不同實驗室的HeLa細胞在遺傳學和表型上存在異質性

　　HeLa細胞現已在世界各地的許多實驗室中培養了將近70年，并且長期以來被認為是無限供應的沒有發生變化的相同細胞。然而，在一項新的研究中，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院、日內瓦大學、巴塞爾大學、中國科學院、德國亞琛工業大學、德累斯頓工業大學、意大利米蘭大學和美國耶魯大學的研究人員發現HeLa細胞在不同實驗室之間存在很大差異，這讓人們對利用這種細胞系開展的研究的可重復性提出了質疑。相關研究結果發表在2019年3月的Nature Biotechnology期刊上，論文標題為“Multi-omic measurements of heterogeneity in HeLa cells across laboratories”。

圖片來自National Institutes of Health/Wikipedia。

　　這并不是首次報道HeLa細胞系自從它的創建以來發生多樣化：多年來，其他的研究小組已記錄了不同的HeLa變異株在基因序列和RNA表達方面存在著顯著差異。

　　這項最新研究首次全面分析了各種HeLa變異株---在全球多個實驗室培養的不同批次HeLa細胞---的遺傳變異，并首次證實這種遺傳異質性導致蛋白表達和表型變化。

　　具體而言，這些研究人員從6個國家的13個實驗室收集了14份HeLa樣本，并在相同的實驗室條件下培養它們。他們首先定量確定了基因拷貝數變化---一個給定基因的重復次數，從而揭示了在它們的基因組之間存在著明顯差異。這種情形在兩種最廣泛使用的HeLa細胞株 ---HeLa CCL2（被認為是這種細胞系的“原始”變異株）和HeLa Kyoto（這種細胞系的一個分支，具有可用于成像等特定應用的特性）---中尤其值得注意。

　　進一步的分析表明，許多遺傳差異轉化為mRNA產生的變化，并且在較小程度上轉化為蛋白豐度的變化。這些研究人員報道，HeLa CCL2和HeLa Kyoto細胞系的轉錄組學和蛋白質組學特征彼此不同，就像來自兩種不同類型組織的癌細胞系一樣。

　　這些HeLa變異株在體外培養時的生長速度也有所不同：一些HeLa細胞群體需要17.5小時才能翻倍，而其他的HeLa細胞群體在相同的培養條件下需要32多個小時才做到這一點。它們對沙門氏菌感染的反應也不同：與其他兩種HeLa變異株相比，一種HeLa變異株對這種感染的敏感性較低，這些研究人員將此歸因于低水平的一種在這種細菌入侵宿主細胞中起作用的蛋白質復合物。

　　在另一項實驗中，這些研究人員通過培養細胞系三個月來研究單個HeLa變異體中基因表達是否隨時間而變化。他們記錄了早期產生的細胞和晚期產生的細胞之間存在大約6％的基因表達差異。

　　論文通信作者、蘇黎世聯邦理工學院分子系統生物學研究所教授Ruedi Aebersold說，“這些細胞的差異確實非常顯著，即便在同一個實驗室中，它們也很快地發生變化。”他估計，如果一名研究生在他或她的項目開始時利用HeLa細胞系開展實驗，并被要求在六個月后重復這一實驗，“他們可能會取得不同的結果”。

　　關于研究中“可重復性危機（reproducibility crisis）”的大部分討論集中在實驗設計和數據分析上的缺陷，以及作為主要驅動因素的污染或錯誤標記的細胞系。但是，Aebersold認為HeLa細胞---以及更一般的意義上的癌細胞---的生物學差異可能發揮著重要的作用。他指出，在會議上，他經常觀察到研究人員對從同一實驗中獲得不同結果進行激烈爭論。他解釋道，“這意味著一個人犯了一個錯誤”，但是另一個解釋是“所使用的細胞可能不是同一個細胞。”

　　斯坦福大學細胞生物學家Tim Stearns（未參與這項研究）觀察到長期培養下細胞系發生變化的幾個可能的原因。舉個例說，HeLa細胞是已知具有基因組不穩定性的癌細胞，因此可能隨時間的推移隨機地發生突變。此外，它們在實驗室生長中受到各種條件的影響，這可能會促使它們出現獨特的特征。比如，他說，哺乳動物細胞的培養包括培養它們直到填滿整個培養皿，吸走一部分細胞，將它們放入另一個培養皿中重新生長。他說，“每個人的做法都有點不同。這以我們不完全理解的方式對細胞進行選擇。”

　　胎牛血清---用于培養哺乳動物細胞的生長因子混合物的主要成分---也可能在不同實驗室之間發生變化。這可能導致不同的轉錄譜和不同的選擇壓力。

　　HeLa分離株之間的差異可能會讓一些生命科學家比其他人更擔心。使用HeLa細胞研究DNA復制或囊泡運輸等通用細胞過程的分子生物學家和生物化學家不太可能擔心他們的結果可能無法重現，這是因為這些過程在面對這種選擇性壓力時不太可能發生變化。研究沙門氏菌感染等更復雜特征的發育和細胞生物學家可能更有理由擔心。

　　Aebersold和他的同事們在這篇論文中提出了幾個具體的解決方案。首先，科學家們應當使用癌細胞系的早期傳代，并確保在相同細胞系的不同樣品中利用一個細胞系重復開展實驗。重要的是，生物學家應當清楚地報道他們在給定的研究中使用哪種細胞系變異株。Stearns指出，“許多人甚至不確定他們擁有哪種類型的HeLa細胞”。他贊同，提高透明度將是一個積極的變化。

　　Aebersold希望在今年晚些時候與歐洲分子生物學組織（European Molecular Biology Organization）計劃舉辦的一個研討會上找到更多的解決方案。這將包括來自各個領域（比如科學政策、出版和科學）的25位專家，旨在就如何解決細胞系研究中的可重復性問題提出建議。

　　最后，他希望他的研究將能夠有助于針對不可復制結果的原因制定科學政策。他說，科學家們無法復制彼此研究工作的觀點是危險的。“簡單的結論是要么我們作為生命科學家不知道我們正在做什么，要么更糟糕的是，事情都是虛構的。”這將使得厭惡科學的政策制定者更容易辯稱，把錢花在研究上是浪費。“我認為重要的是提供證據表明它不是那么簡單，人們不只是作弊，人們不是無能，而是事情要復雜得多。”

　　參考資料：

　　Yansheng Liu et al. Multi-omic measurements of heterogeneity in HeLa cells across laboratories. Nature Biotechnology, 2019, doi:10.1038/s41587-019-0037-y.