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本文由荷兰皇家艺术与科学学院 Hubrecht 研究所Hans Clevers团队的科研人员11月01日在线发表于Nature Cancer杂志。原文衔接请点击文章最后的阅读原文。
通过在错配修复缺陷的人类结肠类器官中选择四种自发
致癌突变来重现腺瘤-癌序列
文章创新点
该论文提出了一种利用错配修复缺陷（MMR）的人的结肠类器官，通过自然选择的突变积累模拟腺瘤-癌变序列。不同于之前依赖CRISPR-Cas9引入驱动突变的模型，本研究利用错配修复缺陷，使突变自发积累和选择。具体而言，研究在培养基中进行针对性的调整，从而在关键通路（Wnt、BMP、EGF和p53）中选择突变，模拟肿瘤微环境的条件。
自然突变选择
2. 综合通路建模
论文成功模拟了CRC中四个关键通路的突变（Wnt、BMP、EGF和p53），这些通路共同推动类器官向全癌变状态进展。这种多通路的复杂性比以往单一或少数通路的模型更贴近实际CRC的突变依赖性。
3. 肿瘤形成验证：异种移植实验
4. 药物测试和研究的实际应用
文章解析
背景
结直肠癌（CRC）是一种常见且致命的癌症，其肿瘤发展通常遵循腺瘤-癌变序列，伴随特定致癌突变的积累，尤其在Wnt、p53、BMP和EGF通路中。CRC大致可分为染色体不稳定型（CIN）和微卫星不稳定型（MSI）。MSI型CRC通常由DNA错配修复（MMR）缺陷引起，表现出不同于CIN型的高突变特征。尽管已有研究通过CRISPR引入关键CRC驱动基因突变到正常类器官中，这种方法并未完全重现MMR缺陷CRC中自然发生的突变驱动的通路激活。本研究旨在通过MMR缺陷的人类结肠类器官模型，模拟CRC发展，允许自然突变在选择性压力下积累，以更真实地重现MMR缺陷相关CRC的发生过程。
技术方法
类器官培养和MMR缺陷：通过敲除MLH1基因（关键MMR基因）在结肠类器官中引入MMR缺陷表型，模拟与MSI CRC相关的突变。
通过培养条件施加选择性压力：研究者未使用CRISPR工程手段，而是利用特定生长因子环境促进四大通路（Wnt、BMP、EGF和p53）中基因的突变选择，例如，通过去除培养基中的Wnt激动剂来选择Wnt通路突变，通过添加Nutlin-3（p53通路激活剂）来促进p53通路突变。
突变分析与验证：对选择的类器官克隆进行全基因组和全外显子测序（WGS和WES），鉴定突变并验证关键突变（如AXIN1、AXIN2、TP53、ACVR2A、BMPR2和NRAS）的功能激活。
小鼠模型异种移植：将四重突变类器官移植至小鼠体内，这些类器官能够形成实体肿瘤，证实其进展至肿瘤状态。
结果讨论
通路独立性：通过逐步施加选择压力，类器官获得了关键基因的突变，摆脱了对培养基中小生境因子的依赖。重要突变包括Wnt通路中的AXIN1和AXIN2、p53通路中的TP53和EGF通路中的NRAS。
小鼠模型中的肿瘤形成：在免疫缺陷小鼠中移植四重突变类器官后，它们形成了血管化的实体肿瘤，类似于侵袭性癌。这一结果验证了这些突变在体内能够驱动肿瘤的进展。
突变特征：MMR缺陷类器官的突变特征与已知的MSI CRC突变特征相符，进一步表明该模型在研究MSI亚型CRC中的重要性。
本研究展示了一种新颖且生理相关的CRC建模方法，特别是MSI型CRC，通过允许MMR缺陷类器官在选择性压力下自然积累突变，成功重现了腺瘤-癌变序列。研究通过路径特异性突变，揭示了CRC在真实生物环境中的发展过程，显示出MSI肿瘤在某些通路依赖性上的特性，成为测试靶向治疗和理解药物反应的有用工具。
该模型为MSI CRC的发病机制提供了新视角，展示了肿瘤在获得对小生境因子非依赖性后如何通过特定突变实现增殖和存活。与工程突变不同，自然突变模型更好地反映了CRC患者中的随机性突变模式。该模型还可以在测试针对MSI CRC突变的药物和研究耐药机制方面发挥重要作用，因为这些类器官反映了MMR缺陷CRC的基因和功能复杂性。
研究的局限性
培养时间较长：自然突变的选择过程较为耗时，可能需要长达30个月才能获得所需突变，这对高通量研究的实用性提出了挑战。
突变谱限制：尽管该模型成功选择了MSI CRC常见突变，但它可能无法完全捕捉患者肿瘤中的更广泛突变多样性，限制了其在完全表征MSI CRC遗传多样性中的代表性。
小鼠模型局限性：虽然类器官在小鼠中形成了肿瘤，但小鼠与人类组织在微环境上的差异可能会影响这些突变驱动的肿瘤行为和药物反应，限制了直接应用于人类疗法预测的能力。
综上所述，本文提出了一种新的、真实的基于类器官的MSI CRC研究模型，通过在MMR缺陷细胞中利用自然突变积累，为研究CRC发展机制、靶向治疗测试和MSI肿瘤生物学研究提供了宝贵的平台。
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