Nature揭秘癌细胞中的古怪事件

　　

生物通报道  在针对癌症的基因组概貌展开调查的过程中，研究人员发现了某些肿瘤细胞中的一种古怪的现象：一条或数条染色体中存在着大规模的DNA重排，这被认为是在一次细胞过程中产生。在一项新研究中，来自Dana-Farber癌症研究所的科学家们阐明了这种突然的、孤立的遗传物质洗牌现象——染色体碎裂（chromothripsis）是如何产生的（延伸阅读：Cell、Nature：染色体碎裂与癌症 ）。相关论文发表在《自然》（Nature）杂志上。

他们通过对单细胞进行实时视频成像，以及对这些细胞的基因组进行测序（研究人员将两者组合命名为Look-Seq）获得了这一研究发现。Look-Seq技术使得科学家们能够看到一些特异基因或染色体发生的改变是如何影响细胞行为的——这是对了解基因功能机制至关重要的信息。

论文的资深作者、Dana-Farber癌症研究所、哈佛-麻省理工Broad研究所及霍华德休斯医学研究所的David Pellman博士说：“只有3-5%的癌细胞显示染色体碎裂迹象，然而其发生的机制一直是一个谜。这些细胞具有两个鲜明的特征：单条染色体或多条染色体遗传物质广泛的混乱，就好像DNA被切碎，随意地缝合在了一起；在受累染色体中存在一种古怪的‘凹槽状’DNA数量模式——包含完整DNA的部分与缺失DNA拷贝的部分交替出现。”

Pellman说：“这种情况是否可能以一种达尔文方式发生，在多次细胞分裂中缓慢获得这些改变，一直是一个问题。而有证据表明这是一个一步到位的事件。”

在这项研究中，Pellman和同事们追踪染色体碎裂至细胞分裂中的一次故障，它导致了新形成的一个子细胞缺少染色体，而另一个子细胞获得了一条额外的染色体。这条多余的染色体并不总是和细胞核中其他的染色体在一起，它滞留在细胞的别处，获得了自己的微膜，形成了一个“微核”。在细胞分裂后，这一微核会破裂，有可能暴露出内部的染色体让其遭到损伤。随后这条染色体被吸收到细胞核中，将它的不完整的DNA编入到细胞的遗传编程中。

理论上，微核为染色体碎裂过程提供了完美的环境。染色体中粉碎的微核中释放出来可导致这条染色体——并且只有这条染色体经受DNA损伤。这条染色体或许丢失了一些DNA片段，而剩余的片段则被随意地缝合到一起。这样随意的重组可以解释受累细胞单条染色体中DNA拷贝数的异常波动。

Pellman说：“微核的形成和破裂似乎满足了染色体碎裂发生的一切条件。”为了看看它是否实际地解释了癌细胞中发生的事件，Pellman和同事们着手在实验室中重现染色体碎裂。

研究人员用一种可以刺激微核形成的药物处理了细胞。他们随后收集了真正形成微核的细胞，在显微镜下观看了它们的实时图像。这使得他们鉴别出了在细胞周期的一个关键阶段微核发生了破裂的细胞。

在这些细胞发生一次分裂后，研究人员分选了成对的子细胞，寻找没有微核的细胞。在这样的细胞中，一度被隔离在微核中的染色体被推测在微核破裂时逃脱了，重新加入到细胞核的伙伴染色体中。随后他们对这些无微核的细胞进行了遗传测序。

研究人员推测，如果染色体碎裂是微核形成和破坏所导致，它应该只发生在细胞其中的一个子细胞中——这个细胞获得了以往被包裹在微核中的一条染色体。相比于姊妹细胞，受累的子细胞因此会有更多拷贝的某些DNA部分。

当Pellman研究小组对来自具有微核的9个细胞的成对子细胞进行基因测序时，他们确切发现了这种不平衡：每对子细胞中的一个细胞至少有一条染色体在某些位点上有额外拷贝的DNA，而另一个子细胞则没有。

研究人员随后测试了他们的推测：DNA重排局限于一度擅离职守，后又与伙伴重聚的染色体。他们发现在9对测序子细胞中，有8对细胞这样的重排确实集中在那条特殊的染色体。

Pellman 说：“通过迫使细胞形成微核，我们衍生出了重演染色体碎裂所有特征的子细胞。这一令人信服的证据表明，这一过程是在某些癌症中发生染色体碎裂的主要机制。”

“这些研究结果支持了我们实验室的早期研究，表明在细胞分裂之前完整染色体发生错误分离可以造成DNA重排，导致遗传突变——这有可能在癌症发生中发挥了作用。我们还证实这一Look-Seq技术是探索遗传和分子改变与细胞行为之间关系的一种强大的方法。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Chromothripsis from DNA damage in micronuclei

Genome sequencing has uncovered a new mutational phenomenon in cancer and congenital disorders called chromothripsis. Chromothripsis is characterized by extensive genomic rearrangements and an oscillating pattern of DNA copy number levels, all curiously restricted to one or a few chromosomes. The mechanism for chromothripsis is unknown, but we previously proposed that it could occur through the physical isolation of chromosomes in aberrant nuclear structures called micronuclei. Here, using a combination of live cell imaging and single-cell genome sequencing, we demonstrate that micronucleus formation can indeed generate a spectrum of genomic rearrangements, some of which recapitulate all known features of chromothripsis. These events are restricted to the mis-segregated chromosome and occur within one cell division. We demonstrate that the mechanism for chromothripsis can involve the fragmentation and subsequent reassembly of a single chromatid from a micronucleus. Collectively, these experiments establish a new mutational process of which chromothripsis is one extreme outcome.