有句玩笑話說，想攻克癌癥的研究者，哪個(gè)沒殺過天文數(shù)字級(jí)別的癌細(xì)胞。這些以別樣方式“活”在實(shí)驗(yàn)室里的癌細(xì)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(xiàn)[1]。

科學(xué)家們?cè)缇驼J(rèn)識(shí)到，癌細(xì)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(duì)癌癥發(fā)展和藥物反應(yīng)的準(zhǔn)確反饋。事實(shí)上，走向臨床的各種藥物、療法，第一次閃光都是踩在癌細(xì)胞系的尸體上。

可是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的癌細(xì)胞系并不如科學(xué)家們所想的那樣穩(wěn)定，它們也在時(shí)刻“進(jìn)化”之中，甚至對(duì)藥物的反應(yīng)會(huì)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(duì)比了來自兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的106個(gè)癌細(xì)胞系的外顯子測(cè)序數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)同一細(xì)胞系之間竟然五分之一的基因序列差異！進(jìn)一步分析了單一乳腺癌細(xì)胞系的27個(gè)細(xì)胞株，研究者發(fā)現(xiàn)同樣存在高水平的遺傳多樣性，測(cè)試的321種抗癌化合物中，有75%雖然能對(duì)特定細(xì)胞株產(chǎn)生抗癌活性，但是在其他細(xì)胞株中完全沒用！[2]

這或許也可以解釋為什么有些實(shí)驗(yàn)，明明是用了同一癌細(xì)胞系，卻會(huì)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(xì)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(shí)驗(yàn)室里的細(xì)胞傳代沒有環(huán)境施加的選擇壓力，遺傳上相對(duì)來說是穩(wěn)定的，那么按照這個(gè)道理來說，利用癌細(xì)胞系進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可以重復(fù)的。但是實(shí)際上卻截然相反，特別是倍受關(guān)注的藥物研究，對(duì)藥物的敏感性和耐藥性經(jīng)常會(huì)得出不一致的結(jié)果[3]。

這不由得讓人猜想，難道這些癌細(xì)胞根本不如我們認(rèn)為的那么穩(wěn)定？

研究者們從Broad研究所的癌癥細(xì)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(kù)中，提取了106個(gè)細(xì)胞系的外顯子測(cè)序數(shù)據(jù)。講道理，都是同一個(gè)細(xì)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(cuò)義突變僅出現(xiàn)在兩組其一，在拷貝數(shù)變化上這個(gè)數(shù)字則達(dá)到了26%。

研究者對(duì)單個(gè)細(xì)胞系進(jìn)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(xì)胞系MCF7，涉及27個(gè)不同的細(xì)胞株，其中19個(gè)未經(jīng)過任何藥物影響或者基因工程改造，7個(gè)細(xì)胞株含有報(bào)告基因，還有1個(gè)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(gè)細(xì)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(xì)胞株都存在的；而只有一個(gè)細(xì)胞株具有，獨(dú)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(gè)細(xì)胞株都出現(xiàn)了PTEN缺失突變。還有表達(dá)雌激素受體的基因ESR1，12個(gè)細(xì)胞株拷貝增加，6個(gè)細(xì)胞株拷貝丟失——這與雌激素受體表達(dá)水平是息息相關(guān)的，而MCF7可是一個(gè)以雌激素受體陽性為特征的癌細(xì)胞系！

其他的突變類型數(shù)據(jù)也是類似的，95個(gè)單點(diǎn)突變中，只有35%存在于所有細(xì)胞株中，29%只存在于某個(gè)細(xì)胞株中。

各個(gè)細(xì)胞株具有的拷貝數(shù)變異

與突變情況一致，27個(gè)細(xì)胞株之間基因表達(dá)水平也有很大的差距。將細(xì)胞株兩兩對(duì)比，最慘的情況下有1574個(gè)基因表達(dá)水平差異達(dá)到了2倍以上（中位654個(gè)）。

研究者還在常見的肺癌細(xì)胞系A(chǔ)549的23個(gè)細(xì)胞株，以及其他11個(gè)癌細(xì)胞系中進(jìn)行了驗(yàn)證，從單點(diǎn)突變到結(jié)構(gòu)變異，都存在高水平的差異。

各個(gè)細(xì)胞株中的單點(diǎn)突變

基因?qū)用姘l(fā)生了如此大的變化，細(xì)胞功能也受到了影響，不同細(xì)胞株之間傳代時(shí)間、細(xì)胞的大小和形狀都十分不同，對(duì)藥物的反應(yīng)也相距甚遠(yuǎn)。

同個(gè)細(xì)胞系的不同細(xì)胞株形態(tài)竟然能差這么多

研究者們?cè)?7個(gè)MCF7細(xì)胞株中測(cè)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(gè)細(xì)胞株中表現(xiàn)出強(qiáng)抗癌活性，對(duì)癌細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制>50%，然而其中的48種（87%）卻在至少一個(gè)細(xì)胞株中基本沒用！

把標(biāo)準(zhǔn)再拉得嚴(yán)格一點(diǎn)，同時(shí)在至少兩個(gè)細(xì)胞株中都有強(qiáng)抗癌活性的化合物有42種，但是33種（79%）在兩個(gè)以上的細(xì)胞株中不起效果……

另外要說的是，這種變化可不是僅僅癌細(xì)胞有，正常的細(xì)胞系也是存在的，而且突變水平并不比癌細(xì)胞差。

細(xì)胞株對(duì)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(xì)胞系，發(fā)現(xiàn)僅僅是不同的培養(yǎng)基條件就足以影響細(xì)胞的基因形態(tài)。與物種的進(jìn)化一樣，培養(yǎng)環(huán)境也能夠?qū)?xì)胞株進(jìn)行“自然選擇”，使某些細(xì)胞更有生存優(yōu)勢(shì)，走在“進(jìn)化”的前列；此外，就算是從細(xì)胞系中分離單個(gè)癌細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，子代細(xì)胞也能夠獲得新的突變。

本研究與該團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)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(shí)間推移，移植到小鼠體內(nèi)的人類癌細(xì)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(duì)藥物的敏感性變化有關(guān)。

這對(duì)科學(xué)家們來說并不是個(gè)好消息，但也并不是個(gè)那么壞的消息。癌細(xì)胞系依舊是實(shí)驗(yàn)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(gè)角度看就會(huì)變成機(jī)遇。利用癌細(xì)胞的自我“進(jìn)化”，科學(xué)家們可以在同樣遺傳背景的兩個(gè)細(xì)胞株上測(cè)試同種化合物，并利用細(xì)胞特征來解析作用機(jī)制，以及研究各種進(jìn)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(xì)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(dāng)了解模型的特點(diǎn)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?！盵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(xì)胞株與CCLE中細(xì)胞系樣本遺傳數(shù)據(jù)的對(duì)比。

這不禁讓奇點(diǎn)糕想到了以基因數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的“精準(zhǔn)醫(yī)療”，看來是時(shí)候搞搞“精準(zhǔn)科研”了。

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./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./news/cancer-cell-lines-evolve-ways-affect-how-they-respond-drugs

[6]https://cellstrainer./

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本文作者  |  代絲雨