当癌症局限于身体的一个部位时，医生通常可以通过手术或其他疗法进行治疗。然而，大部分与癌症有关的死亡，是由于它的转移倾向，杏耀代理发送自己的种子，可能在全身生根。转移的确切时刻转瞬即逝，在肿瘤中发生的数百万次分裂中消失了。怀特黑德研究所成员乔纳森·韦斯曼(Jonathan Weissman)表示:“这些事件通常不可能实时监测。”
现在，由韦斯曼领导的研究人员利用CRISPR工具实现了这一目标。韦斯曼也是麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的生物学教授，也是霍华德休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)的研究员。在1月21日发表的一篇论文在科学、斯曼的实验室,与近红外光谱约瑟夫·合作,加利福尼亚大学的计算机科学家,伯克利和崔佛Bivona,癌症生物学家加州大学旧金山分校),对癌细胞的方式进化生物学家可能看看物种,映射出一个复杂详细的家谱。通过检查分支，他们可以追踪细胞的谱系，以发现单个肿瘤细胞何时变得异常，将其后代扩散到身体的其他部位。
“用这种方法，你可以问这样的问题，‘肿瘤转移的频率是多少?转移从何而来?他们去哪里?”斯曼说。“通过追踪体内肿瘤的历史，你可以揭示肿瘤生物学上的差异，而这在其他情况下是看不见的。”
草稿纸细胞
过去，科学家们通过比较癌细胞DNA蓝图中的共同突变和其他变异来追踪癌细胞的谱系。然而，这些方法在一定程度上依赖于有足够的自然发生的突变或其他标记物来准确地显示细胞之间的关系。
在这方面，韦斯曼和共同第一作者杰弗里·奎因(Jeffrey Quinn)(当时是韦斯曼实验室的博士后研究员)以及马修·琼斯(Matthew Jones)(韦斯曼实验室的研究生)看到了利用CRISPR技术——具体来说，是韦斯曼实验室成员米歇尔·陈(Michelle Chan)开发的一种追踪胚胎发育的方法——来促进跟踪的机会。
研究人员并没有简单地希望一个癌症谱系包含足够多的谱系特异性标记来进行追踪，而是决定使用陈的方法自己添加标记。韦斯曼说:“基本上，我们的想法是设计一个有基因组DNA草稿板的细胞，然后用CRISPR在上面‘书写’。”这种在基因组中的“书写”是以一种可遗传的方式进行的，这意味着一个细胞的孙辈将在其基因组中记录其父母细胞和祖父母细胞的“书写”。
创建这些特殊的“便条簿”细胞,Weissman改造人类癌症细胞与基因:一个用于细菌蛋白质Cas9——著名的“分子剪刀”用于CRISPR基因组编辑方法——其他发光显微镜,和几个序列作为目标CRISPR技术。
然后，他们将数千个转基因的人类癌细胞植入老鼠体内，以模拟肺肿瘤(一种由Bivona合作开发的模型)。患有人类肺部肿瘤的小鼠经常表现出侵袭性转移，因此研究人员推断他们可以提供一个很好的模型来实时跟踪癌症的进展。
当细胞开始分裂时，Cas9在这些靶部位进行小的切割。当细胞修复伤口时，
杏耀挂机软件 ，它会插入或删除一些随机的核苷酸，导致一种独特的修复序列，称为indel。这种切割和修复几乎在每一代中都是随机发生的，从而形成了一张细胞分裂的地图。韦斯曼和他的团队随后可以使用他们与计算机科学家约瑟夫合作建立的特殊计算机模型来跟踪这张地图。
揭示了无形的
用这种方法追踪细胞产生了一些有趣的结果。一方面，单个肿瘤细胞与研究人员预期的有很大的不同。研究人员使用的细胞来自已建立的人类肺癌细胞系A549。“你可能会认为它们相对来说是同类的，”韦斯曼说。“但事实上，我们看到了不同肿瘤转移倾向的巨大差异——即使是在同一只小鼠中。有些患者只有很少的转移性事件，而有些患者的转移速度非常快。”
为了找出这种异质性的来源，研究小组将同一细胞的两个克隆体植入不同的老鼠体内。随着细胞的增殖，杏耀研究人员发现它们的后代细胞的转移速度非常相似。然而，来自同一细胞系的不同细胞的后代却并非如此——随着细胞系被维持了许多代，原始细胞显然进化出了不同的转移潜能。
接下来，科学家们想知道是什么基因导致了同一细胞系癌细胞之间的这种差异。所以他们开始寻找在非转移性，弱转移性和高度转移性肿瘤中表达不同的基因。
许多基因脱颖而出，其中一些基因此前被认为与转移有关——尽管尚不清楚它们是转移的驱动因素还是仅仅是转移的副作用。其中一种是编码角蛋白17的基因，它在低转移性肿瘤中比在高转移性肿瘤中表达更强。“当我们敲除或过表达角蛋白17时，我们发现这个基因实际上控制了肿瘤的侵袭性，”韦斯曼说。
通过这种方式识别转移相关的基因，可以帮助研究人员回答关于肿瘤如何进化和适应的问题。“这是观察肿瘤行为和进化的全新方式，”韦斯曼说。“我们认为它可以应用于癌症生物学的许多不同问题。”
你从哪里来，你去了哪里?
韦斯曼的CRISPR方法也让研究人员能够更详细地追踪转移细胞进入体内的位置和时间。例如，一个植入癌细胞的后代经历了五次转移，每次都从左肺扩散到其他组织，如右肺和肝脏。其他细胞跳到另一个区域，然后再从那里转移。
这些运动可以在系统发育树中精确地绘制出来(见图)，每种颜色代表身体的不同位置。一棵色彩斑斓的树显示了高度转移的表型，一个细胞的后代在不同的组织之间跳跃了许多次。以一种颜色为主的树代表转移性较低的细胞。
通过这种方式绘制肿瘤进展，Weissman和他的团队对转移机制进行了一些有趣的观察。例如，一些克隆以教科书的方式进行繁殖，从它们开始繁殖的左肺开始，繁殖到身体的不同部位。另一些则不稳定，首先转移到其他组织，然后再从那里转移。
其中一个组织，位于肺之间的纵隔淋巴组织，似乎是各种各样的中心，共同第一作者杰弗里·奎因说。“它充当了一个中转站，将癌细胞连接到这片肥沃的土地上，然后它们就可以去殖民，”他说。
从治疗角度来说，发现像这样的转移“中心”可能非常有用。韦斯曼说:“如果你把癌症治疗的重点放在这些部位，你就可以在第一时间减缓或预防转移。”
在未来，韦斯曼希望超越简单的观察细胞，开始预测它们的行为。韦斯曼说:“这就像牛顿力学——如果你知道球的速度、位置以及作用在球上的所有力，你就能知道球在未来任何时间的运动方向。”“我们希望在细胞上做同样的事情。我们想要构建一个驱动肿瘤分化的函数，然后能够测量它们在任何给定时间的位置，并预测它们在未来的位置。”
研究人员乐观地认为，能够实时追踪单个细胞的家谱在其他环境中也会被证明是有用的。合著者马修·琼斯说:“我认为这将为我们所认为的生物学中可测量的量打开一个全新的维度。”“总的来说，这一领域真正酷的地方在于，我们正在重新定义什么是看不见的，什么是看得见的。”
