基因组学研究揭示癌变细胞进化过程

         刘伯宁

     在世界范围内，临床上七分之一死

亡病例是由于罹患癌症。而在西方社会，这一比例更是高达三分之一。很早之前，人们就知道吸烟会导致肺癌，日照会诱发皮肤癌。但是，对于癌变发生的机制和细节，却知之甚少。

    今年五月，在以破译人类基因组测序三分之一序列著称的英国桑格研究所（Wellcome Trust Sanger Institute），斯特拉顿（Mike Stratton）教授领导的研究小组，通过对乳腺癌患者基因组进行研究，从体细胞变异的角度，阐释了癌变发生的详细过程，并找出了诱发癌变的关键基因。同期，以我国华大基因研究院为主的科院团队，也通过对单个癌细胞进行基因测序，揭示了肾癌、骨髓瘤的癌细胞进化过程，表明了癌症个体化医疗的重要性。

     以上研究成果密集的发表于著名《细胞》、《自然》、等杂志。

癌变发生的过程——突变体细胞进化的结果

    癌症源于体细胞突变。基因发生突变的体细胞，在与正常体细胞生存竞争的过程中，不断进化。最终变成永生不死的癌细胞。癌细胞无限制的增殖，进而导致肿瘤的发生。这听起来很像是达尔文关于物种起源的“进化论”。两者的区别在于，物种的进化要历经成千上万年，而从癌变的发生，则只需要数年。这就是皮特·诺维（Peter Nowell）早先提出的“癌细胞进化”理论，它可以圆满揭示癌症的发生、发展、转移等病理过程。

    在癌变发生的过程中，体细胞的每一次突变，都会在其基因组上留下印迹。就像是在一次次的加盖印戳。分析基因组上不同时期体细胞变异时留下的印迹，就可以得到癌细胞完整的进化史。

    斯特拉顿教授就是根据这个原理，通过研究21名乳腺癌患者的基因组，绘制出乳腺癌体细胞变异的进化树。据此阐释了癌变发生的详细过程：最初基因突变的体细胞首先会不断分化，形成一个庞大的突变体细胞家族。家族的成员经过体内微环境的“自然选择”，只有生存能力最强的亚克隆才能不断增殖。同时，通过这种方式，癌症基因在突变体细胞内不断累积，后者也逐渐完成了自身的进化。但某一突变体细胞的亚克隆占到其家族细胞总数的半数以上，患者就会临床上表现出癌症的具体症状。

     癌变发生的过程表明，多数乳腺癌患者在被确诊之前，体内的癌变就已经开始。因为在临床上，只有癌变发展到一定程度，或者说，只有突变体细胞完成自身的进化，癌变才有可能被目前的诊断手段所发现。而事实上，癌症的发生过程应以体细胞变异为起点，如此算来，患者早在十余年前就已经换上癌症。此项研究成果以“乳腺癌细胞生活史”为题发表在《细胞》杂志上。

    在此研究中，还发现了一种独特的体细胞突变机制——“kataegis”模式。即，在基因组一个小范围的区域内，短时间内会发生大量的基因突变。这与体细胞突变中通常“循序渐进”的方式大相径庭，这种突变的频率与密度，犹如“疾风骤雨”一般，因此，该模式以“kataegis”（希腊语“暴风雨”的意思）来命名。虽然，此突变机制在以前的研究中从未被发现。但是，在被研究在 21名乳腺癌患者体内，至少有13人体内发生了“kataegis”突变。这预示着此种突变方式可能在癌症患者体内广泛存在。进一步的研究发现，“katagis”突变模式的发生，可能与细胞中APOBEC蛋白家族有关。

不同作用的体细胞突变——是司机，还是乘客？

    体细胞突变会导致机体发生癌变，但是，在癌变过程中，不同的体细胞突变所发挥的作用却不尽相同。2009年，斯特拉顿教授在《自然》杂志上发表文章，提出了“司机突变—乘客突变”学说。他将癌变的细胞比作高速公路上飞驰的汽车。能够直接导致癌变的体细胞突变称之为“司机突变”（Driver Mutation）；而与癌症发生相关，但不是起主导作用的突变，则被称为“乘客突变”（Passenger Mutation）。这就好比：车祸发生了，责任在于肇事的司机，而不是同车的乘客。

     近年来，癌症基因组的研究发现，癌变过程中与之相关的体细胞突变位点有成千上万处。但这其中起决定性作用的司机突变往往不足十处。在恶性胶质瘤、白血病、皮肤癌等患者体内，通常五个左右的司机突变就可直接导致癌症的发生。司机突变的个数，远远小于乘客突变的数目。如何从上万处体细胞突变中找到真正的罪魁祸首，并不容易。

    斯特拉顿教授领导的研究小组，通过对一百名乳腺癌患者的基因组进行研究，经过逻辑算法分析后，在总计两万一千余处体细胞突变中找到了诱发癌变的关键突变九处。这也使得迄今为止，发现的乳腺癌司机突变累积达四十个。该研究成果发表在五月份的《自然》杂志上。

    更为复杂的是，这四十种司机突变，在不同的患者体会出现不同组合。在这一百名乳腺癌患者中，仅有28名患者体内只有一种司机突变，多数患者体内存在多种不同的司机突变组合，个别患者体内的司机突变最高可达六处。

    斯特拉顿教授指出，“从目前的研究结果看，乳腺癌患者体内中至少存在七十余种司机突变组合。假设每名癌症患者体内存在四种司机突变，那么，临床上出现三名患者的遗传背景完全相同的概率几乎为零”。

    司机突变的随机组合，导致了乳腺癌治疗难度大为增加。 

癌症难以治愈的原因——多遗传性疾病

    无论是癌细胞的生活史会经历细胞分化，存在多种突变体细胞亚克隆。还是患者体内存在不同的司机基因组合。癌症基因组的最新研究进展都表明了，癌症本身是一种多遗传性疾病。

    但是，目前癌症的诊疗却往往会忽视这一点。临床上的治疗策略主要针对数目占优的突变体细胞或某一基因突变，如BRAF、EGFR、HER 2等。以治疗乳腺癌的单抗药物赫赛汀（Herceptin）为例，它的作用靶点是癌细胞过度表达的HER 2基因。倘若患者体内的癌细胞中，存在不含HER 2基因亚克隆，即便赫赛汀使用之初有效，随着此种癌细胞进化、增殖，同样会导致癌症恶化或复发。

   这也就解释了，为什么相同的治疗方案，面对不同的患者会有不同的疗效。治愈的癌症患者又存在病情复发的可能。

   癌细胞的进化理论表明，癌症是一种多遗传性疾病。这成了临床治愈癌症难以逾越的障碍。但是，基因组学的研究，使人们能够认识癌细胞进化过程的更多细节，藉此，可以为癌症的治疗提供更多的药物靶点。

基因组学推动癌症患者的“个性化”治疗

   二十五年前（1986年），诺贝尔奖获得者杜尔贝克（R. Dulbecco）在《科学》上发表文章指出，“如果我们想更多的了解癌症，就必须深入研究细胞的基因组”。这被视为癌症研究的转折点。同时，这一论述也直接促成了 “人类基因组计划”的启动。

    本世纪初，人类基因组草图绘制完成。癌症的研究开始进入基因组学阶段。除了英国桑格研究启动的“癌症基因组计划”（Cancer Genome Project），2005年，美国癌症研究所和美国人类基因组研究所共同启动“人类癌症基因图集”计划（The Cancer Genome Atlas），旨在绘制500例癌症患者的基因图谱；2008年，国际癌症基因组联合会成立（International Cancer Genome Consortium），包括中国在内的九个国家，共同针对临床上的五十余种癌症进行基因组学研究。在以上癌症基因组计划的推动下，近年来，诱发乳腺癌、皮肤癌、肺癌、脑瘤等癌症的关键基因不断被确认。

   今年3月，以我国华大基因研究院为主的科研团队，采用“单细胞外显子组测序技术”对血癌、肾癌进行基因组学研究。该方法只针对能表达为蛋白的DNA（占全基因组序列的1%）进行测序，因此更为经济、快速；同时，他们采用了拥有自主知识产权的单细胞测序技术，比传统的测序技术分辨率和准确性更高。在王俊教授的带领下，华大的青年科学家团队分别对一名骨髓瘤患者体内的58个癌细胞和一名肾癌患者的25个癌细胞进行基因测序，发现了肿瘤组织内部不同癌细胞有着非常大的差异，同时，他们推断了肿瘤的复杂演化过程，并据此进一步明确了诱发癌变的一些重要司机突变。在传统的癌症治疗实践中，通常将一些药物直接用于某类癌症病人中，然而这些发现预示着不同患者的癌症组织差别很大，因此在用药前需要对每个患者的癌症组织进行仔细分析，才能够“对症下药”，也就是预示了癌症的个体化治疗的必要性与紧迫性。

   1977年，当皮特诺维教授提出“癌细胞进化”理论时，同时指出：治愈患者的希望也许在于对不同的患者，进行不同的治疗。随着癌症基因组学研究成果应用于临床实践，这种“个性化”治疗的策略正在逐步成为现实。

(华大基因研究院侯勇对本文亦有贡献)

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