《SCIENCE ADVANCES》：Aneuploidy of chromosome 8 promotes the mesenchymal lineage during cell fate transitions
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非整倍體如何在腫瘤發生初期獲得適應性優勢是癌癥生物學的關鍵問題。本研究利用人類胚胎干細胞模型，揭示紡錘體檢查點失活誘導的非整倍體，特別是第8號染色體（chr8）獲得，能夠促進畸胎瘤中以及體外分化的間充質干細胞（MSCs）擴增，并與人類胚胎性橫紋肌肉瘤（ERMS）的高頻chr8增益相關聯，為理解腫瘤發生中非整倍體的早期涌現及其對間充質譜系的特異性影響提供了新機制見解。
我們的身體由數萬億個細胞構成，每個細胞都精確地攜帶著一套完整的遺傳指令。這套指令被組織成染色體，在正常的健康細胞中，染色體的數量是恒定的二倍體。然而，在癌癥這個復雜且令人畏懼的領域里，一個普遍卻又充滿悖論的現象是：大約90%的人類實體腫瘤細胞中，染色體數目出現了異常，這種現象被稱為非整倍體。這種異常常常賦予癌細胞生長優勢，導致它們對特定的非整倍體狀態產生“依賴”。但奇怪的是，如果我們在實驗室里人為地在正常細胞中誘導產生非整倍體，卻通常會引發一系列細胞應激，反而降低細胞的適應性。這就引出了一個核心謎題：在腫瘤發生的最初階段，這些看似“不適應”的非整倍體細胞是如何戰勝正常的二倍體細胞，并最終在腫瘤中占據主導地位的呢？
為了揭開這個謎底，一項發表于《SCIENCE ADVANCES》的研究，巧妙地利用人類胚胎干細胞（hESCs）作為探索的起點。研究人員假設，在細胞命運發生轉變的關鍵時期，比如干細胞分化成其他類型細胞的過程中，非整倍體可能更容易被“容忍”，甚至可能獲得優勢。他們通過兩種策略——使用MPS1（monopolar spindle 1）抑制劑（如reversine和AZ3146）暫時性失活紡錘體檢查點，或利用CRISPR-Cas9技術永久性敲除關鍵檢查點基因BUB1B（編碼BUBR1蛋白）——成功地在hESCs中誘導產生了多種類型的非整倍體。正如預期，這些非整倍體干細胞在體外培養時適應性較差，增殖緩慢，在細胞群體中的比例逐漸下降。
然而，當研究人員將這些攜帶非整倍體的hESCs注射到免疫缺陷小鼠體內，讓其形成畸胎瘤（一種包含多種分化組織的腫瘤樣結構）時，故事發生了戲劇性轉折。與二倍體對照組相比，由非整倍體hESCs形成的畸胎瘤生長得更快。更重要的是，通過全基因組測序（WGS）分析發現，這些畸胎瘤并非隨機地保留各種非整倍體，而是高度選擇性地富集了特定的染色體增益，其中第8號染色體（chr8）增益最為普遍和顯著，其次是第12號染色體（chr12）增益。這與人類癌癥中常見的非整倍體模式驚人地相似。
那么，chr8增益為何能脫穎而出？它是否僅僅因為攜帶了著名的致癌基因MYC？研究者進行了更深入的探索。他們發現，即便在過表達MYC的hESCs中誘導非整倍體，形成的畸胎瘤依然會選擇性地保留chr8增益，這表明除了MYC，chr8上其他基因的劑量增加也共同貢獻了其適應性優勢。更有趣的是，組織學和單細胞RNA測序（scRNA-seq）分析揭示，非整倍體畸胎瘤表現出分化缺陷，更加“幼稚”（不成熟），且其中間充質組織顯著增多。特別是，增殖中的間充質干細胞（MSCs）及其分化后代的比例大幅上升。
這一發現將chr8增益與間充質譜系聯系了起來。為了直接驗證這一關聯，研究團隊將非整倍體hESCs在體外定向分化為MSCs。與之前“非整倍體降低細胞適應性”的普遍認知相反，由非整倍體hESCs分化來的MSCs，其增殖速度反而超過了二倍體MSCs。通過單細胞RNA測序結合InferCNV（一種從單細胞轉錄組數據推斷拷貝數變異的方法）分析，證實這些快速增殖的MSCs中，chr8增益是最常見的非整倍體類型。相比之下，當將同樣的非整倍體hESCs分化為神經前體細胞（NPCs）時，chr8增益并未賦予其明顯的增殖優勢，這表明非整倍體的適應性效應是高度細胞譜系特異性的。
研究的最后一部分將實驗室發現與人類疾病直接掛鉤。已知攜帶BUB1B生殖系突變、患有馬賽克多樣性非整倍體綜合征（MVA）的病人，其細胞中常出現chr8三體，且患兒童橫紋肌肉瘤（一種起源于間充質組織的腫瘤）的風險更高。受此啟發，研究人員分析了42例人類胚胎性橫紋肌肉瘤（ERMS）樣本。全外顯子組測序（WES）和WGS結果顯示，這些腫瘤缺乏顯性的驅動基因突變，但超過70%的樣本都存在chr8增益，其他如chr2、chr7、chr12等染色體增益也較為常見。這強烈暗示，在間充質起源的腫瘤中，chr8增益等非整倍體事件可能在腫瘤發生發展中扮演了重要角色。
綜上所述，這項研究提出了一個關于腫瘤發生初期非整倍體如何涌現的合理機制：在細胞命運轉換（如干細胞向間充質譜系分化）的特定時間窗口，特定的非整倍體（尤其是chr8增益）能夠獲得適應性優勢，從而在細胞群體中擴增。這不僅將特定的非整倍體類型（chr8增益）與特定的細胞譜系（間充質譜系）聯系起來，為理解癌癥中非整倍體模式的起源提供了新視角，也為尋找針對非整倍體癌細胞（尤其是那些不表現典型細胞應激的間充質干細胞樣癌細胞）的脆弱性靶點開辟了新的道路。
為了開展這項研究，作者團隊運用了多項關鍵技術：利用MPS1抑制劑（reversine, AZ3146）或CRISPR-Cas9基因編輯（敲除BUB1B）在人類胚胎干細胞（H1和H9系）中誘導非整倍體；通過皮下注射干細胞至免疫缺陷小鼠（NCG品系）進行畸胎瘤形成實驗；使用全基因組測序（WGS）、批量及單細胞RNA測序（scRNA-seq，10x Genomics平臺）結合InferCNV分析來系統描繪染色體拷貝數變異和細胞轉錄組圖譜；對畸胎瘤組織進行蘇木精-伊紅（H&E）染色、免疫組織化學/免疫熒光分析以評估組織分化狀態；將hESCs體外定向分化為間充質干細胞（MSCs）和神經前體細胞（NPCs），并通過流式細胞術（FACS）、免疫印跡（Western blotting）和細胞增殖曲線進行表征；此外，研究還包含了來自浙江大學醫學院附屬兒童醫院（ZJUCH-RMS隊列）的42例人類胚胎性橫紋肌肉瘤（ERMS）患者樣本，并對其進行了全外顯子組測序（WES）和WGS以分析突變譜和拷貝數變異。
研究結果部分通過一系列實驗逐步揭示了chr8增益在細胞命運轉變中的關鍵作用：
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非整倍體人類胚胎干細胞適應性低于二倍體對照：無論是通過MPS1抑制劑reversine短暫處理，還是通過基因敲除構建BUB1B-/-細胞系，都能在hESCs中有效誘導非整倍體。這些非整倍體hESCs在體外培養時增殖更慢，在群體中占比逐漸減少，其中涉及染色體缺失或多條染色體異常的細胞消失最快，而攜帶chr8或chr12增益的細胞存留時間相對較長。
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非整倍體畸胎瘤呈現chr8擴增：將誘導后的非整倍體hESCs注射到小鼠體內形成畸胎瘤后，情況發生逆轉。這些畸胎瘤生長略快于二倍體對照，并且所有非整倍體畸胎瘤都顯示出chr8增益，chr12和chr20增益也頻繁出現。BUB1B-/-畸胎瘤同樣表現出chr8擴增（平均拷貝數約3.0，即8號染色體三體）。這表明在體內微環境中，特定的非整倍體（chr8增益）能夠獲得適應性優勢。
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MYC并非chr8增益的唯一原因：盡管致癌基因MYC位于chr8上，但實驗發現，在過表達MYC的hESCs中誘導非整倍體，所產生的畸胎瘤仍然會選擇性地保留chr8增益，而不再需要chr12和chr20的增益。這說明chr8增益帶來的適應優勢不能僅歸因于MYC，chr8上的其他基因也貢獻了協同效應。
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非整倍體畸胎瘤不成熟且含有更多間充質組織：組織學分析表明，非整倍體畸胎瘤分化較差，更“幼稚”和實體化，含有更少的脈絡叢樣組織（多纖毛上皮細胞構成）和更多的間充質組織。基因集富集分析（GSEA）也證實，與非整倍體畸胎瘤中上調的基因通路主要與中胚層分化、肌肉發育、骨發育和血管生成相關。
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非整倍體畸胎瘤含有更多間充質干細胞并頻繁出現chr8增益：單細胞RNA測序分析進一步量化了這種變化，顯示非整倍體畸胎瘤中增殖的MSCs及其分化軌跡上的細胞（如軟骨源性MSCs、肌成纖維細胞）比例顯著增加。同時，超過50%的細胞是非整倍體，其中chr8增益細胞最為豐富，且這種增益存在于所有細胞類型中。
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Chr8增益在體外促進間充質干細胞增殖：將非整倍體hESCs在體外定向分化為MSCs后，與之前的普遍認知相反，這些MSCs（尤其是REV處理組）的增殖速度快于二倍體MSCs。單細胞分析顯示，這些快速增殖的MSCs中chr8增益是最常見的拷貝數變異，并且到分化后期，超過30%的細胞同時具有chr7和chr8擴增。
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Chr8增益不賦予神經前體細胞適應性優勢：作為對照，將同樣的非整倍體hESCs分化為神經前體細胞（NPCs）時，chr8增益并未使其獲得增殖優勢，其增殖率與二倍體NPCs相似。這表明非整倍體的適應性效應是譜系特異性的。
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人類胚胎性橫紋肌肉瘤腫瘤頻繁呈現chr8擴增：對42例ERMS（一種間充質起源的兒童腫瘤）樣本的分析發現，這些腫瘤缺乏顯性驅動突變，但超過70%存在chr8擴增，其他染色體（如chr2, chr7, chr12, chr13, chr20）擴增也較常見。這直接將模型系統中的發現與人類疾病聯系起來。
在討論與結論部分，研究者強調了本研究的核心發現與意義。該工作揭示了一種非整倍體細胞能夠在細胞群體中戰勝二倍體細胞的具體情境：即在人類胚胎干細胞向間充質干細胞分化的過程中。研究首次將特定的非整倍體（chr8增益）與特定的細胞譜系（間充質譜系）的促進直接聯系起來。這不僅為理解腫瘤發生初期非整倍體如何獲得初始適應性優勢、以及人類癌癥中特定非整倍體模式（如chr8、chr12、chr20增益）的起源提供了 plausible mechanism （合理的機制），還將基礎研究發現與人類疾病（ERMS）相關聯，提示chr8增益可能促進間充質起源腫瘤的進展。此外，研究指出，這些不表現典型細胞應激的、具有適應性優勢的非整倍體MSCs，為在不受其他突變和應激干擾的情況下，尋找非整倍體細胞的特異性脆弱靶點提供了絕佳模型。最后，研究者展望了未來研究方向，包括探究chr8增益促進間充質譜系的具體分子機制，以及它是否也在上皮-間質轉化（EMT）和腫瘤微環境中間質細胞的功能中發揮作用。總之，這項研究深化了我們對非整倍體在發育和疾病中復雜角色的理解，并為開發針對非整倍體癌癥的新治療策略奠定了基礎。
