本周，來(lái)自哈佛-麻省理工學(xué)院Broad研究所等六所頂級(jí)研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們，又干了一件大事情。
由金鑫和Todd R. Golub領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，給500個(gè)人類(lèi)癌癥細(xì)胞系打上了特殊的標(biāo)簽，研究了它們的轉(zhuǎn)移相關(guān)特征，創(chuàng)建了有史以來(lái)第一張關(guān)于不同癌癥如何擴(kuò)散的地圖——MetMap[1]。
相關(guān)數(shù)據(jù)可以幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)癌癥轉(zhuǎn)移的新細(xì)節(jié)，更深入地了解是什么驅(qū)動(dòng)了癌癥的轉(zhuǎn)移，為什么一些癌癥比其他癌癥擴(kuò)散得更兇猛，以及如何用新的癌癥藥物潛在地減緩或阻止轉(zhuǎn)移這一致命的過(guò)程。
相關(guān)研究成果以封面報(bào)道的形式，刊登在頂級(jí)期刊《自然》上。Todd R. Golub是通訊作者，金鑫是共同通訊作者和第一作者。
《自然》的封面
絕大多數(shù)的癌癥相關(guān)死亡，是癌細(xì)胞的擴(kuò)散轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的。
時(shí)至今日，我們對(duì)癌癥轉(zhuǎn)移的了解仍非常有限。幾乎沒(méi)有辦法確定某個(gè)癌癥是否會(huì)轉(zhuǎn)移；如果轉(zhuǎn)移，擴(kuò)散的程度如何，會(huì)波及哪些組織或器官，也很難判斷。
人類(lèi)癌細(xì)胞系一直是科學(xué)家主要的研究對(duì)象，為人類(lèi)對(duì)抗癌癥立下汗馬功勞。研究人員認(rèn)為，可以利用人類(lèi)癌細(xì)胞系，結(jié)合異種移植模型，研究數(shù)百個(gè)人類(lèi)癌細(xì)胞系的器官特異性轉(zhuǎn)移潛能，促進(jìn)人類(lèi)對(duì)癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移有更深入的認(rèn)知。
然而，由于人類(lèi)癌細(xì)胞系數(shù)量眾多，逐個(gè)完成體內(nèi)測(cè)試的話，一方面是費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)錢(qián)，另一方面實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變量不易控制。
因此，金鑫和Todd R. Golub提出了一個(gè)新的高通量研究方法。
他們先給每一個(gè)癌細(xì)胞系做了DNA條形碼標(biāo)記，然后將所有需要研究的癌細(xì)胞系混合在一起，注射到免疫缺陷小鼠體內(nèi)。五周之后，再采集小鼠不同組織或器官的樣本，完成高通量測(cè)序，看看不同的組織或器官中各種DNA條碼的量。
從理論上講，通過(guò)這種方法可以了解不同癌細(xì)胞系的轉(zhuǎn)移偏好性以及擴(kuò)散路徑。這個(gè)研究思路看上去簡(jiǎn)單，不過(guò)金鑫博士研究的可是500個(gè)癌細(xì)胞系，難度和工作量可想而知。
研究方法
金鑫博士先用4個(gè)乳腺癌細(xì)胞系檢驗(yàn)了他的想法，證實(shí)可行性之后，又在21個(gè)基底樣乳腺癌細(xì)胞系中進(jìn)一步證實(shí)該方法的可靠性。
從目前已經(jīng)發(fā)表的研究成果來(lái)看，基底樣乳腺癌在患者中具有多樣化的轉(zhuǎn)移能力[2]。金鑫博士的研究得到了一致的結(jié)論：21個(gè)癌細(xì)胞系的轉(zhuǎn)移模式多樣。
例如，MDAMB231等廣泛轉(zhuǎn)移定植，HCC1954主要入侵大腦，HCC1143等完全不轉(zhuǎn)移 。值得注意的是編號(hào)為BT20的癌細(xì)胞系，在多個(gè)器官中被檢測(cè)到，但在所有器官中的豐度都很低，這反映了它有定植能力，但沒(méi)有擴(kuò)張能力。
21個(gè)乳腺癌細(xì)胞系的轉(zhuǎn)移圖譜
乳腺癌細(xì)胞系的研究數(shù)據(jù)，證實(shí)了上述研究思路的可行性。于是，金鑫博士將這種方法應(yīng)用于跨越21個(gè)癌種的503個(gè)癌細(xì)胞系，以構(gòu)建一個(gè)全系癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移圖譜（MetMap）。
而且為了檢驗(yàn)轉(zhuǎn)移圖譜數(shù)據(jù)集的穩(wěn)定性，金鑫博士等還特地構(gòu)建了兩種不同細(xì)胞系模式：一個(gè)是給模式小鼠一次性注射498個(gè)癌細(xì)胞系（MetMap500）；另一個(gè)是注射5個(gè)癌種的各25個(gè)癌細(xì)胞系，累計(jì)125個(gè)癌細(xì)胞系（MetMap125）。
研究人員發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是改變注射的癌細(xì)胞數(shù)量，還是改變測(cè)試小鼠年齡和隊(duì)列大小，得出的結(jié)果都沒(méi)有隨這些參數(shù)發(fā)生大幅變化。這一方面說(shuō)明癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移潛力的相關(guān)性很強(qiáng)，另一方面表明該方法是非常穩(wěn)健。
研究方法穩(wěn)定
那么通過(guò)這種方法取得的數(shù)據(jù)是否反映了癌癥在人體內(nèi)的轉(zhuǎn)移行為呢？
為了解答這個(gè)問(wèn)題，金鑫博士分析了細(xì)胞系的現(xiàn)有臨床注釋?；诖?，他們發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的潛能與癌癥的類(lèi)型、來(lái)自原發(fā)灶還是轉(zhuǎn)移灶，以及患者的年齡相關(guān)；與患者的性別、人種沒(méi)有相關(guān)性。
例如，黑色素瘤和胰腺癌在人體內(nèi)傾向于轉(zhuǎn)移[3]，金鑫博士在研究中也觀察到了同樣的傾向。相比之下，來(lái)源于腦腫瘤的細(xì)胞系一般是非轉(zhuǎn)移性的，之前的基礎(chǔ)研究也發(fā)現(xiàn)它們確實(shí)有不易發(fā)生血源性擴(kuò)散的傾向[4，5]。其他還有很多類(lèi)似的一致結(jié)論，我這里就不再一一列舉。
有一個(gè)出乎意料的現(xiàn)象是：癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移潛能降低與患者年齡增加之間竟然存在相關(guān)性。對(duì)于這一點(diǎn)，研究人員表示需要進(jìn)一步的研究確定。
癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移潛能與年齡之間的關(guān)系
此外，金鑫博士等還發(fā)現(xiàn)，癌細(xì)胞系的轉(zhuǎn)移潛能并不能簡(jiǎn)單地用體外增殖速度或突變負(fù)擔(dān)來(lái)解釋?zhuān)@表明轉(zhuǎn)移的背后應(yīng)該還有更精妙的分子機(jī)制不為人所知。
為了進(jìn)一步揭示背后的分子機(jī)制，金鑫博士等以乳腺癌及其腦轉(zhuǎn)移為研究切入點(diǎn)，從體細(xì)胞突變、DNA拷貝數(shù)變異、轉(zhuǎn)錄組、代謝組、CRISPR-Cas9功能性基因組全面篩選等角度，深入展開(kāi)了研究。
經(jīng)過(guò)層層深入分析，金鑫博士等逐漸發(fā)現(xiàn)乳腺癌細(xì)胞系的腦轉(zhuǎn)移潛能與脂質(zhì)合成之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。代謝組分析發(fā)現(xiàn)，高腦轉(zhuǎn)移癌細(xì)胞中膽固醇種類(lèi)的水平增加，三酰甘油（TAGs）水平的全面下降。相比之下，非腦轉(zhuǎn)移癌細(xì)胞的TAGs水平較高。
實(shí)際上，大腦也不是將脂肪酸作為T(mén)AGs儲(chǔ)存，而是積累專(zhuān)門(mén)的脂質(zhì)來(lái)支持神經(jīng)活動(dòng)和大腦功能[6，7]。
不同組織器官的脂類(lèi)水平
研究人員認(rèn)為，這種現(xiàn)象背后的可能原因是，其他組織中富含的TAGs等在大腦中并不豐富，乳腺癌細(xì)胞要想在大腦微環(huán)境中生存，它們必須通過(guò)其他途徑獲取脂質(zhì)，這符合種子與土壤假說(shuō)[8]。
通過(guò)CRISPR-Cas9功能性基因組全面篩選的方法，金鑫博士等發(fā)現(xiàn)介導(dǎo)上述脂代謝狀態(tài)變化的是轉(zhuǎn)錄因子SREBF1。SREBF1的敲除會(huì)導(dǎo)致癌細(xì)胞內(nèi)TAGs水平增加，膽固醇等的水平下降。
基于以上的遺傳、代謝、轉(zhuǎn)錄組和功能基因組證據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)SREBF1介導(dǎo)的脂質(zhì)代謝與乳腺癌的腦轉(zhuǎn)移之間存在關(guān)聯(lián)。后續(xù)研究還發(fā)現(xiàn)，SREBF1不是癌細(xì)胞播種必需的，而是在癌細(xì)胞在大腦微環(huán)境中增殖所必需的。
一個(gè)藥物研發(fā)的新方向就這樣出現(xiàn)了。
總的來(lái)說(shuō)，金鑫和Todd R. Golub領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)首次構(gòu)建了500個(gè)人類(lèi)癌細(xì)胞系的轉(zhuǎn)移圖譜，證明了研究方法的可行性和有效性，還以乳腺癌腦轉(zhuǎn)移為例，為新藥研發(fā)找到了新靶點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)：