有句玩笑話(huà)說(shuō)，想攻克癌癥的研究者，哪個(gè)沒(méi)殺過(guò)天文數字級別的癌細胞。這些以別樣方式“活”在實(shí)驗室里的癌細胞們，作為科研的第一手材料，為癌癥生物學(xué)和轉化醫學(xué)的發(fā)展做出了巨大的貢獻[1]。

科學(xué)家們早就認識到，癌細胞系是不能夠完全模擬人體內的腫瘤的，不過(guò)它仍然具有一定程度的代表性和穩定性，足以提供對癌癥發(fā)展和藥物反應的準確反饋。事實(shí)上，走向臨床的各種藥物、療法，第一次閃光都是踩在癌細胞系的尸體上。

可是實(shí)驗室內的癌細胞系并不如科學(xué)家們所想的那樣穩定，它們也在時(shí)刻“進(jìn)化”之中，甚至對藥物的反應會(huì )產(chǎn)生大幅度的變化！

本周的《自然》雜志刊登了來(lái)自Broad研究所的最新科研成果。研究者們對比了來(lái)自?xún)蓚€(gè)數據庫的106個(gè)癌細胞系的外顯子測序數據，發(fā)現同一細胞系之間竟然五分之一的基因序列差異！進(jìn)一步分析了單一乳腺癌細胞系的27個(gè)細胞株，研究者發(fā)現同樣存在高水平的遺傳多樣性，測試的321種抗癌化合物中，有75%雖然能對特定細胞株產(chǎn)生抗癌活性，但是在其他細胞株中完全沒(méi)用！[2]

這或許也可以解釋為什么有些實(shí)驗，明明是用了同一癌細胞系，卻會(huì )得出不同的結果?？茖W(xué)家們必須得小心了，這意味著(zhù)培養皿里的細胞們，說(shuō)不定根本不能代表正在研究的癌種！

從理論上來(lái)說(shuō)，實(shí)驗室里的細胞傳代沒(méi)有環(huán)境施加的選擇壓力，遺傳上相對來(lái)說(shuō)是穩定的，那么按照這個(gè)道理來(lái)說(shuō)，利用癌細胞系進(jìn)行的實(shí)驗結果是可以重復的。但是實(shí)際上卻截然相反，特別是倍受關(guān)注的藥物研究，對藥物的敏感性和耐藥性經(jīng)常會(huì )得出不一致的結果[3]。

這不由得讓人猜想，難道這些癌細胞根本不如我們認為的那么穩定？

研究者們從Broad研究所的癌癥細胞系百科全書(shū)（CCLE）和Sanger研究所的癌癥藥物敏感性基因組學(xué)（GDSC）數據庫中，提取了106個(gè)細胞系的外顯子測序數據。講道理，都是同一個(gè)細胞系，具有同樣的遺傳背景，提取到的數據不說(shuō)一模一樣吧，也應該差不了多少。

結果讓研究者大失所望，兩組數據的基因突變一致性比預想的低很多，約19%的錯義突變僅出現在兩組其一，在拷貝數變化上這個(gè)數字則達到了26%。

研究者對單個(gè)細胞系進(jìn)行了研究。他們選中了癌癥研究中常用的雌激素受體陽(yáng)性乳腺癌細胞系MCF7，涉及27個(gè)不同的細胞株，其中19個(gè)未經(jīng)過(guò)任何藥物影響或者基因工程改造，7個(gè)細胞株含有報告基因，還有1個(gè)已經(jīng)被移植入小鼠體內，并接受了抗雌激素治療。

在這27個(gè)細胞株中，研究者發(fā)現數百種基因的拷貝數發(fā)生了變化，283種基因拷貝數增加，405種減少；其中，只有13%增加拷貝的基因和21%減少拷貝的基因是所有細胞株都存在的；而只有一個(gè)細胞株具有，獨一份兒的拷貝數變異基因則分別是7%和13%。

這些受影響的基因包括PTEN、TP53、EGFR、PIK3CA、MAP2K4等乳腺癌常見(jiàn)的突變基因，就拿PTEN來(lái)說(shuō)吧，有17個(gè)細胞株都出現了PTEN缺失突變。還有表達雌激素受體的基因ESR1，12個(gè)細胞株拷貝增加，6個(gè)細胞株拷貝丟失——這與雌激素受體表達水平是息息相關(guān)的，而MCF7可是一個(gè)以雌激素受體陽(yáng)性為特征的癌細胞系！

其他的突變類(lèi)型數據也是類(lèi)似的，95個(gè)單點(diǎn)突變中，只有35%存在于所有細胞株中，29%只存在于某個(gè)細胞株中。

與突變情況一致，27個(gè)細胞株之間基因表達水平也有很大的差距。將細胞株兩兩對比，最慘的情況下有1574個(gè)基因表達水平差異達到了2倍以上（中位654個(gè)）。

研究者還在常見(jiàn)的肺癌細胞系A549的23個(gè)細胞株，以及其他11個(gè)癌細胞系中進(jìn)行了驗證，從單點(diǎn)突變到結構變異，都存在高水平的差異。

基因層面發(fā)生了如此大的變化，細胞功能也受到了影響，不同細胞株之間傳代時(shí)間、細胞的大小和形狀都十分不同，對藥物的反應也相距甚遠。

研究者們在27個(gè)MCF7細胞株中測試了321種具有抗癌活性的化合物，有55種化合物在至少一個(gè)細胞株中表現出強抗癌活性，對癌細胞生長(cháng)的抑制>50%，然而其中的48種（87%）卻在至少一個(gè)細胞株中基本沒(méi)用！

把標準再拉得嚴格一點(diǎn)，同時(shí)在至少兩個(gè)細胞株中都有強抗癌活性的化合物有42種，但是33種（79%）在兩個(gè)以上的細胞株中不起效果……

另外要說(shuō)的是，這種變化可不是僅僅癌細胞有，正常的細胞系也是存在的，而且突變水平并不比癌細胞差。

那么這些突變是打哪兒來(lái)的呢？

研究者在不同條件下培養細胞系，發(fā)現僅僅是不同的培養基條件就足以影響細胞的基因形態(tài)。與物種的進(jìn)化一樣，培養環(huán)境也能夠對細胞株進(jìn)行“自然選擇”，使某些細胞更有生存優(yōu)勢，走在“進(jìn)化”的前列；此外，就算是從細胞系中分離單個(gè)癌細胞進(jìn)行培養，子代細胞也能夠獲得新的突變。

本研究與該團隊的另一項研究可以說(shuō)是一脈相承的。去年，他們發(fā)表在《自然遺傳學(xué)》的論文顯示[4]，隨著(zhù)時(shí)間推移，移植到小鼠體內的人類(lèi)癌細胞逐漸失去了患者的疾病特征，并且獲得了一些新的表型，與對藥物的敏感性變化有關(guān)。

這對科學(xué)家們來(lái)說(shuō)并不是個(gè)好消息，但也并不是個(gè)那么壞的消息。癌細胞系依舊是實(shí)驗室不可或缺的研究工具，只是研究者們可能需要更加密切地關(guān)注高度變異導致的功能變化。

而挑戰換個(gè)角度看就會(huì )變成機遇。利用癌細胞的自我“進(jìn)化”，科學(xué)家們可以在同樣遺傳背景的兩個(gè)細胞株上測試同種化合物，并利用細胞特征來(lái)解析作用機制，以及研究各種進(jìn)化壓力與癌癥發(fā)展的關(guān)系。

通訊作者ToddGolub表示，“這并不意味著(zhù)癌細胞系和基于培養基的生物模型都不夠好，反之，我們應當了解模型的特點(diǎn)和局限性，在了解未知的基礎上繼續探索，而絕不是棄之不用。”[5]

為此，研究者們也開(kāi)發(fā)了一款在線(xiàn)工具CellSTRAINER[6]，可以提供細胞株與CCLE中細胞系樣本遺傳數據的對比。

這不禁讓奇點(diǎn)糕想到了以基因數據為基礎的“精準醫療”，看來(lái)是時(shí)候搞搞“精準科研”了。