构时，这足以促进容易出错的细胞分裂。然而，如果细胞作为类器官生长，则不会发生异常的细胞分裂。

为了研究活细胞中的染色体不稳定性，Bolhaqueiro 等人分离人结直肠肿瘤细胞的样本，并将细胞直接培养为类器官。通过基因工程使细胞表达一种荧光 DNA 结合蛋白，作者可以进行实时成像来评估细胞分裂过程中的染色体行为（图 1). 他们还进行了定期的单细胞 DNA 测序，以追踪染色体数量和结构（染色体上 DNA 序列的顺序）随时间的变化。

这组作者发现分裂的癌细胞经常在子细胞之间在染色体的分配上出错，证实了以前使用 2D 系统获得的结果。他们在由健康结肠组织制成的类器官中没有观察到这样的错误，表明实验系统本身不会引发这样的错误。这些分割缺陷表明了染色体不稳定的持续过程。作者通过研究从类器官生长和进化过程中受到监测的单个肿瘤细胞衍生的类器官来测试这是否是这种情况（图 1）。在本实验期间的不同时间进行单细胞 DNA 测序，证实存在持续的染色体不稳定性。

以前很难评估在原生环境中产生这种不稳定性的机制。Bolhaqueiro 及其同事的类器官模型是迄今为止尽可能接近的代表。作者指出，大多数染色体分配错误都是由染色质桥的形成引起的，在染色质桥的形成中，一条染色体或一部分染色体在细胞分裂的最后阶段在两个分离的细胞 DNA 团块之间伸展。这种错误表明在细胞分裂前染色体复制过程中发生了结构变化，并在结直肠癌细胞的 2D 单层细胞中观察到。

关于癌症中染色体不稳定的原因有很多争论。染色质桥可能是细胞分裂过程中其他缺陷的结果，进一步使用类器官模型进行深入分析，以研究此类染色体分配缺陷和任何其他异常细胞分裂过程的特殊性质可能揭示这一点。

人类结直肠癌的一个亚群并不具有通常的染色体不稳定的标志，虽然它们具有高水平的核苷酸突变（称为微卫星不稳定性），但它们具有正常或几乎正常的染色体数目，细胞之间几乎没有染色体差异。

Bolhaqueiro 等人令人惊讶的发现，这种亚型结直肠癌的一些类器官在细胞分裂过程中也有相当大的染色体错误率。Bolhaqueiro 及其同事从肿瘤组织的临床样本中获得的单个细胞的 DNA 测序揭示，染色体不稳定性可与微卫星不稳定性一起发生在同一肿瘤中。在这些肿瘤中低水平的染色体不稳定性可能阻碍了早期未使用单细胞测序方法的大量 DNA 测序方法的检测。

Bolhaqueiro 等人还注意到，对于每个单独的类器官，在细胞分裂过程中细胞在染色体分配中出错的次数与类器官中细胞间染色体数目的变异水平之间仅有微弱的相关性。如果某些类器官对染色体分割错误的反应存在差异，那么这种差异将是有意义的。活细胞成像确实揭示了染色体数目变异性高的类器官比染色体数目变异性低的类器官能够更好地承受细胞分裂过程中的错误。如果这类错误发生在染色体数目变异性较低的类器官中，那么细胞分裂往往停止或细胞死亡。

这些结果表明，肿瘤细胞中染色体数目的可变性是染色体不稳定性的发展速度和特定肿瘤类型的细胞耐受染色体数目或结构的进一步变化的能力的产物。决定肿瘤是否能耐受非整倍体的因素仍然不清楚。更好地理解这一点将可能揭示开发新疗法的潜在靶点。

随着类器官模型系统的使用越来越广泛，可以直接比较 3D 和 2D 培养获得的结果的实验将有助于确保为涉及的特定研究问题和实验方法选择适当的培养系统。这将允许更直接地比较不同组的结果。关于 Bolhaqueiro 及其同事的工作，如果使用 2D 生长系统，观察到的染色体不稳定性和非整倍体率是否会有所不同。

了解以前在 2D 单层细胞系统中的工作在体内发生了什么以及哪些问题可能需要使用类器官重新评估方面的代表性也将是有帮助的。例如，尽管正常的 3D 组织结构对于防止非癌细胞中细胞分裂过程中的染色体不稳定可能是必需的，但如果癌细胞已经失去了对抗错误细胞分裂过程的正常检查点，那么这种细胞将表现出相似的染色体不稳定率和机制，而不管它们是在 2D 还是 3D 系统中生长。如果是这样，类器官研究可能只需要确认那些在 2D 系统中进行，而不是必不可少的。

最后，非整倍体正在成为驱动肿瘤进化的一个可能的早期事件，但是关于肿瘤进化初期染色体不稳定性的频率和类型的信息是极其有限的。如果类器官能够被用于在这些初始阶段检查染色体的不稳定性，或者被用于研究可能处于癌症形成途径的异常细胞（称为前体病变），这无疑会产生许多见解。