文 / 常亮

審核 / 袁博，方睿

排版 / 方睿

癌細胞系（cancer cell line），是每個癌癥科研工作者再熟悉不過的名詞。想要在實驗室中洞悉導致癌癥的元兇，或是在藥廠探尋攻克癌癥的武器，必不可少的第一步便是獲取癌細胞作為研究癌癥的模型。所幸，一些病人的癌細胞從體內(nèi)分離出來后依然生命力旺盛。一個塑料培養(yǎng)皿，倒上培養(yǎng)基和血清，輔以合適的溫度和二氧化碳濃度，就成了這些癌細胞的新家。這些可以在實驗室里生長、分裂、傳代的癌細胞被人們稱作癌細胞系，是癌癥機理研究和新藥研發(fā)必不可少的工具。

培養(yǎng)癌細胞系的塑料培養(yǎng)皿

1951年，第一個癌細胞系 HeLa 從美國約翰霍普金斯大學醫(yī)院一個宮頸癌病人中分離出來，在全世界成千上萬的實驗室中生長。

今天，已有近4000種癌細胞系從幾千個癌癥病人中提取，并在實驗室中被成功培養(yǎng)。這幾千個癌癥病人的癌細胞在實驗室中繁衍生息，作為簡單易用的工具讓研究人員投身癌癥研究一線。深入分析這些細胞系，可以理解癌癥的發(fā)生和發(fā)展的機制；將實驗室中的藥物加入細胞系當中，可以發(fā)現(xiàn)哪些新藥有殺滅癌癥的潛力。

科研史上的第一個癌細胞系 HeLa

在癌細胞系的巨大貢獻之余，一些重要的問題漸漸浮現(xiàn)：這些細胞系的基因和分子特征是什么？ 它們的基因組有哪些突變，哪些拷貝數(shù)變化？ 它們各個基因的RNA表達量是什么？從特定癌細胞中得到的信息，對臨床中哪個病人最相關(guān)？這些已經(jīng)在實驗室中被使用了幾十年的細胞系，依然沒有屬于自己的“體檢報告”。

要知道，過去幾十年間，數(shù)十萬篇癌癥研究相關(guān)的論文中大都少不了癌細胞系的身影，每個癌癥新藥的研發(fā)過程都會使用癌細胞系來進行藥效或藥理的實驗。如果不知道這些癌細胞系的分子細節(jié)就貿(mào)然使用，所得到的研究成果對理解和攻克癌癥有多大的幫助也會被打上問號。有些藥物能殺滅一些癌細胞系，卻不能殺滅其他，到底對治療病人的癌癥有多大的幫助也不得而知。

博德研究所（Broad Institute of MIT and Harvard） 和諾華公司（Novartis Institutes for Biomedical Research）的科學家們意識到了這個問題。這次學術(shù)界和工業(yè)界的強強聯(lián)合，帶來了癌癥研究歷史上規(guī)模空前的項目：癌細胞系百科全書 （Cancer Cell Line Encyclopedia, CCLE）。他們的目標是通過高通量基因組學方法，解碼常用的一千余種癌細胞系的基因組、轉(zhuǎn)錄組、表觀基因組和功能信息，并將這些信息作為資源免費向公眾開放，讓 CCLE 成為全世界癌癥科研人員都能使用的百科全書。

2012年，CCLE 第一階段的結(jié)晶，一篇《Nature》橫空出世[1] 。這篇文章中，博德和諾華的研究者們使用了DNA微矩陣（microarray）和定點測序（panel sequencing）的方法，分析了947種癌細胞系超過1600個基因的突變、拷貝數(shù)變化和基因表達情況。同時，他們在479種癌細胞系中試驗了24種抗癌藥的效果，并嘗試將不同細胞系對抗癌藥的敏感程度和他們的基因組特征對應(yīng)。百科全書建設(shè)初見成效。

CCLE 第一階段的領(lǐng)頭人是 Broad Institute / Dana Farber Cancer Institute 的 Levi Garraway 教授，和諾華的全球腫瘤掌門人（Global Head of Oncology）William Sellers。在CCLE 的推行過程中，他們的身份也發(fā)生了有趣的變化：Levi Garraway 從學術(shù)界跳槽到了工業(yè)界，2017年開始成為了禮來藥業(yè)（Eli Lilly）的高級副總裁，主管全球腫瘤業(yè)務(wù)。William Sellers 則從工業(yè)界重回學術(shù)界，2016年成為了博德研究所的 Core Member 和哈佛醫(yī)學院教授。值得一提的是，William Sellers 在前往諾華之前在哈佛醫(yī)學院任教，Levi Garraway 是他實驗室的博士后。師徒二人因為 CCLE 再度合作，期間又雙雙完成了學術(shù)界和工業(yè)界的“對跳”，也算是機緣巧合。

CCLE 兩位領(lǐng)軍人物的身份轉(zhuǎn)變

從諾華到博德研究所，William Sellers 一直堅守在CCLE。耕耘7年，博德和諾華的研究者們完成了這項規(guī)模宏大的項目，在本周的5月8號再次發(fā)表在《Nature》上[2]。

在這一新版本的 CCLE 里，1079個癌細胞系的基因組（Microarray & WES）、轉(zhuǎn)錄組（RNAseq）、表觀遺傳組（DNA methylation & Histone Modification）信息被詳細記錄，899個癌細胞系的蛋白組和代謝組信息也被解讀。除此之外，細胞系相關(guān)的臨床信息、藥物敏感度、gene dependency（by CRISPR screening）都被整合在 CCLE 當中。7年磨一劍，CCLE 已經(jīng)成為了查找癌細胞系信息當之無愧的“百科全書”。

CCLE 包含的部分信息

CCLE 的全部數(shù)據(jù)都可以在博德研究所的公開數(shù)據(jù)庫中獲得開源下載鏈接。如果想免去編(de)程(bug)的煩惱，depmap則提供了癌細胞系信息的一站式平臺。只要輸入特定的細胞系名稱，全部信息一覽無余。

#https://www./ccle

#https:///portal/

以筆者最近在使用的 A375 melanoma 細胞系為例，depmap 提供了關(guān)于這個細胞系的來源、形態(tài)、preferential dependent gene、mutation、fusion 等相關(guān)信息，包含了我需要了解這個細胞系的一切背景資料，如果能幫我把實驗做完就更完美了。

使用 CCLE 查詢細胞系信息

“我們希望可以通過公開這些數(shù)據(jù)，讓癌癥研究社區(qū)共同譜寫癌癥研究的全局，讓學術(shù)界和工業(yè)界的大家都可以更好地為開發(fā)癌癥新藥作出努力”。CCLE 項目的負責人 William Sellers 評論道。筆者作為 William Sellers 在博德研究所實驗室的一員，也深切感受到了他對癌癥研究數(shù)據(jù)開源的追求。

過去幾年，數(shù)據(jù)公開在癌癥領(lǐng)域成為了新潮流。美國國家癌癥研究所（NCI）領(lǐng)導的癌癥基因組圖譜計劃（TCGA）在去年完結(jié)，一萬多個病人癌癥樣本的各項測序結(jié)果全部公開，方便全世界癌癥科研人員和臨床醫(yī)生了解癌癥的基因組細節(jié)。由美國癌癥研究協(xié)會（AACR）牽頭，美國境內(nèi)幾十家主要醫(yī)院參與的GENIE 計劃，至今已測序了3萬余名癌癥病人的基因組，這些數(shù)據(jù)也全部開源。

基因組之外，治療癌癥的小分子新藥也成了“癌癥研究開源化”潮流的一部分。2011年，還在 Dana Farber Cancer Institute 的 Jay Bradner 博士團隊研發(fā)出了抑制 BRD4 蛋白的小分子新藥 JQ1，對多種癌癥有很好的效果。費時費力研發(fā)出一個新藥，很多實驗室都會盡快發(fā)表盡可能多的論文，讓自己建立領(lǐng)先于同行的優(yōu)勢。但出乎意料的是，Jay Bradner 在第一時間發(fā)表了關(guān)于 JQ1 結(jié)構(gòu)的論文之后[3] ，主動把合成好的 JQ1 免費發(fā)送給全世界想要研究 BRD4 的實驗團隊，超過40家美國實驗室和30家歐洲實驗室都收到了他們寄過去的新藥。

無獨有偶，諾華在2016年開發(fā)出了抑制 SHP2 蛋白的小分子新藥 SHP099，打破了磷酸酶沒有有效抑制劑的“魔咒”。一般藥廠有了這樣開創(chuàng)性的新藥都會選擇“悶聲發(fā)大財”，沒有發(fā)表成果的意愿。這次諾華卻打破了先例，把 SHP099 的結(jié)構(gòu)、篩選過程和研發(fā)的實驗設(shè)計都發(fā)表在了《Nature》雜志上[4] 。在此之后，SHP2 在癌癥中的研究如同雨后春筍，很多有趣的機制和治療策略都在隨后的幾年被發(fā)現(xiàn)。值得一提的是，這篇論文的通訊作者也是 William Sellers。

Jay Bradner 關(guān)于癌癥研究開源化的 TED Talk

這是癌癥研究最好的時代。有 Broad Institute， NCI，AACR 這些大型機構(gòu)孜孜不倦的努力，癌癥科研工作者可以接觸到的大數(shù)據(jù)集日新月異。大家不再需要費心費力追求攻克數(shù)據(jù)壁壘，而是可以花更多時間探尋癌癥未知的機制。不管身處學界還是業(yè)界，這些海量的癌癥相關(guān)數(shù)據(jù)都可以幫助我們向攻克癌癥的目標更進一步。

這也是癌癥研究充滿挑戰(zhàn)的時代。對癌癥研究者而言，像10年前一樣“一招鮮吃遍天”，依靠獨有的數(shù)據(jù)集發(fā)論文如流水的時代一去不復返。同時，想要更好地利用這些日新月異的數(shù)據(jù)集，只靠悶頭做實驗是遠遠不夠的，數(shù)據(jù)科學和編程的訓練也愈發(fā)重要。理解大數(shù)據(jù)背后的含義、從海量數(shù)據(jù)中找到有生物學意義的假設(shè)，是新時代癌癥科研工作者不可缺少的技能。

References:

1. https://www./articles/nature11003

2. https://www./articles/s41586-019-1186-3

3. https://www./articles/nature09504

4. https://www./articles/nature18621