《Nature》封面文章：確認染色體不穩定性推動癌症轉移！

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染色體不穩定性是癌症的標誌之一，它是由於有絲分裂過程中染色體分離持續出現錯誤而所致。染色體不穩定性是腫瘤演進的主要驅動因素，而今日《Nature》的封面文章就闡述了染色體不穩定性可以通過維持對細胞質DNA的腫瘤細胞自主反應來促進癌症轉移。

染色體不穩定性（CIN）與腫瘤轉移有著很大的相關性。染色體不穩定的細胞顯示細胞分裂後期染色體錯誤分離，而這則為靶向CIN並探測其對癌症轉移的選擇性貢獻提供了思路。通過過度表達非運動微管解聚驅動蛋白家族蛋白KIF2B或KIF2C（也稱為MCAK，一種參與染色體分離的蛋白）直接抑制染色體不穩定細胞中的CIN。 過度表達KIF2B或MCAK的細胞繼續增值。 因此，這種方法允許直接實驗性檢測CIN。

這篇文章作為新一期的《Nature》封面文章，題目為「Chromosomal instability drives metastasis through a cytosolic DNA response。」

1、在人類癌症轉移患者中，CIN水平增高

首先，為了確定CIN是否與人類轉移相關，研究人員使用加權基因組完整性指數（wGII）作為CIN8的替代指標，對79對匹配的原發性腫瘤和腦轉移瘤進行研究。結果顯示轉移wGII高於原發腫瘤。

人類癌細胞轉移中富含CIN

接下來，通過對原發性乳腺腫瘤和轉移灶的核型分析，其結果顯示原發性腫瘤中偏向近二倍體核型。相反地，轉移偏向於具有近三倍體核型，每個染色體畸變數量是原發性腫瘤的兩倍。核型範圍在二倍體和四倍體範圍內的腫瘤樣品中染色體畸變數最高。

最後，對局部晚期頭頸部鱗狀細胞癌患者原發腫瘤的組織學分析顯示，後期染色體錯誤分離與淋巴結轉移發生率存在顯著的相關性。

2、CIN是癌細胞轉移的驅動力

為了確定CIN是否參與轉移，研究人員使用了可移植的人類轉移性腫瘤模型或小鼠三陰性乳腺癌和人類肺腺癌（H2030），其中分別顯示染色體錯誤分離的證據。過表達KIF2B或MCAK抑制染色體錯誤分離，而過度表達的顯性陰性MCAK突變體12（dnMCAK）導致癌細胞中染色體錯誤分離的適度增加。KIF2B或MCAK的過度表達不改變細胞增殖或每個細胞的中心體數量。研究人員將表達MCAK或KIF2B的細胞稱為CIN-low，並將表達KIF2A或dnMCAK的細胞稱為CIN-high。

CIN是癌細胞轉移的驅動力

轉移癌細胞的核型分析顯示廣泛的非整倍體（約3n）染色體含量和廣泛的核型異質性。 CIN的抑制減少了單細胞來源克隆中的數量和結構核型異質性，由於存在較少染色體表現出非克隆性結構異常，在CIN-low細胞中染色體數目異質性降低。值得注意的是，CIN-low細胞保持非整倍體染色體核型，但可穩定繁殖。因此，通過比較染色體上穩定的非整倍體細胞與染色體不穩定非整倍體，研究人員可以通過實驗研究獨立於非整倍體的CIN在轉移中的作用。研究顯示CIN-low細胞的許多轉移發生上皮化，轉移不明顯，而CIN-high細胞轉移則涉及多個器官，並迅速發展，導致死亡。

3、CIN產生細胞質DNA

為了更好地定義CIN反應途徑，研究人員使用scRNA數據進行了基因相關分析，並確定了兩個大的基因模塊：模塊1的特徵是增殖和代謝途徑，而模塊2包括EMT和炎症基因集。 在scRNA-seq和bulk RNA-seq數據中炎症相關的CIN標籤和EMT基因之間存在強烈的正相關。

研究人員研究了CIN是否可能將基因組DNA導入胞漿中，從而引發通常用於抗病毒免疫的細胞反應。 基因組DNA暴露於細胞溶質可能是由於原核或微核包膜破裂造成的。研究人員使用具有核定位信號的基因進行活細胞成像，發現CIN水平與 基因在無限制條件下泄漏到細胞質中的頻率相關。 在CIN高細胞中甚至有更有效的原核修復的趨勢。 CIN高的胞核僅在受限的遷移過程中更頻繁地破裂。

為了確定錯誤分離的染色體是否提供了細胞質DNA的來源，研究人員使用了在染色體上穩定的結直腸癌細胞中建立的可誘導的Y染色體特異性錯誤分離系統。其研究揭示了在強力黴素和生長素處理誘導的染色體錯分離後兩天，Y染色體選擇性地併入微核中。

4、胞質DNA反應的轉移

在染色體穩定的細胞中，細胞溶質雙鏈DNA很少，並被cGAS-STING途徑感知，導致I型干擾素刺激基因（ISG）的誘導。通過腫瘤細胞非自主機制在腦轉移中引起癌細胞的cGAS激活。批量RNA-seq數據揭示了為響應CIN（CIN響應性NC-NF-κB基因）而被上調的非經典的NF-κB靶基因。 CIN，STING和scRNA-seq數據中的CIN反應性NC-NF-κB基因之間存在強相關性，而CIN和I型干擾素靶標之間的相關性較弱。

類似地，資料庫中來自原發性乳腺癌的RNA-seq數據顯示在具有較高水平的CIN標記的基因產物的腫瘤中CIN反應性NC-NF-κB基因的表達增加，並且非經典NF- κB途徑與乳腺癌和肺癌中存活延長相關。

相反，經典NF-κB或I型干擾素調節因子的表達增加與改善的預後相關。 研究人員發現STING和下游非典型NF-κB活性介導的轉移以自主的方式表現出來。 相反，cGAMP的加入增加了CIN-low細胞的侵襲和遷移。這些發現與EMT中非經典NF-κB通路，細胞侵襲和轉移的作用相一致。 非典型途徑的益處可能證明乳腺癌和肺癌中cGAS和STING的失活性突變缺乏。

胞質DNA反應的轉移

研究人員揭示了CIN，細胞質DNA感應通路的慢性激活和轉移之間的聯繫。 除了加劇染色體異質性之外，還需要持續的染色體錯誤分離來補充細胞質DNA並使細胞維持在促進轉移狀態。因此，即使在高度非整倍體細胞中，抑制CIN也可減少轉移。 STING激活的影響是依賴於上下傳導通路的協調激活。

CIN的出現和隨後的耐受是腫瘤演化過程中的一個重要節點。 該研究發現，CIN誘導癌細胞從高度代謝狀態到間充質狀態的轉錄轉變。 從轉移性腫瘤的泛癌基因組分析解釋了非整倍體在早期腫瘤發生的機制。 這些發現認為，CIN驅動以EMT和炎症為特徵的人類轉移瘤的形成。

參考資料：Samuel F. Bakhoum, Bryan Ngo, Ashley M. Laughney, Julie-Ann Cavallo, Charles J. Murphy, Peter Ly. Chromosomal instability drives metastasis through a cytosolic DNA response.

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