观察癌细胞通过染色体不稳定性进化

癌细胞的基因组中充满了突变(个体核苷酸错误)，其中一些可能通过激活称为癌基因的肿瘤促进基因或通过关闭属于一类称为肿瘤抑制因子的基因来促进癌症的生长。对抗癌症。然而，可以说更重要的是在更大规模的肿瘤细胞中发生的基因组异常。例如，这样的细胞可能包含异常数量的整个染色体(称为非整倍性的情况)。随着肿瘤的发展，相邻癌细胞之间的染色体异常可能不同。这表明染色体变化可以通过在每次细胞分裂期间重复的染色体“改组”发生，导致基因组变化的高速率，称为染色体不稳定性。

分析从肿瘤中新分离的细胞的技术困难以前阻止了研究人员确定肿瘤中是否存在染色体不稳定性。写自然遗传学，Bolhaqueiro等。1报告此类数据，揭示人类结直肠癌细胞中正在进行的染色体不稳定性。

已知超过20年，大多数结肠直肠癌中的细胞的染色体数目2不同，这归因于染色体不稳定性。近90%的实体瘤具有一定程度的染色体不稳定性3。肿瘤细胞基因组的这种连续改变被认为有助于细胞快速适应抗癌疗法的效果。基因改造的高层经常与不良预后相关的谁得了癌症的人4，5。因此，人们对获得染色体不稳定性的清晰图像非常感兴趣，例如确定负责机制，发生这种变化的速率以及它在单个肿瘤中如何发展。

然而，鉴于染色体不稳定性是一个动态过程，它不能仅通过通常可用的肿瘤基因组的分离的DNA分析“快照”进行充分评估。到目前为止，许多实验室工作的照明所涉及的速率和机制骨架的6-8已经基于其中已经从肿瘤的去除细胞生长在塑料盘中，通常作为一个2D单层实验，并且这些细胞通常在文化中保持多年。

这些2D模型系统在其原生环境中生长的肿瘤的代表性尚不清楚。细胞培养系统，可以使3D生长，例如使用细胞称为类器官的团块已经开创作为镜像肿瘤环境更精确地比使用2D系统的一种方式6，9。实际上，当通过在2D单层中培养细胞而丧失围绕非癌细胞的正常组织结构时，这足以促进容易出错的细胞分裂10。然而，如果细胞生长为类器官10，则不会发生异常细胞分裂。

为了研究活细胞中的染色体不稳定性，Bolhaqueiro等。分离人结直肠肿瘤细胞样本，直接培养细胞作为类器官。通过遗传工程改造细胞以表达荧光DNA结合蛋白，作者可以进行实时成像以评估细胞分裂过程中的染色体行为(图1)。他们还进行了定期的单细胞DNA测序，以追踪染色体数量和结构(染色体上DNA序列的顺序)随时间的变化。

作者发现，分裂的癌细胞经常在子细胞之间染色体的分割作出错误，确认使用二维系统先前获得的结果7，8。他们没有观察到由健康结肠组织制成的类器官中的这种错误，表明实验系统本身不会引发这种错误。这些分区缺陷表明染色体不稳定的持续过程。作者通过研究来自单个肿瘤细胞的类器官来测试是否是这种情况，该类器官随着器官生长和进化而被监测(图1)。在该实验期间的不同时间进行单细胞DNA测序证实存在染色体不稳定性。

以前很难评估在原生环境中产生这种不稳定性的机制。Bolhaqueiro及其同事的类器官模型尽可能地代表了这种模式。作者指出，大多数染色体分配错误是由染色质桥的形成引起的，其中染色体或其中的一部分在细胞分裂的最后阶段在细胞DNA的两个分离质量之间被拉伸。这种错误表明在细胞分裂之前发生的染色体复制期间的结构变化，并且已经在结肠直肠癌细胞的2D单层中观察到8。

关于癌症中染色体不稳定的原因存在很多争议。染色质桥可能由于细胞分裂过程中的其他缺陷而出现，并且使用类器官模型进一步深入分析以研究这种染色体分配缺陷的特定性质以及任何其他异常细胞分裂过程可能揭示这一点。

人类结肠直肠癌的一个子集不具有染色体不稳定性的常见标志，尽管它们具有高水平的核苷酸突变(称为微卫星不稳定性)，但它们具有正常或几乎正常的染色体数目，并且细胞之间几乎没有染色体差异。Bolhaqueiro等。令人惊讶的发现是，这种结直肠癌亚型的某些类器官在细胞分裂过程中也有明显的染色体错误率。Bolhaqueiro及其同事从肿瘤组织临床样本中获得的单个细胞的DNA测序显示，染色体不稳定性可能与同一肿瘤中的微卫星不稳定性一起发生。这些肿瘤中染色体不稳定性的低水平可能阻碍了其在不使用单细胞测序方法的早期大量DNA测序方法中的检测。

Bolhaqueiro等。还注意到，对于每个单独的类器官，在细胞分裂期间细胞在染色体分配中产生错误的次数与在类器官中细胞之间的染色体数目的变异水平之间仅存在弱相关性。如果某些类器官对染色体分区错误的反应存在差异，那么这种差异就有意义了。活细胞成像确实揭示了染色体数目具有高变异性的类器官在细胞分裂期间比具有低染色体数目变异性的类器官更能够承受错误。如果在染色体数目变异性低的类器官中发生这种错误，那么细胞分裂经常停止或细胞死亡。

这些结果表明，肿瘤细胞中染色体数目的变异性是染色体不稳定性发展速度和给定肿瘤类型细胞耐受染色体数目或结构11进一步变化的能力的结果。控制肿瘤是否耐受非整倍性的因素仍然是未知的。更好地理解这一点可能会揭示开发新疗法的潜在目标。

随着有机体模型系统的使用变得更加普遍，可以直接比较在3D和2D培养中获得的结果的实验​​将有助于确保针对所涉及的特定研究问题和实验方法选择适当的培养系统。这样可以在不同组的结果之间进行更直接的比较。关于Bolhaqueiro及其同事的工作，如果使用2D生长系统，了解观察到的染色体不稳定性和非整倍性是否会有所不同将会很有趣。

了解2D单层系统中先前的代表性是如何体内发生的，以及可能需要使用类器官重新评估哪些问题也将是有帮助的。例如，尽管正常的3D组织结构可能对于防止非癌细胞中细胞分裂过程中染色体不稳定至关重要，但如果癌细胞已经失去了正常的检查点以对抗错误的细胞分裂过程，那么这种细胞将是可能的。无论它们是在2D或3D系统中生长，都表现出类似的染色体不稳定性的速率和机制。如果是这样，可能只需要进行类器官研究来确认那些在2D系统中进行的研究，而不是必要的。

最后，非整倍体正在成为可能的早期事件驱动肿瘤演进12，13，但有关在肿瘤发展的初始阶段的频率和类型的染色体不稳定性的是极其有限的。如果类器官可用于检查这些初步阶段的染色体不稳定性，或研究可能正在形成癌症的途径的异常细胞(称为前体病变)，这无疑会产生许多令人着迷的见解。