如何通過(guò)追蹤染色體的不穩(wěn)定性來(lái)觀察癌細(xì)胞的進(jìn)化歷程

癌細(xì)胞的基因組中到處都是突變（單一核苷酸的突變），有些突變或會(huì)通過(guò)激活癌基因的表達(dá)或關(guān)閉抑癌基因的表達(dá)而誘發(fā)癌癥發(fā)生，然而可以說(shuō)更重要的是在更大范圍內(nèi)腫瘤細(xì)胞中發(fā)生著基因組的異常，比如，諸如這樣的細(xì)胞包含著異常數(shù)目的染色體（非整倍性），隨著腫瘤不斷進(jìn)化，染色體的異常也會(huì)在毗鄰的癌細(xì)胞之間發(fā)生變化，這就表明，染色體的改變或會(huì)在每次細(xì)胞分裂時(shí)通過(guò)重復(fù)的染色體重組來(lái)發(fā)生改變，從而引發(fā)高比率的基因組改變，稱之為染色體不穩(wěn)定（chromosomal instability）。

在分析剛從腫瘤組織中分離出來(lái)的細(xì)胞時(shí)，技術(shù)上的困難曾使研究者無(wú)法確定腫瘤組織中是否存在持續(xù)的染色體不穩(wěn)定性，近日，研究者Bolhaqueiro等人在Nature雜志上發(fā)表文章揭示了人類結(jié)直腸癌細(xì)胞中發(fā)生的染色體不穩(wěn)定。

在超過(guò)20年的時(shí)間里我們一直知道，大部分結(jié)直腸癌的細(xì)胞都會(huì)發(fā)生染色體數(shù)量的變化，而這或許歸因于染色體的不穩(wěn)定性，幾乎90%的實(shí)體瘤都存在一定程度的染色體不穩(wěn)定，腫瘤細(xì)胞基因組的連續(xù)性改變被認(rèn)為能幫助細(xì)胞快速適應(yīng)抗癌療法的效應(yīng)，高水平的基因組改變往往與癌癥患者較差的預(yù)后直接相關(guān)，因此研究人員非常感興趣繪制出指示染色體不穩(wěn)定性的完整圖譜，從而確定單一腫瘤發(fā)生的機(jī)制等問(wèn)題。

染色體的不穩(wěn)定是一個(gè)動(dòng)態(tài)化過(guò)程，其不能僅僅從腫瘤基因組的DNA圖譜快照信息中得到充分的評(píng)估，到目前為止，大部分實(shí)驗(yàn)室的工作都是闡明腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)速度和機(jī)制，而這通常是在培養(yǎng)皿中通過(guò)2D單層來(lái)進(jìn)行研究的。目前研究人員并不清楚這些2D模型系統(tǒng)在腫瘤生長(zhǎng)的自然環(huán)境中具有多大的代表性，細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)能夠促進(jìn)3D生長(zhǎng)，比如利用類器官等，而其常常能優(yōu)于2D系統(tǒng)，更加精確地反映腫瘤的生長(zhǎng)環(huán)境，的確，在2D單層系統(tǒng)中培養(yǎng)細(xì)胞時(shí)，當(dāng)非癌細(xì)胞周?chē)恼＝M織架構(gòu)缺失的話，這就足以促進(jìn)錯(cuò)誤傾向的細(xì)胞分裂，如果細(xì)胞以類器官形式生長(zhǎng)的話，異常的細(xì)胞分裂就不會(huì)發(fā)生。

為了在活體細(xì)胞中研究染色體不穩(wěn)定性，研究者從人類結(jié)直腸癌腫瘤中分離到了樣本，并以類器官的模式來(lái)直接培養(yǎng)這些細(xì)胞，通過(guò)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行遺傳化修飾使其表達(dá)熒光DNA結(jié)合蛋白，研究者就能利用活體成像技術(shù)來(lái)評(píng)估細(xì)胞分裂期間染色體的行為，同時(shí)還能利用周期性的單細(xì)胞DNA測(cè)序技術(shù)來(lái)追蹤染色體數(shù)量和結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間發(fā)生的改變。

研究者發(fā)現(xiàn)，分裂的癌細(xì)胞在將染色體分配給子代細(xì)胞時(shí)或會(huì)頻繁制造錯(cuò)誤，此前利用2D系統(tǒng)就能證實(shí)該現(xiàn)象，但研究者在利用健康結(jié)腸組織來(lái)源的類器官中并不會(huì)觀察到這些錯(cuò)誤，這就表明，實(shí)驗(yàn)性系統(tǒng)自身或許并不會(huì)誘發(fā)錯(cuò)誤；染色體的分配缺陷或許就提示著染色體不穩(wěn)定的發(fā)生過(guò)程，隨后研究者通過(guò)研究衍生自單一腫瘤細(xì)胞的類器官來(lái)檢測(cè)是否的確是這種情況，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)在不同時(shí)間進(jìn)行單細(xì)胞DNA測(cè)序，結(jié)果研究者發(fā)現(xiàn)了正在進(jìn)行的染色質(zhì)不穩(wěn)定性的過(guò)程。

此前研究者很難在自然環(huán)境中評(píng)估產(chǎn)生這種不穩(wěn)定性的機(jī)制，研究者所開(kāi)發(fā)的類器官模型則能幫助他們進(jìn)行相關(guān)研究，他們指出，大部分的染色體分配錯(cuò)誤都源于染色質(zhì)橋的形成，即在細(xì)胞分裂的最后階段，拉伸兩個(gè)分離細(xì)胞DNA之間的連接處，諸如這樣的錯(cuò)誤提示著染色體復(fù)制過(guò)程中的結(jié)構(gòu)改變。

關(guān)于癌癥發(fā)生過(guò)程中染色體不穩(wěn)定性的原因，科學(xué)家們有很多爭(zhēng)論，染色質(zhì)橋可能是細(xì)胞分類過(guò)程中其它缺陷造成的結(jié)果，利用類器官模型進(jìn)一步分析染色體分配缺陷的具體特性及其它分類異常或許有望幫助闡明這一點(diǎn)。人類結(jié)直腸癌亞群或許并不存在染色體不穩(wěn)定的標(biāo)志，盡管其存在高水平的核苷酸突變，但其卻含有正?；驇缀跽５娜旧w數(shù)量，而且細(xì)胞之間染色體的差異也較?。谎芯空咧赋?，某些結(jié)直腸癌亞群類器官或在細(xì)胞分裂期間伴隨明顯的染色體錯(cuò)誤，而且染色體的不穩(wěn)定似乎連同微衛(wèi)星不穩(wěn)性一起在相同腫瘤中發(fā)生。

研究結(jié)果表明，腫瘤細(xì)胞中染色體數(shù)量的可變性或許是染色體不穩(wěn)定發(fā)生率的產(chǎn)物，隨著類器官模型系統(tǒng)被使用的越來(lái)越廣泛，研究者可以直接比較3D和2D培養(yǎng)的結(jié)果，從而更有助于確保選擇更為合適的培養(yǎng)系統(tǒng)，這樣也能對(duì)不同組之間所得到的結(jié)果進(jìn)行更為直接的比較，最后研究者表示，染色體的非整倍性可能是推動(dòng)腫瘤進(jìn)化的早期事件，但在腫瘤進(jìn)化的早期階段，研究者獲取關(guān)于染色體不穩(wěn)定的類型和頻率的信息非常有限，如果能利用類器官來(lái)分析這些早期階段的染色體不穩(wěn)定性，或研究異常細(xì)胞，或有望幫助研究人員開(kāi)發(fā)新型療法來(lái)抵御癌癥的發(fā)生。