利用CRISPR基因技术及时发现癌症

癌细胞系统发生树

系统进化树,从单个癌细胞开始。每种颜色代表身体的不同位置。一棵色彩斑斓的树显示了高度转移的表型,一个细胞的后代在不同的组织之间跳跃了许多次。以一种颜色为主的树代表转移性较低的细胞。资料来源:杰弗里·奎因/怀特黑德研究所

利用CRISPR技术,研究人员实时追踪单个癌细胞增殖和转移的谱系。

当癌症被限制在身体中的一个地方时,医生通常可以用手术或其他疗法治疗。然而,与癌症相关的大部分死亡率是由于其倾向于转移,送出可能在整个身体中扎根的种子。转移的确切时刻是短暂的,丢失在肿瘤中的数百万分区中。“这些事件通常无法实时监测,”Jonathan Weissman说,麻省理工学院生物医学研究成员生物学与白yabo124头教授。

现在,由韦斯曼领导的研究人员(韦斯曼也是霍华德休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)的一名研究员)利用CRISPR工具实现了这一目标。在2021年1月21日发表的一篇论文中科学该实验室与加州大学伯克利分校(University of California at Berkeley)的计算机科学家尼尔·约瑟夫(Nir Yosef)和加州大学旧金山分校(University of California at San Francisco)的癌症生物学家特雷弗·比沃纳(Trever Bivona)合作,以进化生物学家看待物种的方式对待癌细胞,绘制出一幅错综复杂的族谱图。通过检查分支,他们可以追踪细胞的谱系,以发现单个肿瘤细胞何时变得异常,将其后代扩散到身体的其他部位。

“用这种方法,你可以问这样的问题,‘肿瘤转移的频率是多少?转移从何而来?他们去哪里?“斯曼说。“通过追踪体内肿瘤的历史,你可以揭示肿瘤生物学上的差异,而这在其他情况下是看不见的。”yabo124

草稿纸细胞

科学家们在过去已经通过比较它们的共同突变和其他变异来追踪癌细胞的谱系DNA蓝图。然而,这些方法在一定程度上依赖于足够的天然存在的突变或其他标记以准确地显示细胞之间的关系。

这就是韦斯曼和共同第一作者杰弗里·奎因(当时韦斯曼实验室的一名博士后)以及马修·琼斯(韦斯曼实验室的一名研究生)看到利用CRISPR技术的机会的地方方法由韦斯曼实验室成员米歇尔·陈开发,以跟踪胚胎发育-便于跟踪。

研究人员并没有简单地希望一个癌症谱系包含足够多的谱系特异性标记来进行追踪,而是决定使用陈的方法自己添加标记。韦斯曼说:“基本上,我们的想法是设计一个有基因组DNA草稿板的细胞,然后用CRISPR在上面‘书写’。”这种在基因组中的“书写”是以一种可遗传的方式进行的,这意味着一个细胞的孙辈将在其基因组中记录其父母细胞和祖父母细胞的“书写”。

创建这些特殊的“便条簿”细胞,Weissman改造人类癌症细胞与基因:一个用于细菌蛋白质Cas9——著名的“分子剪刀”用于CRISPR基因组编辑方法——其他发光显微镜,和几个序列作为目标CRISPR技术。

然后,它们将数千种改性人类癌细胞植入小鼠,模仿肺肿瘤(由合作者开发的模型)。患有人肺肿瘤的小鼠通常表现出侵略性的转移,因此研究人员推理他们将在实时跟踪癌症进展的良好模型。

当细胞开始分裂时,Cas9在这些靶部位进行小的切割。当细胞修复伤口时,它会插入或删除一些随机的核苷酸,导致一种独特的修复序列,称为indel。这种切割和修复几乎在每一代中都是随机发生的,从而形成了一张细胞分裂的地图。韦斯曼和他的团队随后可以使用他们与计算机科学家约瑟夫合作建立的特殊计算机模型来跟踪这张地图。

揭示了无形的

跟踪细胞这种方式产生了一些有趣的结果。对于一件事而言,彼此相比,单个肿瘤细胞比研究人员所预期的。研究人员使用的细胞来自已建立的人肺癌细胞系,称为A549。“你认为他们会相对同质,”韦斯曼说。“但事实上,我们看到不同肿瘤的倾向的巨大差异来转移 - 即使在同一鼠标中也是如此。有些人有一个非常少量的转移事件,其他人真的很快就跳了起来。“

要了解这种异质性来自哪里,该团队在不同小鼠中植入了两个同一细胞的克隆。作为细胞增殖的,研究人员发现,它们的后代以显着相似的速率转移。与来自相同细胞系的不同细胞的后代并非如此 - 原始电池显然地发展了不同的转移电位,因为细胞系保持在许多几代内。

科学家们接下来想知道哪些基因对来自同一细胞系之间的癌细胞之间的这种变异性是原因。因此,他们开始寻找不同于非容性,弱转移性和高转移性肿瘤之间表达的基因。

许多基因出现,其中一些已知与转移有关 - 尽管他们不明确他们是否正在推动转移或仅仅是它的副作用。其中一个是蛋白质角蛋白17代码的基因在低转移性肿瘤中比在高度转移瘤中更强烈地表达。“当我们击倒或过度表达的角蛋白17时,我们表明该基因实际上是控制肿瘤的侵袭性,”Weissman说。

这种方式能够识别转移相关基因可以帮助研究人员回答有关肿瘤如何发展和适应的问题。“看看肿瘤的行为和演变是一种完全新的方式,”Weissman说。“我们认为它可以应用于癌症生物学中的许多不同问题。”yabo124

你来自哪里,你去哪儿了?

韦斯曼的CRISPR方法也让研究人员能够更详细地追踪转移细胞进入体内的位置和时间。例如,一个植入癌细胞的后代经历了五次转移,每次都从左肺扩散到其他组织,如右肺和肝脏。其他细胞跳到另一个区域,然后再从那里转移。

这些运动可以在系统发育树中精确地绘制出来(见图),每种颜色代表身体的不同位置。一棵色彩斑斓的树显示了高度转移的表型,一个细胞的后代在不同的组织之间跳跃了许多次。以一种颜色为主的树代表转移性较低的细胞。

以这种方式绘制肿瘤进展使Weissman和他的团队就转移的机械师进行了一些有趣的观察。例如,一些克隆以教科书的方式播种,从左肺行进,他们开始,到身体的不同区域。其他人更加不规则地播种,在从那里再次转移之前先移动到其他组织之前。

其中一个组织,位于肺之间的纵隔淋巴组织,似乎是各种各样的中心,共同第一作者杰弗里·奎因说。他说:“它充当了一个中转站,将癌细胞与这片肥沃的土地连接起来,然后它们就可以去那里殖民了。”

从治疗角度来说,发现像这样的转移“中心”可能非常有用。韦斯曼说:“如果你把癌症治疗的重点放在这些部位,你就可以从一开始就减缓或预防转移。”

在未来,韦斯曼希望超越简单的观察细胞,开始预测它们的行为。“这就像牛顿力学——如果你知道速度和位置以及作用在球上的所有力,你就能知道球在未来的任何时间会去哪里,”韦斯曼说。“我们希望在细胞上做同样的事情。我们想要构建一个驱动肿瘤分化的函数,然后能够测量它们在任何给定时间的位置,并预测它们在未来的位置。”

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会被证明是有用的。合著者Matthew Jones说:“我认为这将为我们在生物学中所认为的可测量量打开一个全新的维度。”yabo124“总的来说,这一领域真正酷的地方在于,我们正在重新定义什么是看不见的,什么是看得见的。”

参考:“单细胞谱系揭示了癌症Xenograpts的转移的速率,路线和驱动程序”通过Jeffrey J. Quinn,Matthew G. Jones,Ross A. Okimoto,Shigeki Nanjo,Michelle M. Chan,Nir Yosef,Trever G。Bivona和Jonathan S. Weissman,1月2021年1月21日,科学
DOI: 10.1126 / science.abc1944

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