在癌細胞系中發現的遺傳變異

長期以來，人們一直認為癌細胞具有遺傳穩定性和相同的遺傳變異，這可能有助於解釋為什麼在基於細胞系的研究中很難再現這些發現。

細胞系構成癌症研究的支柱。這些單獨的細胞群，通常從患者的腫瘤樣本中收集並在實驗室中無限生長培養，實現從基礎遺傳研究到藥物發現的一切。

但是，雖然科學家們認為，即使它們繼續生長和分裂，個體細胞系仍保持基因一致，但它們實際上可以通過顯著改變其對藥物反應的方式進化。根據Broad研究所和合作機構的研究人員的說法，他們的研究結果發表在Nature雜誌上。

「這裡的主要資訊不是細胞系和基於文化的模型都不好，」Broad核心研究所成員Todd Golub表示，該研究的共同資深作者。「相反，你應該了解你的模型，並了解它的屬性和局限性。知道需要一定程度的遺傳和基因組表徵超出我們通常的想法。跳過這種仔細的表徵不是一種選擇。「

研究人員早就認識到，細胞系不能完全模仿它們的起源腫瘤。儘管如此，它們仍被認為具有代表性和穩定性，足以提供對癌症生物學和藥物反應的準確見解。事實上，今天可用的每種癌症治療都在這些實驗室模型中進行了某些測試。

然而，科學家們常常難以從細胞系中複製研究結果。此外，還沒有人進行系統的努力來測量癌細胞系中細胞隨時間的變化以及這些變化是否會影響藥物反應的程度和程度。

「您可以在文獻中找到許多例子，指出細胞系實驗中藥物敏感性數據的不一致性，」第一作者，Golub實驗室的博士後研究員Uri Ben-David說。「我們希望尋找進化的跡象，並將線條內的變化和那些不一致之間的點聯繫起來。」

研究人員首先開始懷疑這些細胞系在重新分析來自兩個大集合中的106個細胞系的測序數據時進化：Broad-Novartis 癌症細胞系百科全書（CCLE）和Wellcome Sanger研究所的癌症藥物敏感性基因組學。這兩個系列中的這些系列應該在遺傳上相同，但團隊發現了高水準的變異性。例如，團隊發現的19％的基因突變僅存在於一個集合或另一個集合中。

然後，研究小組對兩種廣泛使用的細胞系的27和23株進行了深入的分子分析：雌激素受體陽性乳腺癌細胞系MCF-7和肺癌細胞系A549。該分析包括全基因組DNA測序，癌症中常見突變的近450個基因的靶向DNA測序，以及大量和單細胞RNA測序。每種菌株代表來自該品系的一批細胞，具有不同的歷史（例如，不同種類的實驗室操作，培養中的不同時間長度，不同的原始來源）。

他們的數據揭示了菌株之間驚人的基因組差異，從單鹼基對突變到基因組結構的大規模變化（例如，整個染色體臂的丟失）到基因表達的重大變化 - 所有這些都表明細胞系既不穩定也不和研究人員想的一樣。這些遺傳和表達差異也影響菌株的生長速率，細胞大小和形狀以及其他性狀。針對另外11種癌細胞系的靶向測序，代表多種腫瘤類型（攝護腺，結腸，肝臟，皮膚），導致細胞系之間的進一步遺傳變異。

通過在不同的實驗室條件下進行實驗，研究小組發現，即使改變培養細胞系的營養培養基的種類，也可以使菌株內的某些細胞比其他細胞具有生長優勢，從而允許遺傳上不同的種群進化。通過提取單個細胞並在培養基中培養它們，研究小組還發現，分離的單個細胞的後代可以自發地獲得新的突變 - 表明新的，遺傳多樣的細胞群可能來自單獨分離的細胞的菌株。

為了解這些遺傳變化如何影響藥物反應，該團隊測試了27種MCF-7菌株對321種藥物的影響。任何給定藥物減緩菌株生長或殺死菌株細胞的能力與菌株的遺傳特徵及其靶向基因的表達相關。

該研究結果補充了由Golub和Ben-David長官的另一項研究，該研究檢查了患者來源的異種移植物（PDX）模型（通過將癌症患者的腫瘤細胞植入小鼠中而產生）。2017年，他們在Nature Genetics報導，隨著時間的推移，PDX模型中的人類癌細胞失去了患者所見的特徵性遺傳特徵，並獲得了人類未遇到的新特徵，這些變化與模型藥物敏感性的變化相關。

總之，研究結果強調科學家需要特別注意確保基於細胞系的癌症模型能夠反映他們正在研究的腫瘤。他們必須了解他們使用的細胞如何與其父系遺傳分化，以便在實驗中進行準確的比較。

為此，該團隊已經開發並將發布一個在線工具Cell STRAINER，以幫助研究人員對他們的模型進行基準測試，估計他們使用的細胞系菌株與CCLE集合中參考樣品的遺傳差異。他們還指出，細胞系的進化能力實際上可以提供研究癌症生物學和腫瘤進化的各個方面的機會。

「因為菌株具有相同的一般遺傳背景，你可以在兩種菌株上測試相同的化合物，並利用它們的特徵來研究化合物的作用機制，或基因表達差異對靈敏度的影響，」Golub說。「或者你可以調查腫瘤異質性和引起菌株進化的選擇壓力。」