使用CRISPR遗传技术来捕捉癌症

系统发育树，始于单个癌细胞。每种颜色代表体内的不同位置。一棵非常五颜六色的树显示出高度转移的表型，其中一个细胞的后代在不同组织之间跳跃了很多次。主要是一种颜色的树表示转移较少的细胞。

使用CRISPR技术，研究人员追踪了单个癌细胞的系谱，实时了解它们的增殖和转移情况。

当癌症被限制在体内某个部位时，医生通常可以通过手术或其他疗法来治疗它。然而，与癌症有关的大部分死亡率是由于其易于转移的趋势，其自身散发出的种子可能在整个人体中生根。转移的确切时刻是短暂的，在肿瘤中发生的数百万个切口中消失了。麻省理工学院生物学教授，怀特海德生物医学研究所成员乔纳森·魏斯曼说：“这些事件通常不可能实时监控。”

现在，由韦斯曼（Howardman）领导的研究人员将自己的CRISPR工具转变为一种做到这一点的方法。韦斯曼也是霍华德休斯医学研究所的研究员。在2021年1月21日发表于《科学》杂志的一篇论文中，魏斯曼的实验室与加州大学伯克利分校的计算机科学家Nir Yosef和加州大学旧金山分校的癌症生物学家Trever Bivona共同治疗了癌细胞以进化生物学家看待物种的方式，绘制出错综复杂的家谱。通过检查分支，它们可以跟踪细胞的谱系，以发现单个肿瘤细胞何时流氓，将其后代传播到身体的其他部位。

“使用这种方法，您可以问类似的问题，‘这种肿瘤多久发生一次转移？转移从何而来？他们去哪里？'”魏斯曼说。“通过能够在体内追踪肿瘤的历史，您揭示了肿瘤生物学上的差异，而这些差异本来是看不见的。”

刮擦纸格

过去，科学家通过比较共享突变和DNA蓝图的其他变异来追踪癌细胞的谱系。但是，这些方法在一定程度上取决于是否有足够的自然发生的突变或其他标记来准确显示细胞之间的关系。

正是在这点上，魏斯曼和第一作者，当时在魏斯曼斯实验室的博士后杰弗里·奎因（Jeffrey Quinn）和魏斯曼斯实验室的研究生马修·琼斯（Matthew Jones）看到了使用CRISPR技术的机会，特别是魏斯曼实验室成员陈慧琳开发的方法跟踪胚胎发育-促进跟踪。

研究人员决定不仅仅是使用癌症的谱系包含足够的谱系特异性标记来追踪，而是决定使用Chan的方法自己添加标记。Weissman说：“从根本上说，这个想法是设计一个具有DNA基因组暂存器的细胞，然后可以使用CRISPR对其进行“编写”。基因组中的这种“书写”以可遗传的方式完成，这意味着细胞的祖辈将在其基因组中记录其亲代细胞和祖父母细胞的“书写”。

为了创建这些特殊的“ scratchpad”细胞，Weissman设计了具有附加基因的人类癌细胞：一种用于细菌蛋白Cas9（一种用于CRISPR基因组编辑方法的著名“分子剪刀”），另一种用于发光的蛋白质用于显微镜检查，还有一些序列将作为CRISPR技术的目标。

然后，他们将成千上万种经过修饰的人类癌细胞植入小鼠体内，模仿了肺部肿瘤（由合作伙伴Bivona开发的模型）。患有人类肺部肿瘤的小鼠通常表现出侵袭性转移，因此研究人员认为它们将提供实时跟踪癌症进展的良好模型。

随着细胞开始凝结，Cas9在这些靶位点进行了小切口。当细胞修复切口时，它会修补或删除一些随机核苷酸，从而导致称为indel的独特修复序列。这种切割和修复几乎在每一代人中都是随机发生的，从而创建了一张细胞剪裁图，魏斯曼和他们的团队随后可以使用他们与计算机科学家Yosef共同创建的特殊计算机模型进行追踪。

揭示无形

以这种方式跟踪细胞产生了一些有趣的结果。一方面，个体肿瘤细胞彼此之间的差异远远超出了研究人员的预期。研究人员使用的细胞来自已建立的人类肺癌细胞系A549。“您会认为它们相对而言是同质的，”韦斯曼说。“但实际上，即使在同一只小鼠中，我们也看到了不同肿瘤转移倾向的巨大差异。一些发生的转移事件非常少，而其他一些确实迅速地跳来跳去。”

为了弄清楚这种异质性来自何处，研究小组将同一细胞的两个克隆植入了不同的小鼠体内。随着细胞的增殖，研究人员发现它们的后代以非常相似的速率转移。来自同一细胞系的不同细胞的后代则不是这种情况-原始细胞显然具有不同的转移潜能，因为该细胞系维持了许多世代。

接下来，科学家们想知道哪些基因导致同一细胞系中癌细胞之间的这种变异性。因此，他们开始寻找在非转移性，弱转移性和高度转移性肿瘤之间表达不同的基因。

许多基因脱颖而出，其中一些以前被认为与转移有关-尽管尚不清楚它们是在推动转移还是只是其副作用。其中之一，即编码角蛋白17的基因，在低转移性肿瘤中的表达要强于在高转移性肿瘤中的表达。魏斯曼说：“当我们敲低或过度表达角蛋白17时，我们表明该基因实际上在控制肿瘤的侵袭性。”

通过这种方式能够识别与转移相关的基因，可以帮助研究人员回答有关肿瘤如何进化和适应的问题。魏斯曼说：“这是一种观察肿瘤行为和进化的全新方法。”“我们认为它可以应用于癌症生物学中的许多不同问题。”

你从哪里来的，你去哪里的？

Weissman的CRISPR方法还使研究人员可以更详细地跟踪转移细胞在体内的位置和时间。例如，一个植入的癌细胞的后代分别进行了五次转移，每次都从左肺扩散到其他组织，例如右肺和肝。其他细胞跳到另一个区域，然后从那里再次转移。

这些运动可以整齐地映射到系统发育树中（见图），其中每种颜色代表人体中的不同位置。一棵非常五颜六色的树显示出高度转移的表型，其中一个细胞的后代在不同组织之间跳跃了很多次。主要是一种颜色的树表示转移较少的细胞。

通过这种方式绘制肿瘤进展图，Weissman和他的团队就转移的机理做出了一些有趣的观察。例如，一些克隆以教科书的方式播种，从它们开始的左肺传播到身体的不同区域。其他的则更不规则地播种，先移至其他组织，然后再从那里转移。

共同第一作者杰弗里·奎因（Jeffrey Quinn）说，这样一种组织，即位于肺之间的纵隔淋巴组织，似乎是各种各样的枢纽。他说：“它是将癌细胞连接到所有肥沃土壤的通道，然后它们便可以进入并定居。”

从治疗上来说，这样的转移“枢纽”的发现可能非常有用。Weissman说：“如果将癌症治疗重点放在那些地方，那么就可以放慢转移速度或从一开始就预防转移。”

将来，魏斯曼希望超越单纯观察细胞并开始预测其行为的范围。魏斯曼说：“这就像牛顿力学一样-如果您知道球的速度和位置以及所有作用在球上的力，则可以知道球在将来的任何时候都将往何处运动。”“我们希望对细胞进行同样的处理。我们本质上希望构建驱动肿瘤分化的功能，然后能够在任何给定时间测量它们的位置，并预测它们将来的位置。”

研究人员乐观地认为，能够实时追踪单个细胞的家谱在其他环境中也将是有用的。共同第一作者马修·琼斯（Matthew Jones）说：“我认为这将为我们所认为的生物学上可衡量的数量开辟一个全新的维度。”“总的来说，这对于该领域来说真的很酷，因为我们正在重新定义不可见的内容和可见的内容。”

参考：Jeffrey J. Quinn，Matthew G. Jones，Ross A. Okimoto，Shigeki Nanjo，Michelle M. Chan，Nir Yosef，Trever G. Bivona撰写的“单细胞谱系揭示了异种移植瘤转移的速率，途径和驱动因素”和乔纳森·魏斯曼（Jonathan S.Weissman），2021年1月21日，《科学》。
10.1126 / science.abc1944