《Cell》追踪癌症家谱

随着时间的推移，癌细胞会进化成对治疗有抵抗力、更具侵袭性和转移性——能够扩散到体内其他部位并形成新的肿瘤。癌症进化出的这些特征越多，就越致命。研究人员希望了解癌症是如何进化这些特征的，以便预防和治疗致命的癌症，但当癌症在患者身上被发现时，它通常已经存在了几年甚至几十年。关键的进化时刻到来又消失得无影无踪。

麻省理工学院(MIT)教授乔纳森·韦斯曼(Jonathan Weissman)和他的合作者开发了一种方法，可以追踪癌细胞的世代，让研究人员能够追踪它们的进化历史。这种谱系追踪方法使用CRISPR技术将每个细胞嵌入可遗传和可进化的DNA条形码。细胞每次分裂时，其条形码都会略有改变。当研究人员最终获得原始细胞的后代时，他们可以比较细胞的条形码来重建每个单个细胞的家谱，就像相关物种的进化树一样。然后，研究人员可以利用这些细胞的关系来重建这些细胞是如何以及何时进化出重要特征的。研究人员使用类似的方法跟踪导致Covid-19的病毒的进化，以追踪担忧变体的起源。

Weissman说:“这是一种以更高分辨率观察癌症进化的新方法。”Weissman是麻省理工学院(MIT)的生物学教授，怀特黑德生物医学研究所(Whitehead Institute for Biomedical Research)的成员，也是霍华德·休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)的研究员。“以前，导致肿瘤危及生命的关键事件一直是不透明的，因为它们在肿瘤遥远的过去消失了，但这给我们提供了一个了解这段历史的窗口。”

为了从一开始就追踪癌症，研究人员开发了一种方法，可以同时触发细胞中的致癌突变，并开始记录细胞的历史。他们对小鼠进行了基因改造，使其肺细胞暴露于一种特制的病毒中时，这种暴露激活了细胞中Kras基因中的一种致癌突变，并使肿瘤抑制基因Trp53失活，同时激活了谱系追踪技术。在Jacks实验室开发的小鼠模型，也经过了设计，使其肺癌的发展与人类非常相似。

“在这个模型中，癌细胞从正常细胞发展而来，肿瘤在自然环境中发展的时间很长。这与病人身上发生的情况非常相似，”Jacks说。事实上，研究人员的发现与肺癌患者疾病进展的数据密切相关。

研究人员让癌细胞进化几个月，然后采集它们。然后，他们使用之前研究中开发的计算方法，根据修改后的DNA条形码重建这些细胞的家谱。他们还通过RNA测序测量了细胞中的基因表达，以表征每个细胞的状态。有了这些信息，他们开始拼凑出这种类型的肺癌是如何变得具有侵略性和转移性的。

“揭示肿瘤细胞之间的关系是理解它们的基因表达谱并深入了解攻击性状态出现的关键，”Yosef说，他是当前工作和之前谱系追踪论文的共同通讯作者。

结果显示，同一肿瘤内的细胞亚群之间存在显著差异。在这个模型中，癌细胞主要是通过基因表达的可遗传变化而进化的，而不是通过基因突变。某些亚群进化得更适应——更适合生长和生存——也更有攻击性，随着时间的推移，它们在肿瘤中占主导地位。在未来的研究中，研究人员发现在最适合的细胞中普遍表达的基因可能是很好的候选治疗靶点。研究人员还发现，转移仅起源于这些优势细胞群，而且只是在它们进化的晚期。这与其他一些癌症不同，在其他癌症中，细胞可能在进化的早期就获得转移的能力。这种认识可能对癌症治疗很重要;转移通常发生在癌症变得致命的时候，如果研究人员知道哪种癌症有能力以这种逐步转移的方式发展，他们就可以设计干预措施来阻止这一进程。

研究人员还发现了癌症亚群变得健康和具有攻击性的进化路径的重要细节。细胞通过不同的状态进化，这些状态是由当时细胞所具有的关键特征所定义的。在这个癌症模型中，研究人员发现，早期肿瘤细胞迅速分化，在许多不同的状态之间转换。然而，一旦一个亚群进入了一个特别适合和具有侵略性的状态，它就会一直呆在那里，从稳定状态开始控制肿瘤。此外，最终的显性细胞似乎遵循两种不同的路径之一，通过不同的细胞状态。这两种途径中的任何一种都可能导致进一步的进展，使癌症进入侵略性的“间充质”细胞状态，这与转移有关。

在研究人员彻底绘制了癌细胞的进化路径后，他们想知道如果这些细胞经历了额外的与癌症相关的突变，这些路径将如何受到影响，所以他们灭活了另外两个肿瘤抑制因子中的一个。其中一种影响细胞稳定的状态，而另一种则引导细胞遵循一种全新的进化路径来适应。

研究人员希望其他人也能使用他们的方法来研究关于癌症进化的各种问题，他们自己心里已经有了一些问题。目标之一是通过观察癌症对不同治疗的反应，来研究治疗耐药性的进化。另一种是研究癌细胞的局部环境是如何影响其进化的。

“这种方法的优势在于，它让我们能够细致地研究癌症的进化过程，”第一作者马修·琼斯(Matthew Jones)说。“每次在技术或方法上从批量分析转向单细胞分析时，都极大地拓宽了我们可以获得的生物学见解的范围，我认为我们在这里看到了类似的东西。”