《细胞》分刊:癌细胞耐药性“玩弄生命”！

来源：奇点蛋糕2022-01-25 08:39

癌细胞最常见的特征之一是非整倍体核型，这可能是由染色体不稳定引起的(CIN)。CIN驱动着细胞间的异质性，对癌细胞基因组、肿瘤发病机制、肿瘤演化、转移扩散以及治疗的选择和成功都有着深远的影响。最近，由冷泉港实验室的杰森m谢尔策博士领导的研究团队在著名的《发展细胞》杂志上发表了重要的研究成果。

癌细胞最常见的特征之一是非整倍体核型，这可能是由染色体不稳定引起的(CIN)。CIN驱动着细胞间的异质性，对癌细胞基因组、肿瘤发病机制、进化、转移扩散以及治疗的选择和成功有着深远的影响。

最近，由冷泉港实验室的Jason M. Sheltzer博士领导的研究团队在著名期刊《发展细胞》(Development Cell)上发表了重要的研究成果[5]。他们发现染色体不稳定(CIN)会加速耐药性的发展。

近年来，癌症治疗的不断完善，显著提高了各种恶性肿瘤患者的生存率和生活质量。然而，肿瘤对治疗药物的耐药性是阻碍患者生存的主要原因[6，7]。耐药性的出现主要是由于治疗过程中细胞发生了新的突变，可以恢复治疗靶点的功能或绕过药物的作用[8]。关于癌症如何产生耐药性，我们还有很多疑问。

研究发现，非整倍体可降低对各种抗真菌药物的敏感性[9-13]。那么，非整倍体与人类耐药性之间有相关性吗？

为了测试CIN是否会影响耐药性，谢尔策团队选择在癌细胞系中诱导短暂的CIN。在他们用Mps1抑制剂AZ3146治疗癌细胞后，他们发现癌细胞的有丝分裂错误率显著增加。

Sheltzer设计了一个竞争策略：将同一癌细胞系(如人细胞株A375)分成两组，数量相同，一组用蓝色荧光蛋白(BFP)转染，另一组用红色荧光蛋白(RFP)转染；碱性成纤维细胞生长因子组和碱性成纤维细胞生长因子组分为两组。一组细胞(BFP2，RFP1)用Mps1i处理以诱导CIN。24小时后，洗去Mps1i并与非Mps1i处理的细胞(RFP2，BFP1)共培养，即BFP1和RFP1组/BFP2和RFP2组。接下来，传代约30天，在每次传代时通过流式细胞术检测细胞群体丰度，以观察各种条件对癌细胞生长的影响(图1A)。

首先，在标准培养条件下，Sheltzer使用Mps1抑制剂诱导瞬时CIN，这导致癌细胞(人细胞系A375)的非整倍体。据观察，CIN对癌细胞有害；然而，在存在一定浓度的治疗药物(韦莫芬尼)的情况下，可以观察到CIN加速了耐药性的产生(图1B)。

谢尔茨分离了竞争实验后产生的细胞群，并测试了不同药物的敏感性。发现不同处理细胞组对维莫非的敏感性均有不同程度的下降，但对紫杉醇和多柔比星均无耐药性(图1C)。这说明经过Mps1i预处理的细胞在对特定药物产生耐药性后，不会对其他药物产生交叉耐药性。

这一现象已在不同背景的细胞中或使用不同靶向药物时得到证实(图2)。谢尔策团队用紫杉醇治疗A375细胞系(图2a)；分别用韦莫飞和紫杉醇处理Colo205细胞系(图2b)；用紫杉醇处理RPE1细胞系(图2c)；据观察，CIN加速了这些细胞系的耐药性。

在竞争实验中，Mps1i处理的细胞群体最初减少了很多，经过一段时间的传代后开始增加，逐渐超过未处理的细胞群体，占据群体的优势地位。为什么会出现这种现象？

Sheltzer教授做了一个假设：不同核型的初始细胞群体会通过Mps1i处理产生；大多数非整倍体对细胞有害，在实验开始时，它们无法与未经处理的正常细胞群竞争。然而，一些罕见的非整倍体可以促进癌细胞对特定药物的耐药性。在药物的压力下，带有这些非整倍体的癌细胞被筛选出来。(图3A)

为了验证这一假设，谢尔策在不同的竞争性实验中对细胞进行了单细胞测序。

测序显示，在实验的第0天和第6天，Mps1i处理后的细胞异质性显著增加。在实验的第21天，当用Mps1i处理的细胞群超过未处理的细胞群时，用Mps1i处理的细胞的异质性降低，核型趋于稳定(图3B，C)。

同时，Sheltzer发现同一种抗癌药物可以在不同背景下选择不同的非整倍体，而不是相似的核型(图3D，E)。

Sheltzer通过单细胞测序进一步筛选出多种具有耐药性的核型(表1)。

这些非整倍体的出现会反复使癌细胞产生耐药性吗？还是偶然的，不会重复？

为了回答这个问题，Sheltzer在-/-的RPE1细胞中分离出两种核型，这是紫杉醇培养物(Mono10c2，c4)中最常见的两种核型(图4A，B)。同时选择竞争实验中从未观察到的核型(Mono13)作为对照。然后，这三种类型的细胞被用来与其原始细胞竞争。

实验表明，Mono13-RPE1细胞与正常细胞无明显差异。然而，单核细胞10-视网膜色素上皮细胞在标准培养基中的竞争力明显下降。在含有紫杉醇的培养基中，Mono10-RPE1细胞的丰度从46%增加到89%，这表明同一核型加速癌细胞耐药性的现象可以重复出现(图4C)。

那么，内源性CIN和外源性CIN有相同的功能吗？

Sheltzer分析了来自患者的异种移植物数据集(PDX)，发现11%的“低CIN肿瘤”对治疗有明显反应，而“高CIN肿瘤”只有3%(图5a)。69%的“高CIN肿瘤”在治疗后有进行性疾病，而“低CIN肿瘤”只有58%(图5b)；在药物治疗中，“高CIN”的生存期较短(图5D-F)。