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在癌症研究领域，明确癌细胞转移机制对提升诊疗水平至关重要。研究人员针对黑色素瘤细胞，开展 “解密受限黑色素瘤迁移中预先存在和诱导的 3D 基因组架构变化” 研究，发现 ITGB4 与细胞迁移相关，揭示 3D 基因组结构在癌症转移中的作用，为后续研究奠基。
在癌症的世界里，肿瘤细胞的转移就像一场神秘的 “旅行”，它们离开原发部位，穿越重重障碍，在身体的其他地方 “安营扎寨”，给患者带来极大的危害。黑色素瘤作为一种恶性程度较高的皮肤癌，其细胞的迁移和转移机制一直是科学家们关注的焦点。目前，虽然对癌症转移有了一定的了解，但仍存在许多关键问题亟待解决。例如，肿瘤具有高度异质性，只有部分细胞能够成功转移，那么这些具有转移能力的细胞最初具备哪些特征呢？在转移过程中，细胞又会发生哪些变化呢？而且，现有研究难以区分这些变化是源于细胞原本就存在的差异，还是在转移过程中受到外界因素诱导产生的。这些问题就像一团团迷雾，笼罩着癌症研究的道路，严重阻碍了更有效的诊断和治疗方法的开发。
为了驱散这些迷雾，来自美国田纳西大学（University of Tennessee）的研究人员展开了一项深入的研究，致力于解密受限黑色素瘤迁移中预先存在和诱导的 3D 基因组架构变化。他们的研究成果发表在《iScience》杂志上，为我们理解黑色素瘤细胞的迁移机制带来了新的曙光。
研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是染色体构象捕获技术（Hi-C），它就像是细胞基因组的 “摄影师”，能够拍摄下基因组在三维空间中的构象，帮助研究人员分析 3D 基因组结构的变化；二是 RNA 测序（RNA-seq），可以测定细胞中 RNA 的序列和表达水平，从而了解基因的表达情况；三是荧光激活细胞分选技术（FACS），能够精准地分离出特定的细胞群体，如高表达 ITGB4 的细胞和低表达 ITGB4 的细胞。通过这些技术，研究人员对黑色素瘤细胞进行了全面而细致的研究。
ITGB4 表达与 A375 细胞迁移的关系
研究人员发现，ITGB4（整合素 β4）的表达在 A375 细胞受限迁移后显著增加，并且与细胞的初始迁移率密切相关。通过对经过 10 轮 5μm constrictions 迁移的 A375 细胞进行 RNA-seq 分析，发现 ITGB4 是上调最为显著的基因之一。进一步研究表明，这种上调仅在受限迁移的细胞中出现，而在通过 12μm pores 迁移的细胞中并未观察到，这说明 ITGB4 的上调是受限迁移特有的现象。研究人员利用 FACS 技术分离出高表达 ITGB4 的细胞（ITGB4+）和几乎不表达 ITGB4 的细胞（ITGB4-），实验结果显示，ITGB4+细胞的初始迁移率明显高于 ITGB4-细胞，甚至与经过 10 轮受限迁移的 Bottom10 细胞相当。这一发现表明，ITGB4 的表达水平与 A375 细胞的初始迁移能力存在紧密联系。
ITGB4+细胞的表型特征
ITGB4+细胞在形态和功能上呈现出独特的特征，处于 ITGB4-细胞和 Bottom10 细胞之间的中间状态。在 2D 培养环境中，ITGB4+细胞与 ITGB4-细胞相比，具有更少的细胞 - 细胞粘附，更倾向于伸出类似 Bottom10 细胞的突起，但突起数量又少于 Bottom10 细胞，且细胞体的伸长程度也介于两者之间。在伤口愈合实验中，ITGB4+细胞表现出与 Bottom10 细胞相似的快速愈合能力，而 ITGB4-细胞在 24 小时内几乎没有伤口闭合的迹象。在 3D 胶原基质中，ITGB4-细胞保持球形，无法迁移，只能原地旋转；ITGB4+细胞则能长出极长的突起，但与 Bottom10 细胞不同的是，ITGB4+细胞在基质中没有明显的净移动。这些结果表明，ITGB4+细胞虽然具有较高的迁移潜能，但与经过多次受限迁移的 Bottom10 细胞仍存在差异。
ITGB4 表达的选择和诱导特征
研究人员通过详细监测 ITGB4 细胞表面表达水平在多轮受限迁移过程中的变化，发现 ITGB4 的表达增加既存在选择特征，也存在诱导特征。在迁移过程中，无论是亲代细胞群体还是单个克隆衍生的细胞群体，ITGB4 表面蛋白表达水平都随着迁移轮数的增加而上升，且这种增加在受限迁移（5μm pore）中显著，在非受限迁移（12μm pore）中不明显。在某些迁移轮次中，ITGB4+细胞在通过 Transwell 后数量立即增加，呈现出选择的特征；而在另一些轮次中，细胞在迁移后的生长过程中 ITGB4 水平进一步升高，这表明存在其他诱导 ITGB4 表达的机制。此外，研究还发现，迁移率与 ITGB4 表达在迁移前和迁移后均具有良好的相关性，且需要经过多轮迁移才能使 ITGB4 表达和迁移效率大幅提高。这一系列结果表明，ITGB4 既可以作为迁移细胞的初始选择标记，又能在迁移过程中进一步被诱导表达。
3D 基因组结构差异
研究人员利用 Hi-C 技术对 ITGB4+和 ITGB4-细胞进行分析，发现它们在 3D 基因组结构的隔室水平上存在显著差异。通过主成分分析，研究人员发现不同条件下的 250kb 区域的 A/B 隔室化谱存在明显差异。例如，Chr18 上存在一些区域，在 ITGB4+和 ITGB4-细胞中隔室发生了切换，同时也有一些区域隔室强度发生了改变。从更全局的角度来看，几乎每条染色体都有一些区域的隔室发生了变化，且亲代细胞和克隆细胞的隔室变化具有一致性，这表明存在一种一致的 3D 基因组隔室模式来表征初始迁移的 ITGB4+亚群。此外，ITGB4+细胞的 3D 基因组结构处于亲代细胞和 Bottom10 细胞之间的中间状态，经过 5 轮受限迁移后，ITGB4+和 ITGB4-细胞在多个染色体上的隔室化发生了改变，且与 Bottom10 细胞更为相似。这说明受限迁移能够改变细胞的 3D 基因组结构，使细胞向更具迁移能力的状态转变。
特定基因组区域的变化
研究人员进一步发现，特定的基因组区域在受限迁移后更容易发生隔室转移或切换。通过对所有细胞条件进行隔室特征聚类分析，发现迁移细胞的隔室特征与非迁移细胞明显不同，且经过 5 轮受限迁移的 ITGB4+和 ITGB4-细胞的隔室谱最为相似。研究人员通过计算特征向量的斜率，确定了在 ITGB4 谱系和克隆进展中，分别有 668 个区域向 A 隔室渐进性转移，640 个区域向 B 隔室渐进性转移。通过分析不同克隆和 ITGB4 进展中最易发生隔室转移的区域，发现共有 50 个 250kb 的区域向 A 隔室转移，83 个区域向 B 隔室转移。这些区域分布在整个基因组中，除了染色体 19 外，几乎每条染色体都有至少一个转移区域。其中，染色体 3、11 和 18 上的敏感区域较多，这表明这些区域可能在促进细胞迁移中发挥重要作用。此外，研究还发现基因密度和染色体定位可能影响隔室变化的敏感性，基因贫乏、位于周边的染色体比基因丰富的内部染色体经历更多的变化。
基因表达与隔室变化的关系
研究人员对发生隔室变化的区域内的基因表达情况进行了研究，发现基因表达变化与隔室变化部分相关。通过对不同 ITGB4 和迁移条件下的细胞群体进行 RNA-seq 分析，并基于 RNA 表达谱进行聚类，发现迁移细胞和非迁移细胞在 RNA 表达谱上明显分开。对迁移细胞中上调基因的富集分析表明，多个与癌症进展相关的通路，如 KRAS 信号通路、上皮 - 间质转化通路和 NF - κB 炎症通路等均上调，同时 ITGB4 通路也在迁移细胞中富集。虽然只有一小部分在隔室变化区域的基因发生了显著的表达变化，但这些基因的表达变化方向与隔室变化预期一致。例如，从 B 隔室转移到 A 隔室的基因在 ITGB4+细胞中倾向于上调，而从 A 隔室转移到 B 隔室的基因则倾向于下调。功能富集分析显示，这些基因与黑色素瘤和皮肤癌、细胞粘附以及细胞突起的发育等相关。此外，研究还发现，隔室变化不仅与基因调控有关，还可能对细胞的物理状态产生影响，且迁移特异性的隔室变化往往发生在被 H3K27me3 标记的基因组区域。
研究人员通过一系列实验，深入剖析了黑色素瘤细胞迁移过程中预先存在和诱导的 3D 基因组架构变化。他们发现 ITGB4 在黑色素瘤细胞的迁移中起着重要作用，不仅是初始迁移能力的重要标记，而且在迁移过程中其表达会进一步受到调控。同时，3D 基因组结构的变化在细胞迁移中也扮演着关键角色，特定的基因组区域对受限迁移敏感，隔室变化与基因表达变化部分相关，共同影响着细胞的迁移能力和表型。这些研究结果为理解癌症转移的机制提供了重要的理论依据，有助于开发更精准的癌症诊断和治疗方法。例如，通过检测肿瘤细胞中 ITGB4 的表达水平和 3D 基因组结构的变化，可能预测癌细胞的迁移和转移潜能，为个性化治疗提供指导。然而，该研究也存在一定的局限性，如无法完全捕捉细胞间的异质性、只能在特定时间点观察细胞变化以及仅研究了一种黑色素瘤细胞系等。未来的研究可以在此基础上，进一步深入探讨触发和调节 ITGB4 表达及 3D 基因组结构变化的分子机制，研究不同患者来源的肿瘤细胞的差异，为攻克癌症转移这一难题提供更多的思路和方法。
