《自然》子刊：海拉細胞，你變了！華人科學家分析13個著名實驗室海拉細胞發現，它們或已進化成新「物種」，癌症研究現危機丨科學大發現

2016年，《自然》雜誌做的一項調查顯示，超過70%的研究者稱無法再現其他科學家的實驗[1]。這讓科學界出現了「再現危機」，也嚴重阻礙了科學的進步和科研成果的轉化。

去年8月，我們曾報道，科學家在資料庫中發現，科研機構的癌細胞系竟然在偷偷進化，甚至對藥物的反應也產生了大幅度的變化，嚴重影響了抗癌藥物的研發。這絕對值得科研人員警惕。

最近，耶魯大學的劉延盛實驗室和蘇黎世聯邦理工大學的Ruedi Aebersold實驗室合作，對6個國家13個頂級實驗室的海拉細胞系（一種使用最廣泛的癌症細胞系），進行細緻的分析，發現不同實驗室的海拉細胞系從基因組到轉錄組，再到蛋白組和細胞表型，都發生了翻天覆地的變化。

比如，對於同一種海拉細胞系，在同樣培養條件下，細胞數量翻倍所需要的時間竟然存在成倍的差距。其他生理功能，如對細菌感染的反應也截然不同。甚至細胞只要多傳一兩代，整個「胞」就都變了樣。相關研究發表在頂級學術期刊Nature Biotechnology上[2]。

左：劉延盛 右：Ruedi Aebersold

這項研究將實驗無法再現的擔憂推到了另一個層次，也提醒還在實驗室辛辛苦苦用細胞系篩葯、研究機制的同學們注意了，用差異如此巨大的材料去做實驗，怎麼可能做出一致結果！（文章後面有作者提出的應對措施）

《自然》提出「再現危機」時，確實讓學術界慌了神，如此大面積的實驗無法再現，那直接動搖科學界的根基了。

如果是說出現了大規模的造假，那顯然是太過陰謀論了，畢竟學術界一向是對學術不端零容忍的。況且這些年來，科技的進步對世界的改變有目共睹。

那究竟是什麼原因造成了這個結果呢？

生物學研究，尤其是癌症研究，大部分都是從細胞系從出發的。而細胞材料本身的變化肯定是一個核心影響因素。

比如之前就有報道稱，有科研機構的細胞系標籤打錯，影響了無數實驗室的研究[3]。

打錯標籤，在哪裡都存在......

當然，還有更重要的一個問題，那就是細胞系自身基因組變異的問題了。畢竟不同地方細胞的培養條件都不同，而細胞經過反覆傳代，遺傳物質也會有變化。例如，我們開頭所提到的癌細胞系的進化。

而說到細胞系，海拉細胞系大家一定最熟悉了。從上世紀50年代以來，海拉細胞系在世界各個實驗室中「流傳」。目前，已有超過100000篇論文的研究使用或直接引用了來自海拉細胞系的實驗結果[2]。可見海拉細胞影響之大。

那這些使用廣泛的海拉細胞系之間到底有多大差別呢？我們並不清楚。這個問題迫切需要闡明。

對此，劉延盛博士帶領的聯合團隊進行詳細的研究。他們從各大實驗室搜集了海拉細胞系，利用基因晶元技術（微陣列比較基因組雜交技術）、轉錄組測序以及蛋白質譜技術等，對這些細胞系進行分析，並且還測量了細胞的各種生理表型，系統地比較了各細胞系的差異。

首先是基因組的變化。研究人員發現不同實驗室的海拉細胞系之間，在基因組結構上就有很大的差異。很多細胞中，基因的拷貝數都不一樣，甚至染色體倍數都發生了改變。染色體數量改變，那隨隨便便就影響上千個基因了。

不同來源的海拉細胞系基因拷貝數差別明顯

基因表達譜的變化更明顯。科學家讓所有的細胞系都處於靜息狀態，不給刺激，然後進行轉錄組和蛋白組測序，比較了海拉細胞系的兩種類型：CCL2和Kyoto的表達譜，定量分析了11365個轉錄本、5030種蛋白的水平。通過主成分分析表明，兩種細胞系的表達譜在各個層面都有顯著差異。

從mRNA到蛋白質，差異明顯

不僅如此，比較同一個來源但不同代數的海拉細胞系，發現12代的細胞與14代的細胞之間竟然有731個基因的表達存在顯著差異，並且有166個反應到了蛋白水平上。而第七代與第50代之間的差異就更大了，整合素信號通路、內切酶活性的調控通路、炎症反應通路這些非常基礎的功能，都有大幅的改變。用不同代的細胞系做實驗的同學可得注意了。

基因組——轉錄組——蛋白組都有大量變化，那細胞本身的生理表型也就不可避免的會改變了。

研究人員對不同來源的細胞系進行培養，發現細胞數量翻倍所需的時間，竟然從17.5個小時到32.3個小時不等。而這些細胞中，63種細胞周期相關蛋白的表達也差異明顯。

不同來源的海拉細胞，複製速率差異巨大

隨後，研究人員用沙門氏菌感染不同的來源、不同代數的海拉細胞系，發現感染率有很大的不同。而在應對細菌感染時，不同細胞系表達的蛋白差別很大，如下圖。

左圖：不同細胞的感染複數 右圖：不同細胞感染後蛋白表達的差異

事實上，這一項研究無法窮盡不同來源細胞系之間的差異，但結果仍然讓人觸目驚心。

本研究是重點關注了海拉細胞系，但這不意味著其他細胞系就沒有問題，比如我們另一篇文章中提到了MCF-7乳腺癌細胞系[4]。因此，細胞系的變異問題可能是一個普遍的現象，如果不加以重視，可能會嚴重阻礙生命科學和醫學的發展。

對此，本論文的作者也發出了如下幾個倡議：

第一，未來海拉細胞系相關的研究，都至少註明是CCL2細胞系還是 Kyoto細胞系；

第二，使用早期傳代的細胞系進行實驗，並標明所用細胞系的代數；

第三，對於癌細胞重要生理表型的觀察，應使用不同樣本，不同細胞模型，不同實驗室來源的細胞系進行對比。

第四，呼籲科學家團體展開討論，並考慮運用更加精確的分子特徵，對細胞進行認證。

編輯神叨叨

科研成果無法再現是一個很嚴重的問題，因為學術體系就是所有人的成果相互支撐而建立起來的，若這個問題無法解決，那整個大廈都有坍塌的可能。

雖說細胞系等客觀因素佔了很大一部分比例，但也有其他原因存在（如學術造假），所以這個也需要我們警惕。

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參考資料：

[1]https://www.nature.com/news/1-500-scientists-lift-the-lid-on-reproducibility-1.19970

[2] Yansheng Liu et al. Multi-omic measurementsof heterogeneity in HeLa cells across laboratories. Nature Biotechnology, 2019, DOI.org/10.1038/s41587-019-0037-y

[3] Yu M, Selvaraj S K, Liangchu M M, etal. A resource for cell line authentication, annotation and quality control[J].Nature, 2015, 520(7547): 307-311.

[4] Bendavid U, Siranosian B, Ha G, et al.Genetic and transcriptional evolution alters cancer cell line drug response[J].Nature, 2018, 560(7718): 325-330.

本文作者 | 低溫藝術家

「這瓶細胞到底還要不要.......」

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