给癌细胞建“族谱”，CRISPR新技术窥探癌症扩散迷雾 | Science

你翻过自家的 “族谱” 吗？就是那本厚厚的，记载了自己祖辈繁衍和迁徙等信息的书。

癌细胞，也是 “繁衍和迁徙” 的小能手，这可太头疼了，因为癌细胞的一次迁徙，就意味癌症的一次扩散。更头疼的是，它们还没有 “族谱” 可以查，这也使得研究癌症扩散，仍是迷雾重重。

近日，就有研究人员利用基于 CRISPR 开发的新技术，为癌细胞创造 “族谱”，用以窥探癌症扩散背后的迷雾。这项研究成果，目前已经发表在了 Science 上。

具体来说，这个 “族谱” 就是癌细胞在分裂和转移的过程中产生的谱系，研究人员通过这个谱系，就可以溯源癌细胞在体内的分裂和扩散过程。

通过对 “族谱” 的研究，研究人员还发现了一些非常关键的信息，比如：同一癌细胞系中细胞，他们的转移能力，其实不尽相同，有些会扎根生长，有些则是四处漂泊。

记录谱系？转移能力不同？具体如何，让我们来详细看一下这项研究。

如何创造癌细胞的 “族谱”？

创造 “族谱” 的过程，简单理解就是：研究人员往癌细胞内部导入了一个记录器，这个记录器能够在癌细胞的每一代内部留下不同的痕迹，最后通过这些不同痕迹，就可以整理出谱系。

而这个记录器，就是 “基因剪刀” CRISPR/Cas 9。

图丨 CRISPR/Cas9 切割示意图（来源：Wiki）

CRSIPR/Cas9 分为两个部分，负责剪切的 Cas9 蛋白和负责引导到目标位置的 gRNA，而且，Cas9 蛋白只有和 gRNA 结合后，才能拥有剪切能力。

也是基于这个原理，研究人员在癌细胞基因组中，进行了一番独特的设计：分别引入了 Cas9 蛋白、一系列 gRNA 以及 gRNA 所引导的切割位点。

图丨 Cas9 切割基因组留下 “痕迹”（来源：Science）

于是，随着癌细胞的分裂，自身分泌出的 Cas9 蛋白会在 gRNA 引导下去切割自身基因组中的特定位点，被切割的细胞，就这样受伤了。

之后，受伤的细胞会对伤口进行自我修复，这个修复过程中，会随机补入或删除一些核苷酸序列，而这个不一样的序列，就是每一代细胞中独特的 “痕迹”。

图丨切割前后对比（来源：Nature）

因为是随机的，所以可以保证每一代之间的 “痕迹” 的不同。并且最关键的是，这个痕迹是累加的，即上一代的 “痕迹” 是会留存到下一代，同时下一代又会多出不一样的 “痕迹”。

图丨不同转移性的代际繁衍（来源：Science）

最终，分裂多代之后的各个细胞中，就有着不一样的痕迹，而且这些痕迹还能够判断他们是从哪一代开始分裂出来的，癌细胞的 “族谱” 也就此产生。

癌症扩散的新发现

除了记录器外，研究人员还往癌细胞基因组中引入了荧光标签。这些标签，能够让研究人员在体外就能观测到体内癌细胞的扩散过程。

在各项改造完成后，研究人员把这类拥有记录器的癌细胞，移植到了小鼠的肺中。

图丨癌细胞丛肺部开始扩散（来源：Science）

在扫描图像中，我们看到了这样的一幅景象：一开始，荧光聚集在小鼠心脏附近，像是一颗嵌入钻石；两周后，一个光三角在小鼠体内慢慢展开，越来越大；最终，蔓延到了各个器官。

图丨小鼠扫描图像（来源：Science）

第 54 天后，研究人员便将小鼠杀死，分别取出身体各个部位的癌细胞，进行了全基因组测序，这一步，就是对癌细胞的扩散 “族谱” 进行解码。

解码之后，研究人员发现了一些新的现象。首先发现的是：即使来自同一个细胞系，但是其中的不同细胞，转移能力不尽相同的。

有些细胞及其后代，都一直呆在一个组织里，而有一些细胞及其后代，则表现出了高转移性，在多个组织均有发现。在同一个细胞系中的细胞，出现了异质性。

图丨不同转移性癌细胞的谱系，颜色越杂表示转移越频繁（来源：Science）

此外，对于 “族谱” 的进一步详细分析，还发现了癌细胞的转移特征：癌细胞第一次转移，多从左肺发生，之后会扩散到某些特定组织，如纵隔淋巴组织，之后再转移到别的地方。这个纵隔淋巴组织，就像是一个 “交通枢纽”。

对此，研究的第一作者杰弗里・奎因（Jeffrey Quinn）表示：“它就像一个中转站，把癌细胞连接到这片肥沃的土地上，然后它们就可以去那里殖民。”

启示和展望

这一项研究观测到了癌症的转移，同时带来了一些非常关键的新线索。

首先是同一细胞系中产生不同的转移性的原因，这是研究人员非常好奇的。科学家们想知道是什么原因导致了这种差异。

因此，他们开始寻找非转移性肿瘤、弱转移性肿瘤和高转移性肿瘤之间表达基因的不同之处。这，对于指导治疗癌症的目标基因选择上，有着重要意义。

其次，就是癌症转移特征，这个是非常有用的信息。发现这样的转移 “枢纽”，代表在治疗上能够采取更有效、更直接的干预。

研究的通讯作者维斯曼（Weissman）说：“如果你把癌症治疗集中在这些地方，那么你就可以减缓转移或者更早地阻止它。”

图丨本研究的通讯作者：Jonathan S. Weissman（来源：MIT）

在未来，维斯曼还希望能够更进一步，通过研究癌症的扩散过程，最终超越简单的观察细胞，并开始预测它们的行为。

“我们希望对细胞也做出类似于牛顿力学的事。我们想要构建一个基本的模型，模型中输入分化的肿瘤，然后能够在任何给定时间的位置，并预测它们在未来的位置。”

参考资料：

• https://science.sciencemag.org/content/early/2021/01/21/science.abc1944

• https://www.nature.com/articles/s41586-019-1184-5#Abs1

• https://endpts.com/can-a-new-crispr-technique-unlock-the-secrets-of-how-cancer-spreads/

• https://wi.mit.edu/news/catching-cancer-act

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