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《细胞》子刊:癌细胞“玩儿命”耐药!冷泉港科学家发现,染色体不稳定性对癌细胞有害,但也会促进癌症获得耐药性丨科学大发现

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癌细胞最常见的特征之一是非整倍体核型,造成非整倍体的原因可能是染色体不稳定性(CIN)[1]。CIN驱动细胞间异质性,并对癌细胞基因组、肿瘤发病机制、肿瘤进化、转移扩散以及治疗的选择和成功产生深远影响[2-4]。

近日,由来自冷泉港实验室的Jason M. Sheltzer博士领衔的研究团队,在著名期刊Development Cell上发表重要研究成果[5]。他们研究发现染色体不稳定性(CIN)可以加速肿瘤耐药性的产生


近年来,癌症疗法不断改进,显著提高了各种恶性肿瘤患者的生存率和生活质量。但是,肿瘤对治疗药物产生耐药性是阻碍患者生存期延长的一个主要的原因[6,7]。耐药性产生主要归因于肿瘤细胞在治疗过程中产生的新的突变,这些突变可以在药物治疗过程中恢复治疗靶点的功能,或者绕过药物的作用[8]。我们对癌症如何产生耐药性仍然有很多疑问。

有研究发现非整倍体会造成酵母对各种抗真菌剂的敏感性降低[9-13]。那么,非整倍体与人类肿瘤耐药性之间是否存在关联呢?

为了测试CIN是否会影响肿瘤耐药性,Sheltzer团队选择在癌细胞系中诱导瞬时CIN,他们使用Mps1抑制剂AZ3146处理癌细胞后,发现癌细胞的有丝分裂错误率显著增加。

Sheltzer设计了一种竞争策略:同一癌细胞系(如人类黑色素瘤细胞系A375)分为数目相同的两组,一组转染蓝色荧光蛋白(BFP),一组转染红色荧光蛋白(RFP);将BFP组和RFP组再等分为两组,分别选一组细胞(BFP2,RFP1)用Mps1i处理诱导CIN发生,24小时后将Mps1i洗掉,与非Mps1i处理的细胞(RFP2,BFP1)共培养,即BFP1和RFP1组/BFP2和RFP2组细胞共培养;接下来传代约30天,每次传代时用流式细胞术检测细胞群丰度,来观察各种条件对癌细胞生长的影响(图1A)。


图1A竞争实验示意图

首先,在标准培养条件下,Sheltzer使用Mps1抑制剂诱导瞬时CIN,使癌细胞(人类黑色素瘤细胞系A375)产生非整倍体,观察发现:CIN对癌细胞是有害的;但是,在有一定浓度的治疗药物(维莫非尼)的条件下,可以观察到CIN加速了肿瘤耐药性的产生(图1B)。


图1B A375细胞群竞争实验

Sheltzer将竞争实验后的产生的细胞群分离出来,分别进行不同药物的敏感性测试,发现不同处理的细胞群对维莫非尼的敏感性有不同程度的降低,而对于紫杉醇和多柔比星不存在耐药性(图1C)。这说明Mps1i预处理后的细胞,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


图1C竞争实验24小时后的细胞群对各种药物的反应

在多种遗传背景的细胞中或使用不同的靶向药物时,这一现象都得到了证实(图2)。Sheltzer团队用紫杉醇处理A375细胞系(图2A);用维莫非尼和紫杉醇分别处理Colo205细胞系(图2B);用紫杉醇处理RPE1细胞系(图2C);都观察到了CIN加速了这些细胞系耐药性的产生。


图2 不同遗传背景下Mps1i加速耐药性的获得

在竞争实验中,Mps1i处理过的细胞群初始大量地减少,传代一段时间后会开始增加,逐渐超过未用Mps1i处理的细胞群并占据群体的主导性。这一现象的发生是因为什么呢?

Sheltzer教授作出了假设:用Mps1i处理会产生不同核型的初始细胞群;大多数非整倍体对细胞是有害的,在实验之初竞争不过未被处理的正常细胞群;但某些罕见的非整倍体可以促进癌细胞对特定药物的耐药性,在药物存在的压力下,拥有这些非整倍体的癌细胞就被筛选出来了。(图3A)


图3A非整倍体筛选模式图

为了验证这个假设,Sheltzer对不同竞争实验中的细胞进行了单细胞测序。

通过测序发现:在实验的第0天和第6天,Mps1i处理后的细胞异质性明显增加;在实验的第21天,Mps1i处理过的细胞群超过未处理的细胞群时,Mps1i处理后的细胞异质性下降,核型趋于稳定(图3B,C)。

同时,Sheltzer发现同一种抗癌药物在不同的遗传背景下可以选择出不同的非整倍体,而不是相似的核型(图3D,E)。


图3B-E Mps1i处理后不同时间点单细胞测序结果

Sheltzer进一步通过单细胞测序筛选出来了产生耐药性的多种核型(表1)。


表1 Mps1i 处理的细胞系的单细胞核型总结

这些非整倍体的出现是否能够重复使癌细胞产生耐药性?还是具有偶然性,并不会重复出现呢?

为了解答这一疑问,Sheltzer在p53-/-的RPE1细胞中分离出了两种核型的细胞,这两种是在紫杉醇培养中最常见的两种核型(Mono10c2,c4)(图4A,B)。同时,选择了一种在竞争实验中从未观察到的核型(Mono13)作为对照。然后,用这三种类型的细胞与它们的原始细胞进行竞争实验。

实验发现Mono13-RPE1细胞与正常细胞并没有明显差异;而Mono10-RPE1细胞在标准培养基中的竞争力明显降低;在含有紫杉醇的培养基中,Mono10-RPE1细胞丰度从46%增加到89%,这说明同一核型加速癌细胞产生耐药性的现象是可以重复的(图4C)。


图4 非整倍体造成的耐药可重复

那么,内源性的CIN是否具有同外源性CIN一样的作用呢?

Sheltzer分析了来自患者的异种移植物(PDX)的数据集,发现11%的“低CIN肿瘤”对治疗有明显的反应,而“高CIN肿瘤”中只有3%(图5A);69%的“高CIN肿瘤”在治疗后有进展性疾病,而“低CIN肿瘤”只有58%(图5B);在药物治疗时,“高CIN肿瘤”具有更短的生存期(图5D-F)。


图5A-F异种移植物(PDX)数据集分析结果

同时Sheltzer也分析了来自癌症基因组图谱 (TCGA) 的临床和拷贝数数据。由于无法测量TCGA样本的CIN,研究人员评估了基因组改变分数(FGA)作为指标。

通过分析发现,在观察期结束时,具有高FGA肿瘤的个体与低FGA肿瘤个体相比,其肿瘤还存在的可能性显著增加(图5G)。而高FGA也与结直肠癌、胶质瘤、前列腺癌和子宫内膜癌的疾病进展显着相关(图5H)。通过回归分析评估FGA与患者预后之间的关系,发现FGA与一些癌症的患者较短的生存期显著相关,如乳腺癌、急性髓系白血病、乳头状肾细胞癌等(图5I)。


图5G-I 癌症基因组图谱 (TCGA)数据集分析结果

这些研究发现,在没有使用 Mps1 抑制剂存在的情况下,高水平的内源性CIN与多种癌症类型的进展性疾病和治疗耐药性的增加相关

通过以上这些研究结果,我们可以将Mps1作为潜在的治疗靶点,开发相关的Mps1抑制剂作为新的肿瘤药物。但是,这些发现也提示临床上应谨慎使用Mps1抑制剂,以免无意中加速癌症患者耐药性的产生。


参考文献:

[1]Vasudevan A, Schukken KM, Sausville EL, Girish V, Adebambo OA, Sheltzer JM. Aneuploidy as a promoter and suppressor of malignant growth. Nat Rev Cancer. 2021;21(2):89-103. doi:10.1038/s41568-020-00321-1

[2]Dürrbaum M, Kuznetsova AY, Passerini V, Stingele S, Stoehr G, Storchová Z. Unique features of the transcriptional response to model aneuploidy in human cells. BMC Genomics. 2014;15:139. Published 2014 Feb 18. doi:10.1186/1471-2164-15-139

[3]Oromendia AB, Dodgson SE, Amon A. Aneuploidy causes proteotoxic stress in yeast. Genes Dev. 2012;26(24):2696-2708. doi:10.1101/gad.207407.112

[4]Donnelly N, Passerini V, Dürrbaum M, Stingele S, Storchová Z. HSF1 deficiency and impaired HSP90-dependent protein folding are hallmarks of aneuploid human cells. EMBO J. 2014;33(20):2374-2387. doi:10.15252/embj.201488648

[5] Lukow DA, Sausville EL, Suri P, et al. Chromosomal instability accelerates the evolution of resistance to anti-cancer therapies [published online ahead of print, 2021 Aug 2]. Dev Cell. 2021;S1534-5807(21)00592-X. doi:10.1016/j.devcel.2021.07.009

[6] Baudino TA. Targeted Cancer Therapy: The Next Generation of Cancer Treatment. Curr Drug Discov Technol. 2015;12(1):3-20. doi:10.2174/1570163812666150602144310

[7] Johnson SB, Park HS, Gross CP, Yu JB. Use of Alternative Medicine for Cancer and Its Impact on Survival. J Natl Cancer Inst. 2018;110(1):10.1093/jnci/djx145. doi:10.1093/jnci/djx145

[8] Sullivan RJ, Flaherty KT. Resistance to BRAF-targeted therapy in melanoma. Eur J Cancer. 2013;49(6):1297-1304. doi:10.1016/j.ejca.2012.11.019

[9] Chen G, Bradford WD, Seidel CW, Li R. Hsp90 stress potentiates rapid cellular adaptation through induction of aneuploidy. Nature. 2012;482(7384):246-250. Published 2012 Jan 29. doi:10.1038/nature10795

[10] Chen G, Mulla WA, Kucharavy A, et al. Targeting the adaptability of heterogeneous aneuploids. Cell. 2015;160(4):771-784. doi:10.1016/j.cell.2015.01.026

[11] Pavelka N, Rancati G, Zhu J, et al. Aneuploidy confers quantitative proteome changes and phenotypic variation in budding yeast. Nature. 2010;468(7321):321-325. doi:10.1038/nature09529

[12] Selmecki AM, Dulmage K, Cowen LE, Anderson JB, Berman J. Acquisition of aneuploidy provides increased fitness during the evolution of antifungal drug resistance. PLoS Genet. 2009;5(10):e1000705. doi:10.1371/journal.pgen.1000705

[13] Yang F, Teoh F, Tan ASM, Cao Y, Pavelka N, Berman J. Aneuploidy Enables Cross-Adaptation to Unrelated Drugs. Mol Biol Evol. 2019;36(8):1768-1782. doi:10.1093/molbev/msz104


责任编辑 | 代丝雨

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