給癌細胞做“流調”

在牛頓力學中，如果你知道一個球的速度、位置以及作用其上所有的力，你就能知道球在未來任何時間的運動方向。

一支研究團隊希望在細胞上做同樣的事情——測量癌細胞在任何給定時間的位置，甚至預測它們未來會出現在哪里。

人們知道，當癌癥局限于身體的一個部位時，通常可以通過手術或其他療法進行治療。目前，大部分與癌癥有關的死亡源于轉移。

現在，研究人員繪制出癌細胞詳細的家族樹，以便追蹤細胞譜系，從而發現單個癌細胞何時變得異常，并開始“跳到”到身體其他部位。相關論文近日發表于《科學》。

看到“轉瞬即逝”

腫瘤轉移的確切時刻轉瞬即逝。

該研究負責人、美國懷特黑德研究所的Jonathan Weissman表示，腫瘤轉移隱藏在細胞的數百萬次分裂中，這很難實時監測。

一直以來，許多研究團隊都在嘗試找到癌癥轉移的線索。

未參與上述研究的約翰斯·霍普金斯大學醫學院細胞生物學教授Andrew Ewald表示，“了解癌細胞是如何被限制的可以幫助我們開發能預測個體癌癥轉移風險的方法。”其團隊曾發現乳房乳管周圍的細胞層能夠伸出并捕獲逃逸的癌細胞以防止其在體內擴散。

2018年，華盛頓大學研究人員提出了一項描繪生物分子在實體腫瘤內部和周圍流動的新技術。他們利用飛行時間二次離子質譜觀察到分子如何移動以及腫瘤如何向其微環境發送信號并且消耗局部組織資源。

前不久，《中國科學報》記者從懷特黑德研究所獲悉，Weissman團隊與加州大學伯克利分校、加州大學舊金山分校等機構研究人員，利用CRISPR工具實現了這一目標。

細胞同“系”不同“路”

過去，科學家通過比較癌細胞DNA圖譜中的共同突變和其他變異來追蹤癌細胞譜系。然而，這些方法在一定程度上依賴于有足夠的自然突變或其他標記物能準確地顯示細胞間的關系。

這次，研究人員決定自己添加標記。研究人員改造了人類癌細胞。然后，他們將數千個轉基因的人類癌細胞植入小鼠體內，以模擬肺癌。“我們設計了一個有基因組DNA模板的細胞，然后用CRISPR在上面‘書寫’。”Weissman告訴記者，這意味著一個細胞的孫輩將在基因組中記錄其父母和祖父母細胞的“筆跡”。

當細胞開始分裂時，Cas9在目標靶位切割出小口。當細胞修復切口時，它會插入或刪除一些隨機的核苷酸，造成一種獨特的修復序列。這種切割和修復幾乎在每一代中都是隨機發生的，從而形成了一張細胞分裂圖。

借助計算機模型他們看到了有趣的結果：單個腫瘤細胞與他們的預期有很大不同。

研究使用的細胞來自團隊建立的人類肺癌細胞系A549。研究人員表示，你可能會認為它們相對來說是同類的。但事實上，他們看到了不同腫瘤細胞轉移傾向的巨大差異——即使是在同一只小鼠中，有些只有很少的轉移性事件，而有些轉移速度非常快。

之后，研究小組將同一細胞的兩個克隆體植入不同的小鼠體內。隨著細胞增殖，研究人員發現后代細胞的轉移速度非常相似。然而，來自同一細胞系的不同細胞的后代卻并非如此——隨著細胞系被維持了許多代，它們進化出了不同的轉移潛能。

為了找出原因，團隊開始尋找在非轉移性、弱轉移性和高轉移性腫瘤中表達的基因。結果，他們發現一種編碼角蛋白17的基因，它在低轉移性腫瘤中比在高轉移性腫瘤中表達更強。“當敲除或過表達角蛋白17時，我們發現這個基因實際上控制了腫瘤的侵襲性。”Weissman說。

來有影  去有蹤

該CRISPR方法也讓研究人員能追蹤轉移細胞進入體內的位置和時間。

細胞轉移軌跡可以在系統發育樹中被精確地繪制出來。論文共同第一作者、懷特黑德研究所的Jeffrey Quinn表示，這些圖中有不同的顏色，每種顏色代表身體的不同位置，一棵色彩斑斕的樹顯示了高度轉移的表型，即一個細胞的后代在不同的組織之間跳躍了許多次。以一種顏色為主的樹代表的是轉移性較低的細胞。

通過這種方式繪制腫瘤進展，研究人員發現，一些克隆有教科書式的繁殖方式，從它們開始繁殖的左肺開始，跳到到身體的不同部位。另一些則不穩定，它們首先跳到其他組織，然后再從那里轉移。

此外，位于兩肺之間的縱隔淋巴組織，似乎有各種各樣的“樞紐”，Quinn告訴記者，這些好像充當了中轉站，將癌細胞連接到肥沃“土地”上，然后它們就可以去“殖民”。

而這些“中轉站”對癌癥治療可能非常有用。研究人員表示，如果把癌癥治療的重點放在這些部位，就可以在第一時間減緩或預防轉移。

“我們想要構建一個驅動腫瘤分化的函數，然后能夠測量它們在任何給定時間的位置，并預測它們在未來的位置。”Weissman說，“通過追蹤體內腫瘤演進史，你可以揭示腫瘤在生物學上的差異，而這通常是不可見的。”

Weissman實驗室的Matthew Jones說：“我認為這將為我們在生物學中認為的可測量打開一個全新的維度。我們正在重新定義什么是看不見的，什么是看得見的。”