不同实验室的HeLa细胞在遗传学和表型上存在异质性

　　HeLa细胞现已在世界各地的许多实验室中培养了将近70年，并且长期以来被认为是无限供应的没有发生变化的相同细胞。然而，在一项新的研究中，来自瑞士苏黎世联邦理工学院、日内瓦大学、巴塞尔大学、中国科学院、德国亚琛工业大学、德累斯顿工业大学、意大利米兰大学和美国耶鲁大学的研究人员发现HeLa细胞在不同实验室之间存在很大差异，这让人们对利用这种细胞系开展的研究的可重复性提出了质疑。相关研究结果发表在2019年3月的Nature Biotechnology期刊上，论文标题为“Multi-omic measurements of heterogeneity in HeLa cells across laboratories”。

图片来自National Institutes of Health/Wikipedia。

　　这并不是首次报道HeLa细胞系自从它的创建以来发生多样化：多年来，其他的研究小组已记录了不同的HeLa变异株在基因序列和RNA表达方面存在着显著差异。

　　这项最新研究首次全面分析了各种HeLa变异株---在全球多个实验室培养的不同批次HeLa细胞---的遗传变异，并首次证实这种遗传异质性导致蛋白表达和表型变化。

　　具体而言，这些研究人员从6个国家的13个实验室收集了14份HeLa样本，并在相同的实验室条件下培养它们。他们首先定量确定了基因拷贝数变化---一个给定基因的重复次数，从而揭示了在它们的基因组之间存在着明显差异。这种情形在两种最广泛使用的HeLa细胞株 ---HeLa CCL2（被认为是这种细胞系的“原始”变异株）和HeLa Kyoto（这种细胞系的一个分支，具有可用于成像等特定应用的特性）---中尤其值得注意。

　　进一步的分析表明，许多遗传差异转化为mRNA产生的变化，并且在较小程度上转化为蛋白丰度的变化。这些研究人员报道，HeLa CCL2和HeLa Kyoto细胞系的转录组学和蛋白质组学特征彼此不同，就像来自两种不同类型组织的癌细胞系一样。

　　这些HeLa变异株在体外培养时的生长速度也有所不同：一些HeLa细胞群体需要17.5小时才能翻倍，而其他的HeLa细胞群体在相同的培养条件下需要32多个小时才做到这一点。它们对沙门氏菌感染的反应也不同：与其他两种HeLa变异株相比，一种HeLa变异株对这种感染的敏感性较低，这些研究人员将此归因于低水平的一种在这种细菌入侵宿主细胞中起作用的蛋白质复合物。

　　在另一项实验中，这些研究人员通过培养细胞系三个月来研究单个HeLa变异体中基因表达是否随时间而变化。他们记录了早期产生的细胞和晚期产生的细胞之间存在大约6％的基因表达差异。

　　论文通信作者、苏黎世联邦理工学院分子系统生物学研究所教授Ruedi Aebersold说，“这些细胞的差异确实非常显著，即便在同一个实验室中，它们也很快地发生变化。”他估计，如果一名研究生在他或她的项目开始时利用HeLa细胞系开展实验，并被要求在六个月后重复这一实验，“他们可能会取得不同的结果”。

　　关于研究中“可重复性危机（reproducibility crisis）”的大部分讨论集中在实验设计和数据分析上的缺陷，以及作为主要驱动因素的污染或错误标记的细胞系。但是，Aebersold认为HeLa细胞---以及更一般的意义上的癌细胞---的生物学差异可能发挥着重要的作用。他指出，在会议上，他经常观察到研究人员对从同一实验中获得不同结果进行激烈争论。他解释道，“这意味着一个人犯了一个错误”，但是另一个解释是“所使用的细胞可能不是同一个细胞。”

　　斯坦福大学细胞生物学家Tim Stearns（未参与这项研究）观察到长期培养下细胞系发生变化的几个可能的原因。举个例说，HeLa细胞是已知具有基因组不稳定性的癌细胞，因此可能随时间的推移随机地发生突变。此外，它们在实验室生长中受到各种条件的影响，这可能会促使它们出现独特的特征。比如，他说，哺乳动物细胞的培养包括培养它们直到填满整个培养皿，吸走一部分细胞，将它们放入另一个培养皿中重新生长。他说，“每个人的做法都有点不同。这以我们不完全理解的方式对细胞进行选择。”

　　胎牛血清---用于培养哺乳动物细胞的生长因子混合物的主要成分---也可能在不同实验室之间发生变化。这可能导致不同的转录谱和不同的选择压力。

　　HeLa分离株之间的差异可能会让一些生命科学家比其他人更担心。使用HeLa细胞研究DNA复制或囊泡运输等通用细胞过程的分子生物学家和生物化学家不太可能担心他们的结果可能无法重现，这是因为这些过程在面对这种选择性压力时不太可能发生变化。研究沙门氏菌感染等更复杂特征的发育和细胞生物学家可能更有理由担心。

　　Aebersold和他的同事们在这篇论文中提出了几个具体的解决方案。首先，科学家们应当使用癌细胞系的早期传代，并确保在相同细胞系的不同样品中利用一个细胞系重复开展实验。重要的是，生物学家应当清楚地报道他们在给定的研究中使用哪种细胞系变异株。Stearns指出，“许多人甚至不确定他们拥有哪种类型的HeLa细胞”。他赞同，提高透明度将是一个积极的变化。

　　Aebersold希望在今年晚些时候与欧洲分子生物学组织（European Molecular Biology Organization）计划举办的一个研讨会上找到更多的解决方案。这将包括来自各个领域（比如科学政策、出版和科学）的25位专家，旨在就如何解决细胞系研究中的可重复性问题提出建议。

　　最后，他希望他的研究将能够有助于针对不可复制结果的原因制定科学政策。他说，科学家们无法复制彼此研究工作的观点是危险的。“简单的结论是要么我们作为生命科学家不知道我们正在做什么，要么更糟糕的是，事情都是虚构的。”这将使得厌恶科学的政策制定者更容易辩称，把钱花在研究上是浪费。“我认为重要的是提供证据表明它不是那么简单，人们不只是作弊，人们不是无能，而是事情要复杂得多。”

　　参考资料：

　　Yansheng Liu et al. Multi-omic measurements of heterogeneity in HeLa cells across laboratories. Nature Biotechnology, 2019, doi:10.1038/s41587-019-0037-y.