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测序周报 · 科研篇：同期两篇《自然》揭示肿瘤内癌细胞交流和分工机制

测序中国 · 公众号 · · 2017-05-21 12:56

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本周关注

同期两篇《自然》揭示肿瘤内癌细胞交流和分工机制

来源：奇点网/朱爽爽

肿瘤究竟是如何在人体防御系统的严密监视下组建「黑窝点」的？它们真的是盲目疯狂的生长吗？它们是不是也有自己的「智慧」呢？

5月中旬，来自MIT的Tuomas Tammela博士团队和来自斯坦福大学医学院的Jing Shan Lim博士团队，同时在顶级期刊《自然》杂志上发表两篇重量级研究论文（1，2），揭示了肿瘤内部细胞之间，令人震惊的分工协作机制。更重要的是，透过这些复杂的机制，科学家也为癌症患者找到了更有效的治疗方法。

在我们看来，肿瘤就是一个肿块，我们很难看出肿瘤内部，甚至肿瘤之间存在差异。实际上，在一定程度上，肿瘤非常像一个胚胎。肿瘤细胞的分化命运也是有差异的。这就像胚胎的某些部分会分化成神经系统，有些会分化成心血管系统，有些会分化成呼吸系统。尽管肿瘤细胞的分化没这么彻底和明显。

肿瘤细胞的分化

来自MIT的Tuomas Tammela博士团队在研究已经进展到晚期的肺腺癌组织时发现，不管是小鼠肺腺癌组织，还是人的肺腺癌组织，里面至少存在两种不同类型的细胞。其中一类肿瘤细胞的Wnt信号通路非常活跃；而另一类细胞恰恰是生产Wnt蛋白的，同时还生产一种给Wnt蛋白加脂肪链尾巴的porcupine酶。这暗含了一种可能性，即后一类细胞激活了前一类细胞。

Wnt信号通路对人体胚胎的发育和成人肠道等组织的修复非常关键，它会激活细胞，让细胞进入增殖状态（3）。如果这个信号通路一直处于活跃状态，就意味着这个细胞一直处于分裂状态。而这恰恰是肿瘤组织需要的。

那么肺腺癌组织中的这两种细胞之间是不是存在信号交流呢？当研究人员在实验室中培养癌细胞时，他们发现仅有2.7%左右的癌细胞具有增殖能力。当他们把加了脂肪链尾巴的Wnt蛋白添加到培养液之后，具备增殖能力的癌细胞比例骤增。如果在培养液中添加的是porcupine酶抑制剂或者Wnt蛋白抑制剂，那么具备增殖能力的癌细胞比例则会下降。

Wnt信号激活促进Wnt反应细胞增殖

这就说明，至少在晚期肺腺癌组织中，癌细胞之间是存在不同分工的，有些细胞负责「加油助威、摇旗呐喊」，有些细胞收到信号之后进入野蛮生长状态。那么这种分工状态是何时开始的呢？

研究人员把目光收回到腺瘤时期，这个时期肿瘤呈现出良性状态，还不具备侵袭性。他们发现，只有腺瘤中存在表达porcupine酶和Wnt蛋白的细胞，这个腺瘤才具备转化为腺癌的能力。这意味着表达porcupine酶和Wnt蛋白细胞的出现，是腺瘤恶化的关键。只有形成分工，肿瘤组织才能走向更高级的形态。

随后，研究人员在胰腺导管腺癌肿瘤组织、结肠腺瘤以及结直肠癌肿瘤组织内检测出了Wnt蛋白表达细胞。这表明Wnt通路不仅在肺腺癌肿瘤组织内维持一部分细胞的增殖活性，也存在于其他上皮组织肿瘤内。

Wnt信号通路的效应机制

知道了这一点，Tammela博士团队就开始想办法利用这一点。他们发现，在患有晚期肺腺癌小鼠体内使用porcupine抑制剂，可以显著抑制肿瘤的生长和增殖，竟可以使小鼠的生存期延长50%，而且更重要的是porcupine抑制剂显著抑制移植的癌细胞在受体小鼠内的增殖（1）。也就是说，抑制Wnt通路不仅抑制癌细胞的增殖，还能抑制初期肿瘤的发展。

Tammela博士团队在肺腺癌组织中发现的细胞之间的分工已经让人惊叹了，然而Lim博士团队在小细胞肺癌的发现简直让人尖叫。那么小细胞肺癌的细胞之间是如何分工合作的呢，它们又是如何联系的呢？

这就涉及到Notch通路了。其实科学家对Notch通路的研究已经有100多年了（5），已有研究表明Notch通路既能促进癌症也能抑制癌症（4），但是Lim博士在小细胞肺癌内更具体的阐明了这一机制。那么Notch是如何影响小细胞肺癌发展的呢？

小细胞肺癌是由神经分泌细胞（NE）发展而来的。但是Lim博士最开始却在小细胞肺癌内发现了两种细胞，一种是分泌Notch配体的NE，另一种是分泌Notch受体的非神经内分泌细胞（non-NE）。那么non-NE是哪儿来的呢？

后来，研究人员发现NE细胞中一部分细胞可以同时分泌Notch配体和受体。并且激活Notch通路后，分泌Notch配体的NE细胞作用与相邻同时分泌Notch配体和受体的NE细胞，导致占肿瘤细胞总数约10%-50%的同时具备Notch受体和配体的NE转化为non-NE，并且这种转化是不可逆的（2）。

激活Notch通路NE转化为non-NE同时non-NE促进NE增殖而Notch抑制剂（Tarextumab）可以抑制non-NE生成，化疗可以抑制NE增殖

这就奇怪了，正常情况下， NE细胞才是小细胞肺癌的生长以及侵袭的主力。而NE细胞转化为non-NE后，增殖能力大大减弱。更重要的是，这种转化是由NE细胞自发完成的。难道说肿瘤会傻到主动削弱自己？

原来事情并没有这么简单。通过将从小细胞肺癌中提取的NE与non-NE一起培养发现，两种细胞一起培养增殖能力大大提高，而将二者分开培养，则增殖能力被极大的削弱。而在单独NE培养基中加入non-NE的提取液，也能显著促进NE的增殖。同时nonNE提供的生长促进作用不会被Notch通路抑制剂阻断。也就是说NE的增殖是由non-NE中的某种物质产生的。

这表明肿瘤组织并不是在傻傻地主动削弱自己，而是在曲线救国。随后研究人员在nonNE以及病人血浆中检测到一种常见的促生物质肝素结合细胞因子（2）。这种物质是胶质细胞分泌的，促进神经细胞生长的物质。也就是说当NE上的配体与non-NE上的受体结合后，NE就会促进non-NE分泌肝素结合因子用于自己增殖。这就厉害了，机制的肿瘤组织还会给自己的主力准备后勤。

这还不算，更厉害的是，non-NE还会帮主力挡子弹。研究人员发现在化疗过程中，non-NE还与小细胞肺癌耐药显著相关。并且在一组小细胞肺癌病人内发现non-NE在化疗预后较差病人肿瘤组织数量大大增加，同时，在肿瘤异种移植模型里，用Notch抑制剂与化疗联合用药达到了超过二者单独使用的更好的效果。并且non-NE数量更少。

不同治疗方案下肿瘤生长速度（从上到下依次是安慰剂，Notch抑制剂，化疗，化疗加Notch抑制剂）

这就很关键了，机智的肿瘤组织，利用Notch通路主动将NE转化为non-NE原来是为了利用non-NE来分泌营养物质促进NE细胞的增殖从而更利于自己的生长，而且还能利用non-NE做炮灰，从而更利于自己的生存。

搞清楚这些之后，研究人员便进行了临床实验测试Notch抑制剂的效果。结果在一期临床中发现Notch抑制剂tarextumab联合治疗侵袭期小细胞肺癌，可以提高患者总生存期和无进展生存期（NCT01859741）。但是这一现象在二期临床并没有看到。可能是tarextumab联合治疗对早期小细胞肺癌患者更有效（数据未公开）。

这就很清楚了，对Wnt与Notch两个通路的深入探索，让我们对肿瘤的内部机制有了更加清楚的认识。这也为癌症的治疗开辟了新的方向。例如在肺腺瘤时期使用Wnt抑制剂可以抑制其恶化。在化疗耐药的小细胞肺癌患者可以联合使用Notch抑制剂，而对由NE过度繁殖的小细胞肺癌，我们也能通过激活Notch通路来抑制其生长。正所谓知己知彼才能百战百胜，对癌症更深入的了解更有利于我们对抗癌症。

参考资料：

1. Tammela T, Sanchez-Rivera F J, Cetinbas N M, et al. A Wnt-producing niche drives proliferative potential and progression in lung adenocarcinoma[J]. Nature, 2017.

2. Lim J S, Ibaseta A, Fischer M M, et al. Intratumoural heterogeneity generated by Notch signalling promotes small-cell lung cancer[J]. Nature, 2017.

3. Clevers, H., Loh, K. M. & Nusse, R. An integral program for tissue renewal and regeneration: Wnt signaling and stem cell control. Science 346, 1248012 (2014)

4. Koch, U. & Radtke, F. Notch and cancer: a double-edged sword. Cell. Mol. Life Sci. 64, 2746–2762 (2007).

5. Ntziachristos, P., Lim, J. S., Sage, J. & Aifantis, I. From fly wings to targeted cancer therapies: a centennial for notch signaling. Cancer Cell 25, 318–334 (2014).

本周科研进展

日前，来自杜克大学的最新研究发现，肠道微生物可以通过操控动物细胞的分子机制来控制宿主，激活保持机体健康或引发疾病的基因表达模式。据悉，这项研究在斑马鱼和小鼠细胞中进行，其研究结果对人类的炎性肠病具有重大意义，例如克罗恩病和溃疡性结肠炎。研究结果发表在Genome Research杂志上。
5月18日，两篇新的研究同时刊登在了《自然》杂志上。经过20年的努力，科学家们终于成功地将成熟细胞转化为了具有功能性的造血干细胞样细胞！这意味着干细胞领域再次取得了不小的突破。《自然》杂志也为这两个研究撰写了评论文章，指出这些成果为白血病和其他需要骨髓移植的，但又找不到合适供体的血液疾病患者带来了希望。
近日,英国Nature出版社子刊Scientific Reports在线发表了浙江大学医学院附属第一医院李明定教授和他的学生马云龙博士最新研究成果——首次利用系统生物学的方法探讨吸烟如何导致癌症发生的表观遗传学机制，证明了吸烟可以通过改变DNA甲基化而导致癌症的发生，为预防和治疗由吸烟而导致的癌症提供了很好的基础和潜在的分子靶标。
《自然通讯》杂志发表了致命吸血虫的主要中间宿主之一——光滑双脐螺（Biomphalaria glabrata）的全基因组序列分析结果。研究人员表示，这些信息将有助于消灭曼氏血吸虫病，这是一种由栖息于溪流和池塘的寄生虫感染引起的疾病。在亚热带和热带地区，曼氏血吸虫病危害巨大，每年受其影响的人数可达数百万。
最近，中科院武汉病毒研究所研究员崔宗强与中科院生物物理研究所研究员张先恩合作，利用量子点标记转录激活子样效应因子（TALEs）探针，在活细胞内单拷贝基因荧光标记与成像方面取得突破，实现了单拷贝整合态HIV前病毒DNA原位标记、动态成像和3D定位分析。研究成果近日发表于《自然通讯》，马英新和王明秀为论文共同第一作者。
根据美国西北大学费恩柏格医学院、麦考密克工程学院的研究人员开展的一项新的研究，全新的三维打印（即3D打印）器官如今包括当植入到雌性小鼠体内时能够排卵的卵巢结构。通过移除雌性小鼠的卵巢，并且利用三维打印卵巢（卵巢假体）替换它，这些小鼠不仅能够排卵，而且也能够产下健康的幼鼠。相关研究结果于2017年5月16日在线发表在Nature Communications期刊上。
转移是结直肠癌最常见的死亡原因之一。然而，一直以来都没有能够研究结直肠原发肿瘤转移的有效方法。近日，麻省理工学院（MIT）的研究人员使用CRISPR基因编辑技术在小鼠体内生成了结直肠肿瘤。这种肿瘤会扩散到肝脏，与人类结直肠癌的行为十分相似。这项研究成果可以帮助科学家更深入地了解肿瘤进展情况，测试新的癌症疗法。
近日，来自美国西北大学的研究人员通过研究鉴别出了对驱动胚胎早期发育的一系列基因激活至关重要的两个DNA元件，而且这些DNA元件在癌细胞的发育产生过程中也扮演着重要的作用，相关研究刊登于国际杂志Genes & Development上。
日前，英属哥伦比亚大学卓越教学中心的研究人员开发了一种基于高通量测序的丙型肝炎病毒检测方法，该方法可鉴定产生耐药的病毒变种。研究人员表示，该检测方法还可进行病毒分型，是PCR、杂交和基于Sanger平台检测技术的有力补充。与传统检测方法，基于NGS的检测方法具有更佳的检测范围及碱基分辨率。
在一项新的研究中，对人细胞中的蛋白是如何分布的首个分析结果揭示出大部分人蛋白能够在一个给定的细胞中的一个以上位置发现到。利用位于瑞典的细胞图谱，研究人员研究了人蛋白质组（对应着绝大多数蛋白编码基因）的空间分布，而且他们史无前例详细地描述了蛋白在多个细胞器和细胞亚结构中的分布。相关研究结果于2017年5月11日在线发表在Science期刊上。

【新技术】

1. chimeraviz: A tool for visualizing chimeric RNA.Lågstad S et al.Bioinformatics. 2017 May 19.

2. Computational approaches for interpreting scRNA-seq data.Rostom R et al. FEBS Lett. 2017 May 19.

【动物】

1. Differentially expressed JAK-STAT signaling pathway genes and target microRNAs in the spleen of necrotic enteritis-afflicted chicken lines. Truong AD et al. Res Vet Sci. 2017 May 13

【微生物】

1. Evaluating the association between body weight and the intestinal microbiota of weaned piglets via 16S rRNA sequencing.Han GG et al.Appl Microbiol Biotechnol. 2017 May 18.

2. Diagnostic performance of Anyplex II MTB/MDR/XDR for detection of resistance to first and second line drugs in Mycobacterium tuberculosis.Pérez-García F et al.J Microbiol Methods. 2017 May 13.

3. Chromosomal features of Escherichia coli serotype O2:K2, an avian pathogenic E. coli.Jørgensen SL et al.Stand Genomic Sci. 2017 May 10

【肿瘤】

1. Overexpression of a novel candidate oncogene KIF14 correlates with tumor progression and poor prognosis in prostate cancer.Zhang Y et al.Oncotarget. 2017 May 2.

2. CD36-positive B-lymphoblasts Predict Poor Outcome in Children With B-lymphoblastic Leukemia.Newton JG et al.Pediatr Dev Pathol. 2017 Jun

3. The Growing Challenge of Young Adults With Colorectal Cancer.Weinberg BA et al.Oncology (Williston Park). 2017 May 15

4. Integration of phytochemicals and phytotherapy into cancer precision medicine.Efferth T et al.Oncotarget. 2017 Apr 27.

5. A systematic analysis of oncogenic gene fusions in primary colon cancer.Kloosterman WP et al.Cancer Res. 2017 May 16.

6. Characterization of genetic aberrations in a single case of metastatic thymic adenocarcinoma.Lee Y et al.BMC Cancer. 2017 May 15

7. Application of Panel-Based Tests for Inherited Risk of Cancer.Shah PD et al.Annu Rev Genomics Hum Genet. 2017 May 15.

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