不同實(shí)驗(yàn)室的HeLa細(xì)胞在遺傳學(xué)和表型上存在異質(zhì)性

HeLa細(xì)胞現(xiàn)已在世界各地的許多實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)了將近70年，并且長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是無(wú)限供應(yīng)的沒(méi)有發(fā)生變化的相同細(xì)胞。然而，在一項(xiàng)新的研究中，來(lái)自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、日內(nèi)瓦大學(xué)、巴塞爾大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)、德累斯頓工業(yè)大學(xué)、意大利米蘭大學(xué)和美國(guó)耶魯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)HeLa細(xì)胞在不同實(shí)驗(yàn)室之間存在很大差異，這讓人們對(duì)利用這種細(xì)胞系開(kāi)展的研究的可重復(fù)性提出了質(zhì)疑。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2019年3月的Nature Biotechnology期刊上，論文標(biāo)題為“Multi-omic measurements of heterogeneity in HeLa cells across laboratories”。

這并不是**報(bào)道HeLa細(xì)胞系自從它的創(chuàng)建以來(lái)發(fā)生多樣化：多年來(lái)，其他的研究小組已記錄了不同的HeLa變異株在基因序列和RNA表達(dá)方面存在著顯著差異。

這項(xiàng)最新研究**全面分析了各種HeLa變異株---在全球多個(gè)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的不同批次HeLa細(xì)胞---的遺傳變異，并**證實(shí)這種遺傳異質(zhì)性導(dǎo)致蛋白表達(dá)和表型變化。

具體而言，這些研究人員從6個(gè)國(guó)家的13個(gè)實(shí)驗(yàn)室收集了14份HeLa樣本，并在相同的實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)它們。他們首先定量確定了基因拷貝數(shù)變化---一個(gè)給定基因的重復(fù)次數(shù)，從而揭示了在它們的基因組之間存在著明顯差異。這種情形在兩種最廣泛使用的HeLa細(xì)胞株--- HeLa CCL2（被認(rèn)為是這種細(xì)胞系的“原始”變異株）和HeLa Kyoto（這種細(xì)胞系的一個(gè)分支，具有可用于成像等特定應(yīng)用的特性）---中尤其值得注意。

進(jìn)一步的分析表明，許多遺傳差異轉(zhuǎn)化為mRNA產(chǎn)生的變化，并且在較小程度上轉(zhuǎn)化為蛋白豐度的變化。這些研究人員報(bào)道，HeLa CCL2和HeLa Kyoto細(xì)胞系的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)特征彼此不同，就像來(lái)自?xún)煞N不同類(lèi)型組織的癌細(xì)胞系一樣。

這些HeLa變異株在體外培養(yǎng)時(shí)的生長(zhǎng)速度也有所不同：一些HeLa細(xì)胞群體需要17.5小時(shí)才能翻倍，而其他的HeLa細(xì)胞群體在相同的培養(yǎng)條件下需要32多個(gè)小時(shí)才做到這一點(diǎn)。它們對(duì)沙門(mén)氏菌感染的反應(yīng)也不同：與其他兩種HeLa變異株相比，一種HeLa變異株對(duì)這種感染的敏感性較低，這些研究人員將此歸因于低水平的一種在這種細(xì)菌入侵宿主細(xì)胞中起作用的蛋白質(zhì)復(fù)合物。

在另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，這些研究人員通過(guò)培養(yǎng)細(xì)胞系三個(gè)月來(lái)研究單個(gè)HeLa變異體中基因表達(dá)是否隨時(shí)間而變化。他們記錄了早期產(chǎn)生的細(xì)胞和晚期產(chǎn)生的細(xì)胞之間存在大約6％的基因表達(dá)差異。

論文通信作者、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院分子系統(tǒng)生物學(xué)研究所教授Ruedi Aebersold說(shuō)，“這些細(xì)胞的差異確實(shí)非常顯著，即便在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，它們也很快地發(fā)生變化。”他估計(jì)，如果一名研究生在他或她的項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)利用HeLa細(xì)胞系開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，并被要求在六個(gè)月后重復(fù)這一實(shí)驗(yàn)，“他們可能會(huì)取得不同的結(jié)果”。

關(guān)于研究中“可重復(fù)性危機(jī)（reproducibility crisis）”的大部分討論集中在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析上的缺陷，以及作為主要驅(qū)動(dòng)因素的污染或錯(cuò)誤標(biāo)記的細(xì)胞系。但是，Aebersold認(rèn)為HeLa細(xì)胞---以及更一般的意義上的癌細(xì)胞---的生物學(xué)差異可能發(fā)揮著重要的作用。他指出，在會(huì)議上，他經(jīng)常觀察到研究人員對(duì)從同一實(shí)驗(yàn)中獲得不同結(jié)果進(jìn)行激烈爭(zhēng)論。他解釋道，“這意味著一個(gè)人犯了一個(gè)錯(cuò)誤”，但是另一個(gè)解釋是“所使用的細(xì)胞可能不是同一個(gè)細(xì)胞。”

斯坦福大學(xué)細(xì)胞生物學(xué)家Tim Stearns（未參與這項(xiàng)研究）觀察到長(zhǎng)期培養(yǎng)下細(xì)胞系發(fā)生變化的幾個(gè)可能的原因。舉個(gè)例說(shuō)，HeLa細(xì)胞是已知具有基因組不穩(wěn)定性的癌細(xì)胞，因此可能隨時(shí)間的推移隨機(jī)地發(fā)生突變。此外，它們?cè)趯?shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)中受到各種條件的影響，這可能會(huì)促使它們出現(xiàn)獨(dú)特的特征。比如，他說(shuō)，哺乳動(dòng)物細(xì)胞的培養(yǎng)包括培養(yǎng)它們直到填滿整個(gè)培養(yǎng)皿，吸走一部分細(xì)胞，將它們放入另一個(gè)培養(yǎng)皿中重新生長(zhǎng)。他說(shuō)，“每個(gè)人的做法都有點(diǎn)不同。這以我們不完全理解的方式對(duì)細(xì)胞進(jìn)行選擇。”

胎牛血清---用于培養(yǎng)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的生長(zhǎng)因子混合物的主要成分---也可能在不同實(shí)驗(yàn)室之間發(fā)生變化。這可能導(dǎo)致不同的轉(zhuǎn)錄譜和不同的選擇壓力。

HeLa分離株之間的差異可能會(huì)讓一些生命科學(xué)家比其他人更擔(dān)心。使用HeLa細(xì)胞研究DNA復(fù)制或囊泡運(yùn)輸?shù)韧ㄓ眉?xì)胞過(guò)程的分子生物學(xué)家和生物化學(xué)家不太可能擔(dān)心他們的結(jié)果可能無(wú)法重現(xiàn)，這是因?yàn)檫@些過(guò)程在面對(duì)這種選擇性壓力時(shí)不太可能發(fā)生變化。研究沙門(mén)氏菌感染等更復(fù)雜特征的發(fā)育和細(xì)胞生物學(xué)家可能更有理由擔(dān)心。

Aebersold和他的同事們?cè)谶@篇論文中提出了幾個(gè)具體的解決方案。首先，科學(xué)家們應(yīng)當(dāng)使用癌細(xì)胞系的早期傳代，并確保在相同細(xì)胞系的不同樣品中利用一個(gè)細(xì)胞系重復(fù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。重要的是，生物學(xué)家應(yīng)當(dāng)清楚地報(bào)道他們?cè)诮o定的研究中使用哪種細(xì)胞系變異株。Stearns指出，“許多人甚至不確定他們擁有哪種類(lèi)型的HeLa細(xì)胞”。他贊同，提高透明度將是一個(gè)積極的變化。

Aebersold希望在今年晚些時(shí)候與歐洲分子生物學(xué)組織（European Molecular Biology Organization）計(jì)劃舉辦的一個(gè)研討會(huì)上找到更多的解決方案。這將包括來(lái)自各個(gè)領(lǐng)域（比如科學(xué)政策、出版和科學(xué)）的25位專(zhuān)家，旨在就如何解決細(xì)胞系研究中的可重復(fù)性問(wèn)題提出建議。

最后，他希望他的研究將能夠有助于針對(duì)不可復(fù)制結(jié)果的原因制定科學(xué)政策。他說(shuō)，科學(xué)家們無(wú)法復(fù)制彼此研究工作的觀點(diǎn)是危險(xiǎn)的。“簡(jiǎn)單的結(jié)論是要么我們作為生命科學(xué)家不知道我們正在做什么，要么更糟糕的是，事情都是虛構(gòu)的。”這將使得厭惡科學(xué)的政策制定者更容易辯稱(chēng)，把錢(qián)花在研究上是浪費(fèi)。“我認(rèn)為重要的是提供證據(jù)表明它不是那么簡(jiǎn)單，人們不只是作弊，人們不是無(wú)能，而是事情要復(fù)雜得多。”