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Fate-mapping揭示了促进缺氧肿瘤细胞转移的抗氧化表型


    

众所周知,缺氧有助于肿瘤的发展。90%的实体肿瘤由于扩散受限和血管功能低下而发生缺氧,并已被确认为独立于临床阶段的患者预后不良的指标。低氧诱导因子-1(HIF-1)和HIF-2是调节氧稳态的核心转录因子,在肿瘤形成中发挥着非常重要的作用。

 

绝大多数关于缺氧调控基因表达的研究都是在体外进行的,使用与正常空气相同的氧气浓度来培养肿瘤细胞,然后再将细胞短时间暴露于1%的氧气中。识别体内缺氧组织区域的直接和间接的方法,均存在局限。最近,几组研究利用HIF结合序列转录控制缺氧条件下荧光蛋白的表达,以检测缺氧细胞。虽然这些方法有助于识别体内短暂缺氧的细胞,但它们不能可靠地用于追踪在血液和肺中进行复氧的缺氧细胞的命运。

 

近期,约翰·霍普金斯大学的研究人员在Nature Communications杂志上发表长文“Fate-mapping post-hypoxic tumor cells reveals a ROS-resistant phenotype that promotes metastasis”,建立并阐明了一种可应用于解决癌症研究、胚胎发育以及受缺氧严重影响的病理等广泛生物学问题的缺氧命运图谱系统(Fate-mapping system)。此外,该研究完全表征了在癌症发展到转移过程中缺氧细胞的命运,证明缺氧后细胞转移潜能增强,这与增强的侵袭能力、转移起始能力和抗活性氧表型有关。

 

缺氧后肿瘤细胞具有抗活性氧的表型

图1. 缺氧后细胞在转移级联中的作用。缺氧后肿瘤细胞具有抗活性氧的表型,在血流中提供生存优势,并促进其建立明显转移的能力

 

首先,研究人员设计建立了缺氧命运图谱系统,通过触发从红色荧光报告蛋白(DsRed)到绿色荧光蛋白(GFP)的荧光开关,使细胞在缺氧时被永久标记。实验证明该系统对低氧水平(<0.5%)具有严格的控制反应,与在人类肿瘤中测量的氧气水平相当。二维和三维的组织系统和动物实验,充分表征了缺氧细胞在癌症发展至转移过程中的命运。平行研究中构建的转基因小鼠经历缺氧时,其细胞永久地从tdTomato转化为GFP表达。

 

慢病毒载体

图2. 用于生成hypoxia fate-mapping system的两个慢病毒载体

 

然后,研究人员创建了一种三联转基因小鼠(其中Cre转基因小鼠由赛业生物构建),在肿瘤进展期间将自发的乳腺癌发展为fate-map hypoxic cells,发现体外研究并不能再现体内瘤内缺氧的反应。在体内经历肿瘤内缺氧的细胞产生的基因表达特征与通过体外缺氧暴露建立的细胞相比,可作为更好的预后指标。

 

图3. 三联转基因小鼠的构建及转基因位置的确定

 

进一步的研究表明,缺氧后肿瘤细胞具有抗活性氧的表型,在血流中提供生存优势,并促进其建立明显转移的能力。缺氧后细胞在转移部位保持低氧诱导基因的表达增加,这表明存在“缺氧记忆”的可能性。针对缺氧肿瘤细胞具有活性氧(reactive oxygen species , ROS)耐药表型的特性,未来可能有助于预防或限制肿瘤细胞的转移。

 

原文检索:

Fate-mapping post-hypoxic tumor cells reveals a ROS-resistant phenotype that promotes metastasis.

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-12412-1

 

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