Science：利用新开发的谱系追踪工具绘制肿瘤细胞的历史和位置，从而揭示其生长模式

来源：100医药网 2025-07-28 10:45

所有生命都连接在一个庞大的族谱树中。每个生物体都与其祖先、后代和旁系亲属存在关系，并且任何两个个体之间的路径都可以被追溯。生物体内的细胞也是如此 人体内数万亿个细胞中的每一个，都是由一个受精卵经过连续分裂产生的，并且可以通过细胞的家族树相互关联。在更简单的生物体（比如秀丽隐杆线虫）中，这种细胞的家族树已被完全绘制出来，但人类的细胞家族树要大得多，也复杂得多。

过去，怀特海德研究所成员 Jonathan Weissman 和其他研究人员开发了谱系追踪（lineage tracing）方法，以跟踪和重建模式生物中细胞分裂的家族树，从而更多地了解细胞之间的关系以及它们如何组装成组织、器官，以及在某种情况下形成肿瘤。这些方法可以帮助回答许多关于生物体如何发育以及像癌症这样的疾病如何起始和进展的问题。

如今，在一项新的研究中，Weissman 及其同事们开发了一种先进的谱系追踪工具，它不仅能够捕获细胞分裂的精确家族树，还将其与空间信息相结合：识别每个细胞最终在组织中的位置。相关研究结果发表在《科学》杂志上。

Weissman 及其实验室博士后研究员Luke Koblan、Kathryn Yost、Pu Zheng 以及研究生 William Colgan 使用他们开发的谱系追踪工具 PEtracer 观察了小鼠体内转移性肿瘤的生长。结合谱系追踪和空间数据，他们能够详细了解内在因素及其所处环境因素如何影响肿瘤生长。

Weissman 说道， 理解细胞如何在时间和空间中移动是观察生物学的一个重要方式，在这项新的研究中，我们能够以高分辨率同时看到这两者。其核心思想是，通过了解一个细胞的过去及其最终归宿，你可以看到在其整个生命过程中不同的因素如何影响其行为。

在这项研究中，我们使用这些方法来观察肿瘤生长，尽管原则上我们现在可以开始应用这些工具来研究其他感兴趣的生物学问题，比如胚胎发育， Koblan说。

设计追踪细胞时空轨迹的工具

PEtracer 通过随时间推移在细胞的DNA中反复添加短的、预设的代码来追踪细胞的谱系。每一段代码，称为一个谱系追踪标记（lineage tracing mark），由五个碱基（DNA的构成单元）组成。这些标记使用一种名为先导编辑（prime editing）的基因编辑技术插入，该技术能以最少的非预期副产物直接重写DNA片段。随着时间的推移，每个细胞会获得更多的谱系追踪标记，同时也保留其祖先的标记。然后，该团队可以比较细胞的标记组合，以推断关系并重建家族树。

我们使用计算建模从第一性原理来设计这个工具，以确保其高度精确，并与成像技术兼容。我们进行了许多模拟，以确定新型谱系追踪工具的最佳参数，然后设计了我们的系统以适应这些参数， Colgan 说。

当组织 在这项研究中是小鼠肺中生长的肿瘤 充分生长后，该团队收集这些组织，并使用先进的成像方法来观察每个细胞通过谱系追踪标记与其他细胞的谱系关系，以及它在成像组织内的空间位置和其身份（由每个细胞中表达的不同RNA水平确定）。PEtracer 与捕获单细胞遗传信息的成像方法和测序方法都兼容。

使收集和分析来自成像的所有这些数据成为可能是一个巨大的挑战， Zheng 说。 让我特别兴奋的不仅是我们能够收集太字节（terabytes）的数据，而是我们设计了这个项目来收集我们知道可以用来回答重要问题并推动生物学发现的数据。

重建肿瘤的历史

结合谱系追踪、基因表达和空间数据，该团队能够理解这些肿瘤是如何生长的。他们可以判断邻近细胞的亲缘关系有多近，并比较它们的特征。使用这种方法，他们发现他们分析的肿瘤由四个不同的模块或细胞 邻里（neighborhoods） 组成。

最靠近肺部的（营养最丰富的区域）适应度（fitness）最高，这意味着它们的谱系历史表明随着时间的推移细胞分裂率最高。癌细胞的适应度往往与肿瘤生长的侵袭性相关。

肿瘤 前沿区（leading edge） （远离肺部的一侧）的细胞更具多样性且适应度较低。前沿区下方是一个低氧的细胞邻里，这些细胞可能曾经是前沿区细胞，现在被困在一个不太理想的位置。在这些细胞和靠近肺部的细胞之间是肿瘤核心（tumor core），一个包含活细胞、死细胞和细胞碎片的区域。

关键谱系追踪参数的计算机建模

该团队发现，这个家族树上的癌细胞同样有可能最终出现在大多数区域，但靠近肺部的区域除外，因为在那里这个家族树的少数几个分支占据主导地位。这表明癌细胞的不同特征更多地受到其环境（即局部邻里条件）的影响，而不是其家族历史。

证明这一点的进一步证据是，某些与适应度相关的基因（如 Fgf1/Fgfbp1）的表达与细胞的位置相关，而非其祖先。然而，靠近肺部的癌细胞也继承了赋予它们优势的特征，包括表达与适应度相关的基因 Cldn4 这表明家族历史也影响了结果。

这些发现证明了癌症的生长既受到特定癌细胞谱系内在因素的影响，也受到塑造暴露于其中的癌细胞行为的环境因素的影响。

通过同时观察肿瘤的多个维度，我们获得了在更有限的视角下不可能获得的见解， Yost 说。 能够表征肿瘤内不同的细胞群体，将使研究人员能够更有效地开发针对最具侵袭性群体的疗法。

既然我们已经完成了设计这种工具这项艰巨的工作，我们很兴奋能将其应用于研究健康和疾病、胚胎发育以及其他模式物种中的各种问题，着眼于理解人类健康中的重要问题。我们收集的数据也将有助于训练细胞行为的人工智能模型。我们很期待与其他研究人员分享这项技术，看看我们能共同发现什么， Koblan 说。（100yiyao.com）

参考文献：

Luke W. Koblan et al, , Science (2025). DOI: 10.1126/science.adx3800.