分析海拉细胞发现，它们或已进化成新“物种

　　2016年，《自然》杂志做的一项调查显示，超过70%的研究者称无法再现其他科学家的实验[1]。这让科学界出现了“再现危机”，也严重阻碍了科学的进步和科研成果的转化。

　　去年8月，我们曾报道，科学家在数据库中发现，科研机构的癌细胞系竟然在偷偷进化，甚至对药物的反应也产生了大幅度的变化，严重影响了抗癌药物的研发。这绝对值得科研人员警惕。

　　最近，耶鲁大学的刘延盛实验室和苏黎世联邦理工大学的Ruedi Aebersold实验室合作，对6个国家13个顶级实验室的海拉细胞系（一种使用最广泛的癌症细胞系），进行细致的分析，发现不同实验室的海拉细胞系从基因组到转录组，再到蛋白组和细胞表型，都发生了翻天覆地的变化。

　　比如，对于同一种海拉细胞系，在同样培养条件下，细胞数量翻倍所需要的时间竟然存在成倍的差距。其他生理功能，如对细菌感染的反应也截然不同。甚至细胞只要多传一两代，整个“胞”就都变了样。相关研究发表在顶级学术期刊Nature Biotechnology上[2]。

　　这项研究将实验无法再现的担忧推到了另一个层次，也提醒还在实验室辛辛苦苦用细胞系筛药、研究机制的同学们注意了，用差异如此巨大的材料去做实验，怎么可能做出一致结果！（文章后面有作者提出的应对措施）

　　《自然》提出“再现危机”时，确实让学术界慌了神，如此大面积的实验无法再现，那直接动摇科学界的根基了。

　　如果是说出现了大规模的造假，那显然是太过阴谋论了，毕竟学术界一向是对学术不端零容忍的。况且这些年来，科技的进步对世界的改变有目共睹。

　　那究竟是什么原因造成了这个结果呢？

　　生物学研究，尤其是癌症研究，大部分都是从细胞系从出发的。而细胞材料本身的变化肯定是一个核心影响因素。

　　比如之前就有报道称，有科研机构的细胞系标签打错，影响了无数实验室的研究[3]。

打错标签，在哪里都存在......

　　当然，还有更重要的一个问题，那就是细胞系自身基因组变异的问题了。毕竟不同地方细胞的培养条件都不同，而细胞经过反复传代，遗传物质也会有变化。例如，我们开头所提到的癌细胞系的进化。

　　而说到细胞系，海拉细胞系大家一定最熟悉了。从上世纪50年代以来，海拉细胞系在世界各个实验室中“流传”。目前，已有超过100000篇论文的研究使用或直接引用了来自海拉细胞系的实验结果[2]。可见海拉细胞影响之大。

　　那这些使用广泛的海拉细胞系之间到底有多大差别呢？我们并不清楚。这个问题迫切需要阐明。

　　对此，刘延盛博士带领的联合团队进行详细的研究。他们从各大实验室搜集了海拉细胞系，利用基因芯片技术（微阵列比较基因组杂交技术）、转录组测序以及蛋白质谱技术等，对这些细胞系进行分析，并且还测量了细胞的各种生理表型，系统地比较了各细胞系的差异。

　　首先是基因组的变化。研究人员发现不同实验室的海拉细胞系之间，在基因组结构上就有很大的差异。很多细胞中，基因的拷贝数都不一样，甚至染色体倍数都发生了改变。染色体数量改变，那随随便便就影响上千个基因了。

不同来源的海拉细胞系基因拷贝数差别明显

　　基因表达谱的变化更明显。科学家让所有的细胞系都处于静息状态，不给刺激，然后进行转录组和蛋白组测序，比较了海拉细胞系的两种类型：CCL2和Kyoto的表达谱，定量分析了11365个转录本、5030种蛋白的水平。通过主成分分析表明，两种细胞系的表达谱在各个层面都有显著差异。

从mRNA到蛋白质，差异明显

　　不仅如此，比较同一个来源但不同代数的海拉细胞系，发现12代的细胞与14代的细胞之间竟然有731个基因的表达存在显著差异，并且有166个反应到了蛋白水平上。而第七代与第50代之间的差异就更大了，整合素信号通路、内切酶活性的调控通路、炎症反应通路这些非常基础的功能，都有大幅的改变。用不同代的细胞系做实验的同学可得注意了。

　　基因组——转录组——蛋白组都有大量变化，那细胞本身的生理表型也就不可避免的会改变了。

　　研究人员对不同来源的细胞系进行培养，发现细胞数量翻倍所需的时间，竟然从17.5个小时到32.3个小时不等。而这些细胞中，63种细胞周期相关蛋白的表达也差异明显。

不同来源的海拉细胞，复制速率差异巨大

　　随后，研究人员用沙门氏菌感染不同的来源、不同代数的海拉细胞系，发现感染率有很大的不同。而在应对细菌感染时，不同细胞系表达的蛋白差别很大，如下图。

左图：不同细胞的感染复数 右图：不同细胞感染后蛋白表达的差异

　　事实上，这一项研究无法穷尽不同来源细胞系之间的差异，但结果仍然让人触目惊心。

　　本研究是重点关注了海拉细胞系，但这不意味着其他细胞系就没有问题，比如我们另一篇文章中提到了MCF-7乳腺癌细胞系[4]。因此，细胞系的变异问题可能是一个普遍的现象，如果不加以重视，可能会严重阻碍生命科学和医学的发展。

　　对此，本论文的作者也发出了如下几个倡议：

　　第一，未来海拉细胞系相关的研究，都至少注明是CCL2细胞系还是 Kyoto细胞系；

　　第二，使用早期传代的细胞系进行实验，并标明所用细胞系的代数；

　　第三，对于癌细胞重要生理表型的观察，应使用不同样本，不同细胞模型，不同实验室来源的细胞系进行对比。

　　第四，呼吁科学家团体展开讨论，并考虑运用更加精确的分子特征，对细胞进行认证。

　　参考资料：

　　[1]https://www.nature.com/news/1-500-scientists-lift-the-lid-on-reproducibility-1.19970

　　[2] Yansheng Liu et al. Multi-omic measurementsof heterogeneity in HeLa cells across laboratories. Nature Biotechnology, 2019, DOI.org/10.1038/s41587-019-0037-y

　　[3] Yu M, Selvaraj S K, Liangchu M M, etal. A resource for cell line authentication, annotation and quality control[J].Nature, 2015, 520(7547): 307-311.

　　[4] Bendavid U, Siranosian B, Ha G, et al.Genetic and transcriptional evolution alters cancer cell line drug response[J].Nature, 2018, 560(7718): 325-330.