當癌癥局限于身體的一個部位時，醫(yī)生通?？梢酝ㄟ^手術或其他療法進行治療。然而，大部分與癌癥有關的死亡，是由于它的轉移傾向，發(fā)送自己的種子（癌細胞），可能在全身生根。轉移的確切時刻轉瞬即逝，混雜在腫瘤中發(fā)生的數(shù)百萬次分裂中。美國懷特黑德研究所成員Jonathan Weissman說，“這些事件通常是不可能實時監(jiān)測的?！?/p>

如今，在一項新的研究中，Weissman領導的一個研究團隊把CRISPR工具變成了實現(xiàn)這一目標的一種方法。Weissman實驗室與加州大學伯克利分校計算機科學家Nir Yosef和加州大學舊金山分校癌癥生物學家Trever Bivona合作，以進化生物學家看待物種的方式對待癌細胞，繪制出極其詳細的家族樹。通過探究這個家族樹的分支，他們可以跟蹤癌細胞的譜系，以找到單個腫瘤細胞何時變得異常，將其后代擴散到身體的其他部位。相關研究結果于2021年1月21日在線發(fā)表在Science期刊上，論文標題為“Single-cell lineages reveal the rates, routes, and drivers of metastasis in cancer xenografts”。

每種顏色代表身體的不同位置。色彩斑斕的系統(tǒng)發(fā)育樹顯示了高度轉移的表型，這表明一個細胞的后代在不同的組織之間轉移了很多次。以一種顏色為主的系統(tǒng)發(fā)育樹主代表著轉移性較低的細胞。圖片來自Jeffrey Quinn/Whitehead Institute。

Weissman 說，“通過這種方法，你可以問這樣的問題：‘這個腫瘤轉移的頻率有多高？轉移的部位來自哪里？它們去了哪里？’通過能夠跟蹤腫瘤在體內的歷史，你可以揭示腫瘤的生物學差異，而這通過常規(guī)手段是觀察不到的。”

構建便簽簿細胞

科學家們過去曾通過比較癌細胞DNA藍圖中的共同突變和其他變異來追蹤它們的譜系。然而，這些方法在一定程度上取決于是否有足夠多的自然發(fā)生的突變或其他標志物來準確顯示細胞之間的關系。

這就是Weissman 和論文共同第一作者Jeffrey Quinn（當時是Weissman 實驗室博士后研究員）以及論文共同第一作者、Weissman實驗室研究生Matthew Jones看到了使用CRISPR技術---特別是Weissman實驗室成員Michelle Chan開發(fā)的一種追蹤胚胎發(fā)育的方法---有利于追蹤的機會。

這些研究人員決定利用Chan的方法自己添加標志物，而不是簡單地希望癌細胞譜系包含足夠多的譜系特異性標志物來追蹤。Weissman說，“基本上，我們的想法是設計含有基因組DNA便簽簿（scratchpad ）的細胞，然后用CRISPR在上面‘書寫’。這種在基因組中的‘書寫’是以一種可遺傳的方式進行的，這意味著細胞的孫后代將在其基因組中記錄其親代細胞和祖代細胞的‘書寫’?！?/p>

為了構建這些特殊的“便簽簿”細胞，Weissman 對人類癌細胞進行了基因改造，增加了一些基因：一個是編碼細菌蛋白Cas9的基因，即CRISPR基因組編輯方法中使用的著名“分子剪刀”；另一個是編碼發(fā)光蛋白的基因用于顯微鏡觀察；還有一些序列將作為CRISPR技術的靶標。

隨后，這些研究人員將數(shù)千個這些經(jīng)過基因修飾的人類癌細胞植入小鼠體內，以模擬肺部腫瘤（Bivona開發(fā)的模型）。攜帶人類肺部腫瘤的小鼠通常表現(xiàn)出侵襲性轉移，因此他們推斷它們將為實時追蹤癌癥進展提供一個良好的模型。

當這些癌細胞開始分裂時，Cas9在靶位點進行了較小的切割。當它們修復切口時，它插入或刪除了一些隨機的核苷酸，從而形成了一個獨特的稱為indel的修復序列。這種切割和修復幾乎在每一代中都隨機發(fā)生，從而構建出細胞分裂圖譜，然后Weissman及其團隊可以使用他們與Yosef合作構建的特殊計算機模型進行跟蹤。

揭開無形的面紗

通過這種方式跟蹤細胞，產(chǎn)生了一些有趣的結果。首先，單個腫瘤細胞之間的差異比這些研究人員預期的要大得多。這些研究人員使用的細胞來自于一種成熟的稱為A549的人類肺癌細胞系。Weissman說，“你會認為它們會相對均質。但事實上，我們看到了不同腫瘤轉移傾向的顯著差異---即使是在同一只小鼠身上，也是如此。有些癌細胞的轉移率非常低，另一些些癌細胞的轉移率非常高?！?/p>

為了找出這種異質性的來源，這些研究人員在不同的小鼠中植入了同一個癌細胞的兩個克隆。隨著細胞的增殖，他們發(fā)現(xiàn)，它們的后代以非常相似的速度發(fā)生轉移。然而，來自同一癌細胞系的不同細胞的后代卻并非如此---這個癌細胞系在體外培養(yǎng)了數(shù)代后，明顯已經(jīng)進化出不同的轉移潛能。

這些研究人員接下來想知道是什么基因導致了來自同一細胞系的不同癌細胞之間的這種差異性。于是他們開始尋找非轉移性腫瘤、轉移性較弱的腫瘤和轉移性較高的腫瘤之間不同表達的基因。

許多基因脫穎而出，其中的一些基因以前就被認為與轉移有關--盡管不清楚它們是推動轉移的原因還是僅僅是轉移的結果。其中的一個基因編碼角蛋白17（Keratin 17, KRT17），在低轉移性腫瘤中的表達比在高轉移性腫瘤中的表達要強烈得多。Weissman說，“當我們敲除或過度表達KRT17時，我們發(fā)現(xiàn)這個基因實際上是在控制腫瘤的浸潤性?！?/p>

能夠以這種方式識別轉移相關基因，可能有助于人們回答關于腫瘤如何進化和適應的問題。Weissman說，“這是一種全新的方式來看待腫瘤的行為和進化。我們認為它可以應用于癌癥生物學中的許多不同問題?！?/p>

從哪里來，到哪里去？

Weissman的CRISPR方法還允許這些研究人員更詳細地追蹤轉移細胞在體內的去向，以及何時轉移。例如，一個植入的癌細胞的后代分別進行了五次轉移，每次都從左肺擴散到其他組織，如右肺和肝臟。其他細胞則轉移到不同的區(qū)域，然后從那里再次轉移。

這些運動可以整齊地映射在系統(tǒng)發(fā)育樹（即前面提及的家族樹）上（如圖所示），每種顏色代表身體的不同位置。色彩斑斕的系統(tǒng)發(fā)育樹顯示了高度轉移的表型，這表明一個細胞的后代在不同的組織之間轉移了很多次。以一種顏色為主的系統(tǒng)發(fā)育樹主代表著轉移性較低的細胞。

以這種方式繪制腫瘤進展圖譜使得Weissman和他的團隊能夠對轉移機制進行一些有趣的觀察。例如，一些癌細胞克隆以教科書中提到的方式播種，從左肺，即它們開始的地方，前往身體的不同區(qū)域。其他的癌細胞克隆更不規(guī)則，首先移動到其他組織，然后再從那里轉移。

論文共同第一作者Jeffrey Quinn說，一個這樣的組織，即位于肺部之間的縱隔淋巴組織（mediastinal lymph tissue），似乎是一種樞紐。他說，“它充當了一個中轉站，將癌細胞連接到所有肥沃的土地上，然后它們就可以去定植了?！?/p>

在治療上，發(fā)現(xiàn)這樣的轉移“樞紐”可能非常有用。Weissman說，“如果你把癌癥治療的重點放在這些地方，那么你就可以在第一時間減緩轉移或預防轉移。”

在未來，Weissman希望不僅僅是簡單地觀察細胞，而且還要開始預測它們的行為。Weissman說，“這就像牛頓力學一樣--如果你知道速度和位置以及作用在一個球上的所有力，你就可以計算出這個球在未來任何時候會去哪里。我們希望對細胞做同樣的事情。我們希望從本質上構建一個驅動腫瘤分化的函數(shù)，然后能夠測量它們在任何特定時間的位置，并預測它們在未來的位置?！?/p>

這些研究人員樂觀地認為，能夠實時追蹤單個細胞的家族樹將證實在其他環(huán)境中也是有用的。論文共同第一作者Matthew Jones說，“我認為，這將為我們所考慮的生物學中可測量的數(shù)量打開一個全新的維度?？偟貋碚f，這就是這個領域非?？岬牡胤剑覀冋谥匦露x什么是不可觀察到的，什么是可觀察到的?！保ㄉ锕?世聯(lián)博研Bioexcellence）

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