海量遗传变异“淹没”肿瘤治疗之效

研究团队解析出肿瘤的空间克隆结构以及发现肿瘤内部遗传异质性符合非达尔文过程的预测。

这项研究所估算出的肿瘤高度遗传异质性也对肿瘤的临床治疗策略提出了明确的指示：高度的遗传异质性表明肿瘤细胞群体中存在抗性突变的概率很高。因此，通常为迅速清除肿瘤细胞所采用的化疗、放疗等杀伤性很强的策略，不但可能失效，甚至由于主要克隆被灭活反而会助长抗性克隆的膨胀和发展。

癌症及其治疗的研究经历了漫长的历史，尤其是近几十年在肿瘤生物学、诊断技术、药物研发、基因组指导的个性化医学等方面取得的进展，使部分癌症的治疗和控制有了一定的成效。然而，2014年的调查表明癌症仍旧没有得到有效控制。

近日，中国科学院北京基因组研究所的研究人员对肿瘤内部多样性程度进行深入、彻底地探测，不但第一次刻画了肿瘤的空间克隆结构，同时通过建立肿瘤细胞群体遗传理论第一次对肿瘤的遗传异质性水平进行估算，其结果远远超出了达尔文进化过程的估计。这使得在进化领域从20世纪80年代开始并持续了30年的选择理论与中性理论的辩论突然变得与医学相关。

该项研究得到了国家自然科学基金委重大研究计划、中国科学院先导项目、科技部“973”项目的支持，相关成果于11月11日发表在美国国家科学院院刊。

发现“瘤内遗传异质性”远大于预期

人们对癌症的基本生物学问题还没有足够的认识，这其中包括肿瘤内部的异质性。虽然已经有大量的研究从基因变异、基因表达、表观遗传、细胞形态和行为等多层面阐述肿瘤异质性，对癌症的分型、临床治疗产生了很大影响。但由于无法全面解析肿瘤的异质性和亚克隆结构，一个具有百万以上细胞数量的肿瘤的内部异质性和顽强性往往是被低估的，加上治疗后容易产生抗药性和发生转移，给治疗提出极大的挑战。

研究表明，由于肿瘤群体演化过程中有很多问题很难回答，比如从单个细胞祖先到具有106个以上的后代肿瘤细胞群体，突变是如何积累的？肿瘤内部多样性和克隆组成分布如何？为什么治疗之后复发或抗药会经常发生？肿瘤转移的速率大小如何，有没有受到进化驱动力的作用？这使得对肿瘤内部遗传异质性形成的历史过程和进化机制的研究变得难上加难。

近日，中国科学院北京基因组研究所研究人员通过在一个肝癌切片上切取近300个样品和近2000层覆盖度的基因组测序分析，揭示了肿瘤细胞中遗传多样性水平远远大于预期。一个直径约3.5厘米的肿瘤中携带了上亿个基因编码区的突变，几千倍于以往的估算值。由于高度的遗传多样性分布在10亿甚至更多的肿瘤细胞群体中，成百上千的突变存在于较大克隆中，而大部分的突变只在小于100个细胞的小克隆中出现。

“由于具有这么多的突变，即使经过积极的治疗，极少数的肿瘤细胞能够生存下来的概率还是很高，这些细胞可以增殖形成新的耐药性肿瘤克隆。”中科院北京基因组所研究员吴仲义在接受《中国科学报》记者采访时表示。

引发肿瘤演化的理论之争

在自然群体中，突变、遗传漂变、迁移和自然选择这几种进化驱动力决定了自然群体的遗传多样性水平。著名学者PeterNowell于1976年刊登在《科学》上的文章提出：正如自然群体一样，肿瘤发生是自然选择等几种进化驱动力作用下的体细胞群体演化过程。这使得肿瘤内部遗传性的形成遵从经典的达尔文过程，成为40年以来癌症生物学领域根深蒂固的观点。

在传统的达尔文理论中，少数有益变异使肿瘤细胞具有生长优势；随着时间的推移，这种有益突变将驱除所有有害的变异。因此，瘤内的遗传多样性是十分有限的。

日本遗传学家木村资生指出，在自然群体中观察到的大量的遗传多样性无法仅用达尔文自然选择解释，继而他提出中性进化理论或非达尔文进化过程。这也引发了在演化领域长达几十年的“中性理论—选择理论”之争。

这项研究第一次表明：肿瘤内部遗传异质性的演化实质上是细胞水平的非达尔文过程。在这个过程中，遗传变异会很快出现并快速累积，因此即使微小的肿瘤都可能具有非常高的遗传多样性。同时，这项研究也使得肿瘤内部遗传异质性第一次变得在理论上是可计算的。

中科院北京基因组所研究员吕雪梅表示，该研究并没有完全否认达尔文选择力在细胞水平上的作用，非达尔文过程可能并不能准确刻画出（同一或不同器官）不同肿瘤之间的遗传异质性，或从非肿瘤向肿瘤演化的过程。

这项研究所估算出的肿瘤高度遗传异质性也对肿瘤的临床治疗策略提出了明确的指示：高度的遗传异质性表明肿瘤细胞群体中存在抗性突变的概率很高。因此，通常为迅速清除肿瘤细胞所采用的化疗、放疗等杀伤性很强的策略，不但可能失效，甚至由于主要克隆被灭活反而会助长抗性克隆的膨胀和发展。

吴仲义告诉记者，肿瘤的发生本质上是体细胞进化过程，是进化遗传学和临床医学的交叉，无疑会给医学问题带来更多的启示和解答。

分析软件建奇功

“肿瘤内部异质性是肿瘤产生抗药性、转移性的主要原因。”中科院北京基因组所博士凌少平表示，虽然癌症生物学领域内达尔文进化过程驱动肿瘤多样性形成的观点已经根深蒂固，但由于无法完整、系统地认识肿瘤内部遗传多样性的大小和空间分布以及肿瘤转移和抗性产生的能力，传统观念大大低估了一个具有百万甚至上亿细胞数量的肿瘤内部的异质性和顽强性。

据了解，系统地刻画肿瘤内部遗传多样性，除了高密度取样和深度测序之外，还对精确解析出肿瘤体细胞突变提出非常高的要求。传统的突变分析软件都对低频突变不敏感，且假阳性较高，而基因组所凌少平博士所领导的团队所开发的肿瘤基因组分析套件——CasTech却能很好地解决这些问题。CasTech能精准探测肿瘤体细胞变异无疑给定量分析瘤内遗传异质性和刻画肿瘤空间克隆结构打下坚实的基础。

值得一提的是，CasTech套件不仅已经广泛应用于结肠癌、肝癌、急性白血病的基因组研究中，而且在最近的“国际肿瘤基因组分析金标准”比赛中，其套件中CasPoint和CasBreak还分获单碱基变异分项冠军和结构变异分项亚军，其性能击败了包括Bina技术公司、哈佛—麻省理工联合布罗德研究所和欧洲分子生物学中心等强劲对手。