基因組學研究揭示癌變細胞進化過程

文/王文韜 劉伯寧

基因組學研究揭示癌變細胞進化過程

文/王文韜 劉伯寧

在世界范圍內，臨床上七分之一死亡病例是由于罹患癌癥。而在西方社會，這一比例更是高達三分之一。很早之前，人們就知道吸煙會導致肺癌，日照會誘發皮膚癌。但是，對于癌變發生的機制和細節，卻知之甚少。今年五月，在以破譯人類基因組測序三分之一序列著稱的英國桑格研究所（Wellcome Trust Sanger Institute），斯特拉頓（Mike Stratton）教授領導的研究小組，通過對乳腺癌患者基因組進行研究，從體細胞變異的角度，闡釋了癌變發生的詳細過程，并找出了誘發癌變的關鍵基因。同期，以我國華大基因研究院為主的科院團隊，也通過對單個癌細胞進行基因測序，揭示了腎癌、骨髓瘤的癌細胞進化過程，表明了癌癥個體化醫療的重要性。

以上研究成果密集的發表于著名《細胞》、《自然》等雜志。

癌變發生的過程——突變體細胞進化的結果

癌癥源于體細胞突變。基因發生突變的體細胞，在與正常體細胞生存競爭的過程中，不斷進化。最終變成永生不死的癌細胞。癌細胞無限制的增殖，進而導致腫瘤的發生。這聽起來很像是達爾文關于物種起源的“進化論”。兩者的區別在于，物種的進化要歷經成千上萬年，而從癌變的發生，則只需要數年。這就是皮特·諾維（Peter Nowell）早先提出的“癌細胞進化”理論，它可以圓滿揭示癌癥的發生、發展、轉移等病理過程。在癌變發生的過程中，體細胞的每一次突變，都會在其基因組上留下印跡。就像是在一次次的加蓋印戳。分析基因組上不同時期體細胞變異時留下的印跡，就可以得到癌細胞完整的進化史。

斯特拉頓教授就是根據這個原理，通過研究21名乳腺癌患者的基因組，繪制出乳腺癌體細胞變異的進化樹。據此闡釋了癌變發生的詳細過程：最初基因突變的體細胞首先會不斷分化，形成一個龐大的突變體細胞家族。家族的成員經過體內微環境的“自然選擇”，只有生存能力最強的亞克隆才能不斷增殖。同時，通過這種方式，癌癥基因在突變體細胞內不斷累積，后者也逐漸完成了自身的進化。但某一突變體細胞的亞克隆占到其家族細胞總數的半數以上，患者就會臨床上表現出癌癥的具體癥狀。

癌變發生的過程表明，多數乳腺癌患者在被確診之前，體內的癌變就已經開始。因為在臨床上，只有癌變發展到一定程度，或者說，只有突變體細胞完成自身的進化，癌變才有可能被目前的診斷手段所發現。而事實上，癌癥的發生過程應以體細胞變異為起點，如此算來，患者早在十余年前就已經換上癌癥。此項研究成果以“乳腺癌細胞生活史”為題發表在《細胞》雜志上。在此研究中，還發現了一種獨特的體細胞突變機制——“kataegis”模式。即，在基因組一個小范圍的區域內，短時間內會發生大量的基因突變。這與體細胞突變中通常“循序漸進”的方式大相徑庭，這種突變的頻率與密度，猶如“疾風驟雨”一般，因此，該模式以“kataegis”（希臘語“暴風雨”的意思）來命名。雖然，此突變機制在以前的研究中從未被發現。但是，在被研究在 21名乳腺癌患者體內，至少有13人體內發生了“kataegis”突變。這預示著此種突變方式可能在癌癥患者體內廣泛存在。進一步的研究發現，“katagis”突變模式的發生，可能與細胞中APOBEC蛋白家族有關。

不同作用的體細胞突變——是司機，還是乘客？

體細胞突變會導致機體發生癌變，但是，在癌變過程中，不同的體細胞突變所發揮的作用卻不盡相同。2009年，斯特拉頓教授在《自然》雜志上發表文章，提出了“司機突變—乘客突變”學說。他將癌變的細胞比作高速公路上飛馳的汽車。能夠直接導致癌變的體細胞突變稱之為“司機突變”（Driver Mutation）；而與癌癥發生相關，但不是起主導作用的突變，則被稱為“乘客突變”（Passenger Mutation）。這就好比：車禍發生了，責任在于肇事的司機，而不是同車的乘客。

近年來，癌癥基因組的研究發現，癌變過程中與之相關的體細胞突變位點有成千上萬處。但這其中起決定性作用的司機突變往往不足十處。在惡性膠質瘤、白血病、皮膚癌等患者體內，通常五個左右的司機突變就可直接導致癌癥的發生。司機突變的個數，遠遠小于乘客突變的數目。如何從上萬處體細胞突變中找到真正的罪魁禍首，并不容易。斯特拉頓教授領導的研究小組，通過對一百名乳腺癌患者的基因組進行研究，經過邏輯算法分析后，在總計兩萬一千余處體細胞突變中找到了誘發癌變的關鍵突變九處。這也使得迄今為止，發現的乳腺癌司機突變累積達四十個。該研究成果發表在五月份的《自然》雜志上。

更為復雜的是，這四十種司機突變，在不同的患者體會出現不同組合。在這一百名乳腺癌患者中，僅有28名患者體內只有一種司機突變，多數患者體內存在多種不同的司機突變組合，個別患者體內的司機突變最高可達六處。斯特拉頓教授指出，“從目前的研究結果看，乳腺癌患者體內中至少存在七十余種司機突變組合。假設每名癌癥患者體內存在四種司機突變，那么，臨床上出現三名患者的遺傳背景完全相同的概率幾乎為零”。司機突變的隨機組合，導致了乳腺癌治療難度大為增加。

癌癥難以治愈的原因——多遺傳性疾病

無論是癌細胞的生活史會經歷細胞分化，存在多種突變體細胞亞克隆。還是患者體內存在不同的司機基因組合。癌癥基因組的最新研究進展都表明了，癌癥本身是一種多遺傳性疾病。但是，目前癌癥的診療卻往往會忽視這一點。臨床上的治療策略主要針對數目占優的突變體細胞或某一基因突變，如BRAF、EGFR、HER 2等。以治療乳腺癌的單抗藥物赫賽汀（Herceptin）為例，它的作用靶點是癌細胞過度表達的HER 2基因。倘若患者體內的癌細胞中，存在不含HER 2基因亞克隆，即便赫賽汀使用之初有效，隨著此種癌細胞進化、增殖，同樣會導致癌癥惡化或復發。這也就解釋了，為什么相同的治療方案，面對不同的患者會有不同的療效。治愈的癌癥患者又存在病情復發的可能。癌細胞的進化理論表明，癌癥是一種多遺傳性疾病。這成了臨床治愈癌癥難以逾越的障礙。但是，基因組學的研究，使人們能夠認識癌細胞進化過程的更多細節，藉此，可以為癌癥的治療提供更多的藥物靶點。

基因組學推動癌癥患者的“個性化”治療

二十五年前（1986年），諾貝爾獎獲得者杜爾貝克（R. Dulbecco）在《科學》上發表文章指出，“如果我們想更多的了解癌癥，就必須深入研究細胞的基因組”。這被視為癌癥研究的轉折點。同時，這一論述也直接促成了 “人類基因組計劃”的啟動。本世紀初，人類基因組草圖繪制完成。癌癥的研究開始進入基因組學階段。除了英國桑格研究啟動的“癌癥基因組計劃”（Cancer Genome Project），2005年，美國癌癥研究所和美國人類基因組研究所共同啟動“人類癌癥基因圖集”計劃（The Cancer Genome Atlas），旨在繪制500例癌癥患者的基因圖譜；2008年，國際癌癥基因組聯合會 成 立（International Cancer Genome Consortium），包括中國在內的九個國家，共同針對臨床上的五十余種癌癥進行基因組學研究。在以上癌癥基因組計劃的推動下，近年來，誘發乳腺癌、皮膚癌、肺癌、腦瘤等癌癥的關鍵基因不斷被確認。

今年3月，以我國華大基因研究院為主的科研團隊，采用“單細胞外顯子組測序技術”對血癌、腎癌進行基因組學研究。該方法只針對能表達為蛋白的DNA（占全基因組序列的1%）進行測序，因此更為經濟、快速；同時，他們采用了擁有自主知識產權的單細胞測序技術，比傳統的測序技術分辨率和準確性更高。在王俊教授的帶領下，華大的青年科學家團隊分別對一名骨髓瘤患者體內的58個癌細胞和一名腎癌患者的25個癌細胞進行基因測序，發現了腫瘤組織內部不同癌細胞有著非常大的差異，同時，他們推斷了腫瘤的復雜演化過程，并據此進一步明確了誘發癌變的一些重要司機突變。在傳統的癌癥治療實踐中，通常將一些藥物直接用于某類癌癥病人中，然而這些發現預示著不同患者的癌癥組織差別很大，因此在用藥前需要對每個患者的癌癥組織進行仔細分析，才能夠“對癥下藥”，也就是預示了癌癥的個體化治療的必要性與緊迫性。

1977年，當皮特諾維教授提出“癌細胞進化”理論時，同時指出：治愈患者的希望也許在于對不同的患者，進行不同的治療。隨著癌癥基因組學研究成果應用于臨床實踐，這種“個性化”治療的策略正在逐步成為現實。

上圖為突變體細胞進化路徑

上圖為體細胞存在染色體重排，基因拷貝數變異、點突變等多種突變方式。

（王文韜，河北省邯鄲市第一醫院普通外科；劉伯寧，河北制藥新藥研發中心，國家抗體藥物研制重點實驗室）

（華大基因研究院侯勇對本文亦有貢獻）