景杰生物/报道 

编者按：2016年，著名学术期刊Nature以“Is  there  a  reproducibility  crisis  in  science?”为题，做了一个关于实验可重复性的线上调查，结果让人吃惊，在这个有1576个科学家参与的调查中，超过半数的参与者遇到无法重复他人实验结果的事。

因为生物医学研究的结论和人体健康密切相关，因此无论如何强调医学研究结果的可重复性都不为过。影响生物实验的结果因素主要有：技术方面和实验材料，而目前的研究多集中在前者，对实验材料本身的差异研究还不多。

近日，著名学术期刊Nature Biotechnology发布了来自苏黎世大学的Ruedi Aebersold教授和耶鲁大学刘延盛博士等人的研究成果【1】。研究者联合全球13家研究机构，分析这些机构保存的HeLa细胞样本，通过基因组、转录组和蛋白质组等多位组学分析，几种常见的HeLa细胞系变体虽然都冠以HeLa之名，但是它们之间存在显著的异质性（heterogeneity）。最后通过蛋白质组解释了HeLa细胞系变体对沙门氏菌感染应答的差异。

这些发现对人类培养细胞获得的研究结果的解释和再现性具有重要意义。 也表明人类癌细胞系的生物学复杂性，并为如何确保从这些癌症细胞系获得可靠的数据提供了重要思路。

背景

迄今为止，生物医学工作者最常用的细胞系毫无疑问当推HeLa细胞。与之相关的研究论文近7万篇，产生了许多重要的成果，如HPV疫苗，脊髓灰质炎疫苗，端粒酶，细胞凋亡等。研究人员估计，迄今培养过的HeLa细胞可能高达5千万吨。如果将这些细胞一个个排列起来，可以绕地球赤道三周。

HeLa细胞是如此重要，我们反倒是忘记了其来源：这个从人类宫颈癌组织分离出来的，可以无限增殖的细胞，它的主人是谁？为什么我们以HeLa命名她？带着这个问题，作家Rebecca Skloot历时十年写出了著名的“The immortal life of Henrietta Lacks”一书（图 1），研究人员如何从黑人妇女Henrietta Lacks的病理组织中分离出HeLa细胞， 记述Lacks家族成员，如何用一生的时间来接受HeLa细胞的存在及其永生的奥秘，并探讨了医学伦理、身体组织所有权的法律问题，以及其中的种族问题。

图1 纽约时报Bestseller图书“The immortal life of HeLa” （左图）。显微镜下HeLa细胞渲染图（右图）

近些年，陆续有研究表明，很多医学研究中使用的癌症细胞系存在着标识错误，细胞污染等问题，导致一些试验结果不能重复的严重问题。为此，Genentech的研究人员曾在Nature上发文，利用基因测序的方法，通过DNA short tandem repeat和SNP多态性对细胞身份进行鉴定【2】。

然而，蛋白质是生命活动的执行分子，细胞基因不变，但是环境的变化或者细胞传代次数都会导致蛋白质变化，进而会对其表型有影响。因此，仅仅通过DNA测序的方法，对某一细胞系在不同环境下，其蛋白质组的变化和表型的影响还未知。

Ruedi教授等人利用蛋白质组学，拷贝数变异CMV、转录组学等多维组学，对分布在13个研究机构等HeLa细胞及其变体进行了分析。HeLa细胞变体有HeLa CCL2细胞系、HeLa S3细胞系以及HeLa Kyoto细胞系。在这14个被分析的样本中，#14和#12代表是同一样本的不同传代次数（P7和P50代）。从拷贝数变异（CMV）来看，无论是HeLa CCL2和HeLa Kyoto之间（染色体2），还是HeLa CCL2不同传代次数的细胞间（染色体19）都存在差异（图 2）。

图2 不同HeLa细胞系，各染色体上拷贝数变异（CMV）情况

接下来利用转录组测序分析了11, 365个转录本，利用基于SWATH的定量蛋白质组学分析5030个蛋白质的含量变化，利用pulse SILAC定量蛋白质组学分析2084个蛋白的turnover情况。RNAseq差异表达谱结果表明，HeLa Kyoto和HeLa CCL2虽然都源自同一癌组织，但是其差异巨大，不亚于不同组织细胞系之间的差异（图3）。

图3 多维组学分析三类HeLa细胞系

DNA水平的CNVs变化导致基因表达的差异，但是在蛋白质水平上的差异就没有RNA水平明显（图 4）。

图4 HeLa细胞系中，各个染色体上CNVs、mRNA、蛋白水平的差异分析

上述研究表明，不同的HeLa细胞系变体之间在分子水平存在着异质性，比如HeLa Kyoto较HeLa CCL2生长速度快，其参与细胞周期的CDKs表达量也增加50%以上。那么这些异质性在表型上如何体现？研究人员发现#11 HeLa较其它HeLa相比，对沙门菌的侵染抵抗力强。蛋白质组学分析表明，其参与寄主内internalization的Arp蛋白复合体下调 (图 5)。

图5 不同的HeLa细胞系变体对沙门菌感染的抗性具明显差异

总结

本研究表明，在做生物医学实验时，只确定实验细胞系并不能保证我们结果的可重复性，确定细胞系变体，甚至记录传代次数对试验结果的可重复性都是非常有必要的。而传统的仅仅通过DNA short tandem repeat和SNP多态性对细胞身份进行鉴定也不能确保我们区分细胞身份。这里作者运用定量蛋白质组学可以有效对细胞身份进行确认。

参考文献：

【1】Yansheng Liu, et al.,(2019), Multi-omic measurements of heterogeneity in HeLa cells across laboratories. Nature Biotechnology.

【2】Mamie Yu, et al., (2015), A resource for cell line authentication, annotation and quality control. Nature.

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