[논문 리뷰] Probing leukemia cells behavior under starvation

Simone Scalise, Giorgio Gosti외 3명|arXiv (Cornell University)|2024. 08. 17.

Liver Disease Diagnosis and Treatment인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 생존유도세포(주카트 T세포)가 생존유도를 받는 동안 어떻게 적응하는지에 대해 실시간 세포 형광 및 유세포 분석을 통해 정량적 모델을 결합하여 조사한다. 세포는 성장 및 세포 분열 속도를 조절하면서 최대 한 세대 동안 이전의 혈清 풍부 조건에 대한 기억을 유지하며, 크기 기반 분열 전략을 유지하는 반면, 비분열 세포는 노령화된 미토콘드리아를 비대칭적으로 분배함을 밝혀냈다.

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.

연구 동기 및 목표

• 백혈병 세포 집단이 표현형 및 집단 수준에서 혈청 결핍에 어떻게 동적으로 적응하는지 이해하기 위해.
• 영양 전이 중 세포가 이전 환경 조건에 대한 기억을 유지하는지 조사하기 위해.
• 결핍 조건에서 분열 전략(예: 크기 기반, 타이머, 추가 기반)이 유지되는지 확인하기 위해.
• 백혈병 세포에서 미토콘드리아 연령과 비대칭성의 역할이 증식 운명 결정에 어떻게 기여하는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 세포 세대를 시간에 따라 추적하기 위해 카복시플로레세인 다아세트산 스쿠신일 에스터(CFSE) 염색을 사용한 유세포 분석을 시행하였다.
• 세포 크기와 분열 역학 간의 상관관계를 분석하기 위해 전방산란(FSC)을 세포 크기의 대체 지표로 사용하였다.
• 세대별 형광 클러스터를 식별하기 위해 기대값 최대화(EM) 알고리즘을 적용한 가우시안 혼합 모델(GMM)을 적용하였다.
• 이론적 성장 및 분열 역학을 검증하기 위해 스토케스틱 기반의 길스피 시뮬레이션 모델을 개발하였다.
• 세포 크기의 거듭제곱 함수로 성장 및 분열 속도를 정량화하기 위해 최소 이론 모델을 수립하였다.
• 실험 데이터와 수학적 모델링을 통합하여 집단 수준의 증식 통계를 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 백혈병 세포는 혈청 결핍이 점진적으로 진행될 때 증식 역학 측면에서 어떻게 반응하는가?
• RQ2 혈청 결핍 상태로 전이되는 동안 세포는 이전의 혈청 풍부 조건에 대한 기억을 유지하는가?
• RQ3 혈청 결핍 조건에서 분열 전략(예: 크기 기반, 타이머, 추가 기반)이 유지되는가?
• RQ4 결핍 조건에서 미토콘드리아 연령과 세포 운명(증식 세포 대비 비증식 세포) 간의 관계는 어떠한가?
• RQ5 영양 전이 동안 집단의 표현형 분포는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 백혈병 세포는 혈청 빈도가 낮은 매체로 전환한 후 최대 한 세대 동안 이전의 혈청 풍부 조건에 대한 기억을 유지한다.
• 세포는 새로운 환경에 맞게 혈청 의존적인 방식으로 성장 및 분열 속도를 조절하면서 크기 기반 분열 전략을 유지한다.
• 기억 효과 지속 기간은 초기 및 최종 혈청 농도 간의 차이와 반비례한다.
• 비증식 세포는 증식 세포에 비해 더 높은 비율의 노령화된 미토콘드리아를 보이며, 이는 노령화된 미토콘드리아의 비대칭적 분배를 시사한다.
• 염색 희석과 FSC를 활용한 실험 프rotocol을 통해 세대별로 세포 집단을 체계적으로 분류하여 증식 역학의 정량적 분석이 가능해졌다.
• 이론적 모델링과 길스피 시뮬레이션을 통해 관찰된 증식 곡선이 세포 크기에 의존하는 성장 및 분열 속도와 일치함을 확인하였다.