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如何通过追踪染色体的不稳定性来观察癌细胞的进化历程

来源:本站原创 2019-06-22 10:59

2019年6月22日 讯 /生物谷BIOON/ --癌细胞的基因组中到处都是突变(单一核苷酸的突变),有些突变或会通过激活癌基因的表达或关闭抑癌基因的表达而诱发癌症发生,然而可以说更重要的是在更大范围内肿瘤细胞中发生着基因组的异常,比如,诸如这样的细胞包含着异常数目的染色体(非整倍性),随着肿瘤不断进化,染色体的异常也会在毗邻的癌细胞之间发生变化,这就表明,染色体的改变或会在每次细胞分裂时通过重复的染色体重组来发生改变,从而引发高比率的基因组改变,称之为染色体不稳定(chromosomal instability)。

图片来源:en.wikipedia.org

在分析刚从肿瘤组织中分离出来的细胞时,技术上的困难曾使研究者无法确定肿瘤组织中是否存在持续的染色体不稳定性,近日,研究者Bolhaqueiro等人在Nature杂志上发表文章揭示了人类结直肠癌细胞中发生的染色体不稳定。

在超过20年的时间里我们一直知道,大部分结直肠癌的细胞都会发生染色体数量的变化,而这或许归因于染色体的不稳定性,几乎90%的实体瘤都存在一定程度的染色体不稳定,肿瘤细胞基因组的连续性改变被认为能帮助细胞快速适应抗癌疗法的效应,高水平的基因组改变往往与癌症患者较差的预后直接相关,因此研究人员非常感兴趣绘制出指示染色体不稳定性的完整图谱,从而确定单一肿瘤发生的机制等问题。

染色体的不稳定是一个动态化过程,其不能仅仅从肿瘤基因组的DNA图谱快照信息中得到充分的评估,到目前为止,大部分实验室的工作都是阐明肿瘤细胞的生长速度和机制,而这通常是在培养皿中通过2D单层来进行研究的。目前研究人员并不清楚这些2D模型系统在肿瘤生长的自然环境中具有多大的代表性,细胞培养系统能够促进3D生长,比如利用类器官等,而其常常能优于2D系统,更加精确地反映肿瘤的生长环境,的确,在2D单层系统中培养细胞时,当非癌细胞周围的正常组织架构缺失的话,这就足以促进错误倾向的细胞分裂,如果细胞以类器官形式生长的话,异常的细胞分裂就不会发生。

为了在活体细胞中研究染色体不稳定性,研究者从人类结直肠癌肿瘤中分离到了样本,并以类器官的模式来直接培养这些细胞,通过对细胞进行遗传化修饰使其表达荧光DNA结合蛋白,研究者就能利用活体成像技术来评估细胞分裂期间染色体的行为,同时还能利用周期性的单细胞DNA测序技术来追踪染色体数量和结构随着时间发生的改变。

图片来源:Nature 570,166-167 (2019)

研究者发现,分裂的癌细胞在将染色体分配给子代细胞时或会频繁制造错误,此前利用2D系统就能证实该现象,但研究者在利用健康结肠组织来源的类器官中并不会观察到这些错误,这就表明,实验性系统自身或许并不会诱发错误;染色体的分配缺陷或许就提示着染色体不稳定的发生过程,随后研究者通过研究衍生自单一肿瘤细胞的类器官来检测是否的确是这种情况,在实验过程中通过在不同时间进行单细胞DNA测序,结果研究者发现了正在进行的染色质不稳定性的过程。

此前研究者很难在自然环境中评估产生这种不稳定性的机制,研究者所开发的类器官模型则能帮助他们进行相关研究,他们指出,大部分的染色体分配错误都源于染色质桥的形成,即在细胞分裂的最后阶段,拉伸两个分离细胞DNA之间的连接处,诸如这样的错误提示着染色体复制过程中的结构改变。

关于癌症发生过程中染色体不稳定性的原因,科学家们有很多争论,染色质桥可能是细胞分类过程中其它缺陷造成的结果,利用类器官模型进一步分析染色体分配缺陷的具体特性及其它分类异常或许有望帮助阐明这一点。人类结直肠癌亚群或许并不存在染色体不稳定的标志,尽管其存在高水平的核苷酸突变,但其却含有正常或几乎正常的染色体数量,而且细胞之间染色体的差异也较小;研究者指出,某些结直肠癌亚群类器官或在细胞分裂期间伴随明显的染色体错误,而且染色体的不稳定似乎连同微卫星不稳性一起在相同肿瘤中发生。

研究结果表明,肿瘤细胞中染色体数量的可变性或许是染色体不稳定发生率的产物,随着类器官模型系统被使用的越来越广泛,研究者可以直接比较3D和2D培养的结果,从而更有助于确保选择更为合适的培养系统,这样也能对不同组之间所得到的结果进行更为直接的比较,最后研究者表示,染色体的非整倍性可能是推动肿瘤进化的早期事件,但在肿瘤进化的早期阶段,研究者获取关于染色体不稳定的类型和频率的信息非常有限,如果能利用类器官来分析这些早期阶段的染色体不稳定性,或研究异常细胞,或有望帮助研究人员开发新型疗法来抵御癌症的发生。(生物谷Bioon.com)

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