如何通過追蹤染色體的不穩定性來觀察癌細胞的進化歷程

癌細胞的基因組中到處都是突變（單一核苷酸的突變），有些突變或會通過激活癌基因的表達或關閉抑癌基因的表達而誘發癌癥發生，然而可以說更重要的是在更大范圍內腫瘤細胞中發生著基因組的異常，比如，諸如這樣的細胞包含著異常數目的染色體（非整倍性），隨著腫瘤不斷進化，染色體的異常也會在毗鄰的癌細胞之間發生變化，這就表明，染色體的改變或會在每次細胞分裂時通過重復的染色體重組來發生改變，從而引發高比率的基因組改變，稱之為染色體不穩定（chromosomal instability）。

在分析剛從腫瘤組織中分離出來的細胞時，技術上的困難曾使研究者無法確定腫瘤組織中是否存在持續的染色體不穩定性，近日，研究者Bolhaqueiro等人在Nature雜志上發表文章揭示了人類結直腸癌細胞中發生的染色體不穩定。

在超過20年的時間里我們一直知道，大部分結直腸癌的細胞都會發生染色體數量的變化，而這或許歸因于染色體的不穩定性，幾乎90%的實體瘤都存在一定程度的染色體不穩定，腫瘤細胞基因組的連續性改變被認為能幫助細胞快速適應抗癌療法的效應，高水平的基因組改變往往與癌癥患者較差的預后直接相關，因此研究人員非常感興趣繪制出指示染色體不穩定性的完整圖譜，從而確定單一腫瘤發生的機制等問題。

染色體的不穩定是一個動態化過程，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估，到目前為止，大部分實驗室的工作都是闡明腫瘤細胞的生長速度和機制，而這通常是在培養皿中通過2D單層來進行研究的。目前研究人員并不清楚這些2D模型系統在腫瘤生長的自然環境中具有多大的代表性，細胞培養系統能夠促進3D生長，比如利用類器官等，而其常常能優于2D系統，更加精確地反映腫瘤的生長環境，的確，在2D單層系統中培養細胞時，當非癌細胞周圍的正常組織架構缺失的話，這就足以促進錯誤傾向的細胞分裂，如果細胞以類器官形式生長的話，異常的細胞分裂就不會發生。

為了在活體細胞中研究染色體不穩定性，研究者從人類結直腸癌腫瘤中分離到了樣本，并以類器官的模式來直接培養這些細胞，通過對細胞進行遺傳化修飾使其表達熒光DNA結合蛋白，研究者就能利用活體成像技術來評估細胞分裂期間染色體的行為，同時還能利用周期性的單細胞DNA測序技術來追蹤染色體數量和結構隨著時間發生的改變。

研究者發現，分裂的癌細胞在將染色體分配給子代細胞時或會頻繁制造錯誤，此前利用2D系統就能證實該現象，但研究者在利用健康結腸組織來源的類器官中并不會觀察到這些錯誤，這就表明，實驗性系統自身或許并不會誘發錯誤；染色體的分配缺陷或許就提示著染色體不穩定的發生過程，隨后研究者通過研究衍生自單一腫瘤細胞的類器官來檢測是否的確是這種情況，在實驗過程中通過在不同時間進行單細胞DNA測序，結果研究者發現了正在進行的染色質不穩定性的過程。

此前研究者很難在自然環境中評估產生這種不穩定性的機制，研究者所開發的類器官模型則能幫助他們進行相關研究，他們指出，大部分的染色體分配錯誤都源于染色質橋的形成，即在細胞分裂的最后階段，拉伸兩個分離細胞DNA之間的連接處，諸如這樣的錯誤提示著染色體復制過程中的結構改變。

關于癌癥發生過程中染色體不穩定性的原因，科學家們有很多爭論，染色質橋可能是細胞分類過程中其它缺陷造成的結果，利用類器官模型進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。人類結直腸癌亞群或許并不存在染色體不穩定的標志，盡管其存在高水平的核苷酸突變，但其卻含有正常或幾乎正常的染色體數量，而且細胞之間染色體的差異也較小；研究者指出，某些結直腸癌亞群類器官或在細胞分裂期間伴隨明顯的染色體錯誤，而且染色體的不穩定似乎連同微衛星不穩性一起在相同腫瘤中發生。

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