[論文レビュー] Probing leukemia cells behavior under starvation

Simone Scalise, Giorgio Gosti+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2024

Liver Disease Diagnosis and Treatment被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ライブセル蛍光およびフローサイトメトリーを用い、定量的モデルと組み合わせて、白血病細胞（Jurkat T細胞）が血清欠乏にどのように適応するかを調査した。細胞は、血清豊富な状態の記憶を、適応が完了するまでの1世代にわたり保持しており、成長および分裂速度を調整しながら、サイズに依存する分裂戦略を維持している。非増殖細胞では、古くなったミトコンドリアが非対称に分配されていることが示された。

ABSTRACT

The ability of a cancer cell population to achieve heterogeneity in their phenotype distributions offers advantages in tumor invasiveness and drug resistance. Studying the mechanisms behind such observed heterogeneity in mammalian cells presents challenges due for instance to the prolonged proliferation times compared to widely studied unicellular organisms like bacteria and yeast. Here, we studied the response of leukemia cell populations to serum starvation via a protocol, we recently developed, that makes use of live cell fluorescence and flow cytometry in combination with a quantitative analytical model to follow the population proliferation while monitoring the dynamics of its phenotype distributions. We found that upon switching between a serum-rich to a serum-poor media, leukemia cells (i) maintain a memory of the previous environment up to one generation even in the presence of severe medium-depletion, before (ii) adapting their growth and division rates to the novel environment while preserving a sizer-like division strategy. Finally, looking at the mitochondria content of the proliferating vs non-proliferating cells, we found that the latter is characterized by a higher number of older mitochondria, suggesting a possible functional role of the observed asymmetric partitioning of (aged) mitochondria in leukemia cells.

研究の動機と目的

• 白血病細胞集団が、表現型および集団レベルで血清欠乏にどのように動的に適応するかを理解すること。
• 栄養状態の変化の過程で、細胞が以前の環境条件の記憶を保持しているかどうかを調査すること。
• 血清欠乏条件下でも、分裂戦略（例：サイズに依存する戦略、タイマー戦略、アダー戦略）が維持されているかどうかを特定すること。
• 白血病細胞における増殖意思決定において、ミトコンドリアの年齢と非対称性が果たす役割を調査すること。

提案手法

• 細胞の世代を長期間にわたり追跡するために、カルボキシフルオレインジアセタートスルホネートエステル（CFSE）を用いた蛍光強度の希釈法を用いたフローサイトメトリーを実施した。
• 細胞サイズとの相関関係を求めるために、前向散乱（FSC）を細胞サイズの代理指標として用いた。
• 生成ごとの蛍光強度クラスタを特定するために、期待値最大化（EM）アルゴリズムを用いたガウス混合モデル（GMM）を適用した。
• 理論的成長および分裂ダイナミクスを検証するために、確率的ギブスケのシミュレーションモデルを構築した。
• 細胞サイズのべき乗関数として成長および分裂速度を定量化する最小限の理論的モデルを構築した。
• 実験データと数学的モデリングを統合し、集団レベルでの増殖統計を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 白血病細胞は、血清欠乏が進行するに従って、増殖ダイナミクスにおいてどのように反応するか？
• RQ2 血清欠乏への移行過程で、細胞は以前の血清豊富な状態の記憶を保持しているか？
• RQ3 血清欠乏条件下でも、分裂戦略（例：サイズに依存する戦略、タイマー戦略、アダー戦略）が維持されているか？
• RQ4 血清欠乏状態下で、ミトコンドリアの年齢と細胞の運命（増殖性対非増殖性）の関係は何か？
• RQ5 栄養状態の変化に伴い、集団の表現型分布はどのように変化するか？

主な発見

• 白血病細胞は、血清貧乏の媒体に移行した後、最大1世代にわたり、元の血清豊富な状態の記憶を保持している。
• 細胞は、新しい環境に応じて血清依存的に成長および分裂速度を調整し、サイズに依存する分裂戦略を維持している。
• 記憶効果の持続時間は、初期と最終の血清濃度の差に反比例する。
• 非増殖細胞は、増殖細胞と比較して、より多くの古くなったミトコンドリアを有しており、古くなったミトコンドリアの非対称的分配が示唆された。
• 染料希釈とFSCを用いた実験的手順により、細胞の世代ごとに集団を分類でき、増殖ダイナミクスの定量的分析が可能になった。
• 理論的モデリングおよびギブスケのシミュレーションにより、観察された増殖曲線が、サイズ依存の成長および分裂速度と整合することが確認された。