《Nature》封面文章：确认染色体不稳定性推动癌症转移！
发布人：管理员 浏览次数： 发布时间：2018-01-26
导 读
染色体不稳定性是癌症的标志之一，它是由于有丝分裂过程中染色体分离持续出现错误而所致。染色体不稳定性是肿瘤演进的主要驱动因素，而今日《Nature》的封面文章就阐述了染色体不稳定性可以通过维持对细胞质DNA的肿瘤细胞自主反应来促进癌症转移。
染色体不稳定性（CIN）与肿瘤转移有着很大的相关性。染色体不稳定的细胞显示细胞分裂后期染色体错误分离，而这则为靶向CIN并探测其对癌症转移的选择性贡献提供了思路。通过过度表达非运动微管解聚驱动蛋白家族蛋白KIF2B或KIF2C（也称为MCAK，一种参与染色体分离的蛋白）直接抑制染色体不稳定细胞中的CIN。 过度表达KIF2B或MCAK的细胞继续增值。 因此，这种方法允许直接实验性检测CIN。
这篇文章作为新一期的《Nature》封面文章，题目为“Chromosomal instability drives metastasis through a cytosolic DNA response。”
人类癌细胞转移中富含CIN
接下来，通过对原发性乳腺肿瘤和转移灶的核型分析，其结果显示原发性肿瘤中偏向近二倍体核型。相反地，转移偏向于具有近三倍体核型，每个染色体畸变数量是原发性肿瘤的两倍。核型范围在二倍体和四倍体范围内的肿瘤样品中染色体畸变数最高。
最后，对局部晚期头颈部鳞状细胞癌患者原发肿瘤的组织学分析显示，后期染色体错误分离与淋巴结转移发生率存在显着的相关性。
2、CIN是癌细胞转移的驱动力
为了确定CIN是否参与转移，研究人员使用了可移植的人类转移性肿瘤模型或小鼠三阴性乳腺癌和人类肺腺癌（H2030），其中分别显示染色体错误分离的证据。过表达KIF2B或MCAK抑制染色体错误分离，而过度表达的显性阴性MCAK突变体12（dnMCAK）导致癌细胞中染色体错误分离的适度增加。KIF2B或MCAK的过度表达不改变细胞增殖或每个细胞的中心体数量。研究人员将表达MCAK或KIF2B的细胞称为CIN-low，并将表达KIF2A或dnMCAK的细胞称为CIN-high。
CIN是癌细胞转移的驱动力
转移癌细胞的核型分析显示广泛的非整倍体（约3n）染色体含量和广泛的核型异质性。 CIN的抑制减少了单细胞来源克隆中的数量和结构核型异质性，由于存在较少染色体表现出非克隆性结构异常，在CIN-low细胞中染色体数目异质性降低。值得注意的是，CIN-low细胞保持非整倍体染色体核型，但可稳定繁殖。因此，通过比较染色体上稳定的非整倍体细胞与染色体不稳定非整倍体，研究人员可以通过实验研究独立于非整倍体的CIN在转移中的作用。研究显示CIN-low细胞的许多转移发生上皮化，转移不明显，而CIN-high细胞转移则涉及多个器官，并迅速发展，导致死亡。
3、CIN产生细胞质DNA
为了更好地定义CIN反应途径，研究人员使用scRNA数据进行了基因相关分析，并确定了两个大的基因模块：模块1的特征是增殖和代谢途径，而模块2包括EMT和炎症基因集。 在scRNA-seq和bulk RNA-seq数据中炎症相关的CIN标签和EMT基因之间存在强烈的正相关。
研究人员研究了CIN是否可能将基因组DNA导入胞浆中，从而引发通常用于抗病毒免疫的细胞反应。 基因组DNA暴露于细胞溶质可能是由于原核或微核包膜破裂造成的。研究人员使用具有核定位信号的基因进行活细胞成像，发现CIN水平与 基因在无限制条件下泄漏到细胞质中的频率相关。 在CIN高细胞中甚至有更有效的原核修复的趋势。 CIN高的胞核仅在受限的迁移过程中更频繁地破裂。
为了确定错误分离的染色体是否提供了细胞质DNA的来源，研究人员使用了在染色体上稳定的结直肠癌细胞中建立的可诱导的Y染色体特异性错误分离系统。其研究揭示了在强力霉素和生长素处理诱导的染色体错分离后两天，Y染色体选择性地并入微核中。
4、胞质DNA反应的转移
在染色体稳定的细胞中，细胞溶质双链DNA很少，并被cGAS-STING途径感知，导致I型干扰素刺激基因（ISG）的诱导。通过肿瘤细胞非自主机制在脑转移中引起癌细胞的cGAS激活。批量RNA-seq数据揭示了为响应CIN（CIN响应性NC-NF-κB基因）而被上调的非经典的NF-κB靶基因。 CIN，STING和scRNA-seq数据中的CIN反应性NC-NF-κB基因之间存在强相关性，而CIN和I型干扰素靶标之间的相关性较弱。
类似地，数据库中来自原发性乳腺癌的RNA-seq数据显示在具有较高水平的CIN标记的基因产物的肿瘤中CIN反应性NC-NF-κB基因的表达增加，并且非经典NF- κB途径与乳腺癌和肺癌中存活延长相关。
相反，经典NF-κB或I型干扰素调节因子的表达增加与改善的预后相关。 研究人员发现STING和下游非典型NF-κB活性介导的转移以自主的方式表现出来。 相反，cGAMP的加入增加了CIN-low细胞的侵袭和迁移。这些发现与EMT中非经典NF-κB通路，细胞侵袭和转移的作用相一致。 非典型途径的益处可能证明乳腺癌和肺癌中cGAS和STING的失活性突变缺乏。
胞质DNA反应的转移
研究人员揭示了CIN，细胞质DNA感应通路的慢性激活和转移之间的联系。 除了加剧染色体异质性之外，还需要持续的染色体错误分离来补充细胞质DNA并使细胞维持在促进转移状态。因此，即使在高度非整倍体细胞中，抑制CIN也可减少转移。 STING激活的影响是依赖于上下传导通路的协调激活。
CIN的出现和随后的耐受是肿瘤演化过程中的一个重要节点。 该研究发现，CIN诱导癌细胞从高度代谢状态到间充质状态的转录转变。 从转移性肿瘤的泛癌基因组分析解释了非整倍体在早期肿瘤发生的机制。 这些发现认为，CIN驱动以EMT和炎症为特征的人类转移瘤的形成。
参考资料：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.
染色体不稳定性是癌症的标志之一，它是由于有丝分裂过程中染色体分离持续出现错误而所致。染色体不稳定性是肿瘤演进的主要驱动因素，而今日《Nature》的封面文章就阐述了染色体不稳定性可以通过维持对细胞质DNA的肿瘤细胞自主反应来促进癌症转移。
染色体不稳定性（CIN）与肿瘤转移有着很大的相关性。染色体不稳定的细胞显示细胞分裂后期染色体错误分离，而这则为靶向CIN并探测其对癌症转移的选择性贡献提供了思路。通过过度表达非运动微管解聚驱动蛋白家族蛋白KIF2B或KIF2C（也称为MCAK，一种参与染色体分离的蛋白）直接抑制染色体不稳定细胞中的CIN。 过度表达KIF2B或MCAK的细胞继续增值。 因此，这种方法允许直接实验性检测CIN。
这篇文章作为新一期的《Nature》封面文章，题目为“Chromosomal instability drives metastasis through a cytosolic DNA response。”
1、在人类癌症转移患者中，CIN水平增高
首先，为了确定CIN是否与人类转移相关，研究人员使用加权基因组完整性指数（wGII）作为CIN8的替代指标，对79对匹配的原发性肿瘤和脑转移瘤进行研究。结果显示转移wGII高于原发肿瘤。人类癌细胞转移中富含CIN
接下来，通过对原发性乳腺肿瘤和转移灶的核型分析，其结果显示原发性肿瘤中偏向近二倍体核型。相反地，转移偏向于具有近三倍体核型，每个染色体畸变数量是原发性肿瘤的两倍。核型范围在二倍体和四倍体范围内的肿瘤样品中染色体畸变数最高。
最后，对局部晚期头颈部鳞状细胞癌患者原发肿瘤的组织学分析显示，后期染色体错误分离与淋巴结转移发生率存在显着的相关性。
2、CIN是癌细胞转移的驱动力
为了确定CIN是否参与转移，研究人员使用了可移植的人类转移性肿瘤模型或小鼠三阴性乳腺癌和人类肺腺癌（H2030），其中分别显示染色体错误分离的证据。过表达KIF2B或MCAK抑制染色体错误分离，而过度表达的显性阴性MCAK突变体12（dnMCAK）导致癌细胞中染色体错误分离的适度增加。KIF2B或MCAK的过度表达不改变细胞增殖或每个细胞的中心体数量。研究人员将表达MCAK或KIF2B的细胞称为CIN-low，并将表达KIF2A或dnMCAK的细胞称为CIN-high。
CIN是癌细胞转移的驱动力
转移癌细胞的核型分析显示广泛的非整倍体（约3n）染色体含量和广泛的核型异质性。 CIN的抑制减少了单细胞来源克隆中的数量和结构核型异质性，由于存在较少染色体表现出非克隆性结构异常，在CIN-low细胞中染色体数目异质性降低。值得注意的是，CIN-low细胞保持非整倍体染色体核型，但可稳定繁殖。因此，通过比较染色体上稳定的非整倍体细胞与染色体不稳定非整倍体，研究人员可以通过实验研究独立于非整倍体的CIN在转移中的作用。研究显示CIN-low细胞的许多转移发生上皮化，转移不明显，而CIN-high细胞转移则涉及多个器官，并迅速发展，导致死亡。
3、CIN产生细胞质DNA
为了更好地定义CIN反应途径，研究人员使用scRNA数据进行了基因相关分析，并确定了两个大的基因模块：模块1的特征是增殖和代谢途径，而模块2包括EMT和炎症基因集。 在scRNA-seq和bulk RNA-seq数据中炎症相关的CIN标签和EMT基因之间存在强烈的正相关。
研究人员研究了CIN是否可能将基因组DNA导入胞浆中，从而引发通常用于抗病毒免疫的细胞反应。 基因组DNA暴露于细胞溶质可能是由于原核或微核包膜破裂造成的。研究人员使用具有核定位信号的基因进行活细胞成像，发现CIN水平与 基因在无限制条件下泄漏到细胞质中的频率相关。 在CIN高细胞中甚至有更有效的原核修复的趋势。 CIN高的胞核仅在受限的迁移过程中更频繁地破裂。
为了确定错误分离的染色体是否提供了细胞质DNA的来源，研究人员使用了在染色体上稳定的结直肠癌细胞中建立的可诱导的Y染色体特异性错误分离系统。其研究揭示了在强力霉素和生长素处理诱导的染色体错分离后两天，Y染色体选择性地并入微核中。
4、胞质DNA反应的转移
在染色体稳定的细胞中，细胞溶质双链DNA很少，并被cGAS-STING途径感知，导致I型干扰素刺激基因（ISG）的诱导。通过肿瘤细胞非自主机制在脑转移中引起癌细胞的cGAS激活。批量RNA-seq数据揭示了为响应CIN（CIN响应性NC-NF-κB基因）而被上调的非经典的NF-κB靶基因。 CIN，STING和scRNA-seq数据中的CIN反应性NC-NF-κB基因之间存在强相关性，而CIN和I型干扰素靶标之间的相关性较弱。
类似地，数据库中来自原发性乳腺癌的RNA-seq数据显示在具有较高水平的CIN标记的基因产物的肿瘤中CIN反应性NC-NF-κB基因的表达增加，并且非经典NF- κB途径与乳腺癌和肺癌中存活延长相关。
相反，经典NF-κB或I型干扰素调节因子的表达增加与改善的预后相关。 研究人员发现STING和下游非典型NF-κB活性介导的转移以自主的方式表现出来。 相反，cGAMP的加入增加了CIN-low细胞的侵袭和迁移。这些发现与EMT中非经典NF-κB通路，细胞侵袭和转移的作用相一致。 非典型途径的益处可能证明乳腺癌和肺癌中cGAS和STING的失活性突变缺乏。
胞质DNA反应的转移
研究人员揭示了CIN，细胞质DNA感应通路的慢性激活和转移之间的联系。 除了加剧染色体异质性之外，还需要持续的染色体错误分离来补充细胞质DNA并使细胞维持在促进转移状态。因此，即使在高度非整倍体细胞中，抑制CIN也可减少转移。 STING激活的影响是依赖于上下传导通路的协调激活。
CIN的出现和随后的耐受是肿瘤演化过程中的一个重要节点。 该研究发现，CIN诱导癌细胞从高度代谢状态到间充质状态的转录转变。 从转移性肿瘤的泛癌基因组分析解释了非整倍体在早期肿瘤发生的机制。 这些发现认为，CIN驱动以EMT和炎症为特征的人类转移瘤的形成。
参考资料：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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