Nature子刊：缺氧是導致癌細胞不斷肆虐的元兇

昵稱32772025 2019-11-15

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當缺乏氧氣（缺氧）時，健康細胞成長受到限制。但令人驚奇的是，缺氧卻是90%的實體瘤中廣泛存在的一種特質(zhì)，而且缺氧這種特征與腫瘤的增殖、分化、血管生成、能量代謝以及癌癥的耐藥性發(fā)生、患者預后較差密切相關(guān)。

但當氧氣含量在生長中的腫瘤中下降時，缺氧就會激活一種名為HIF1（缺氧誘導因子）的基因，并通過發(fā)揮其轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的作用，降低乃至關(guān)閉線粒體中的耗氧過程，尤其是氧化磷酸化，從而使得糖酵解成為癌細胞主要的能量產(chǎn)生方式。

2019年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，正是頒發(fā)給了HIF1通路的三位奠基人。

然而，科學家對于腫瘤細胞是如何響應低氧環(huán)境的仍知之甚少。此外，絕大多數(shù)關(guān)于缺氧調(diào)節(jié)基因表達的研究都是在體外環(huán)境下進行的，即，使用與正?？諝庀嗤难鯕鉂舛葋砼囵B(yǎng)腫瘤細胞，然后再將細胞短時間暴露于1%的氧氣中。實際上，這比體內(nèi)的氧氣含量高的多，可能并不能模擬腫瘤細胞缺氧的真實情況。

近日，約翰·霍普金斯大學醫(yī)學院的研究人員在 Nature Communications 雜志發(fā)表了題為：Fate-mapping post-hypoxic tumor cells reveals a ROS-resistant phenotype that promotes metastasis的研究論文。

該研究構(gòu)建了二維和三維的組織系統(tǒng)和活體動物實驗，充分表征了缺氧細胞在癌癥發(fā)展至轉(zhuǎn)移過程中的命運。研究表明，在體內(nèi)經(jīng)歷腫瘤內(nèi)缺氧的細胞與體外暴露于缺氧環(huán)境的細胞具有不同的基因表達模式。體內(nèi)暴露于慢性低氧環(huán)境賦予癌細胞以增強的侵襲、轉(zhuǎn)移和ROS耐藥的表型，從而在血液中再充氧時促進其存活，并更有可能擴散到遠處的組織。

在該項研究中，研究人員發(fā)明了一種雙載體缺氧命運映射系統(tǒng)來永久標記缺氧細胞，并跟蹤它們在腫瘤發(fā)生過程中的命運。載體1包含一個改造的Cre基因（添加一個HIF調(diào)控的氧依賴的降解域(ODD)）。載體2表達一個紅色熒光報告蛋白(DsRed)，其終止密碼子位于一個綠色熒光蛋白(GFP)基因編碼前的串聯(lián)loxP位點。在缺氧條件下，HIF導致Cre的轉(zhuǎn)錄激活，Cre切掉DsRed基因，導致永久性的GFP表達。

同時，研究人員構(gòu)建了一種轉(zhuǎn)基因小鼠模型，它同樣以缺氧依賴的方式表達CRE基因 (載體1)。通過靶向位點擴增(TLA)和下一代測序，研究人員確定了轉(zhuǎn)基因的確切整合位點、拷貝數(shù)、序列和定位。研究人員系統(tǒng)地研究了缺氧過程中每個階段的乳腺癌進展（導管增生，導管原位癌(DCIS)，早期癌，晚期浸潤性癌），并定位了缺氧部位。研究發(fā)現(xiàn)，瘤內(nèi)缺氧首先出現(xiàn)在導管原位癌病變中。

研究團隊使用熒光激活細胞分選技術(shù)捕獲紅色或綠色（缺氧）乳腺癌細胞，然后進行RNA測序。發(fā)現(xiàn), 在腫瘤內(nèi)細胞經(jīng)歷了缺氧誘導后，許多基因表達水平升高,包括整合素α10 (ITGA10)和血漿銅藍蛋白(CP)，但是在體外暴露于缺氧的腫瘤細胞中卻沒有發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。這種腫瘤內(nèi)缺氧的細胞的基因表達模式似乎可以幫助細胞在進入血流時抵抗氧化應激。一些腫瘤細胞即使在重新充氧后，仍保留了部分“低氧記憶”的遺傳標記。