中科院北京基因組所PNAS發(fā)表史上最深度腫瘤基因組測序研究成果：發(fā)現(xiàn)海量的遺傳變異“淹沒了”腫瘤治療之效，引發(fā)腫瘤遺傳異質(zhì)性形成的達(dá)爾文選擇和隨機突變之爭。
癌癥及其治療的研究經(jīng)歷了漫長的歷史，尤其是近幾十年在腫瘤生物學(xué)、診斷技術(shù)、藥物研發(fā)、基因組指導(dǎo)的個性化醫(yī)學(xué)等方面取得的進(jìn)展，使部分癌癥的治療和控制有了一定的成效。然而，2014年的調(diào)查表明癌癥仍舊沒有得到有效控制。必須面對的現(xiàn)實是：我們對癌癥的基本生物學(xué)問題還沒有足夠的認(rèn)識，這其中包括腫瘤內(nèi)部的異質(zhì)性。雖然已經(jīng)有大量的研究從基因變異、基因表達(dá)、表觀遺傳、細(xì)胞形態(tài)和行為等多層面闡述腫瘤異質(zhì)性，對癌癥的分型、臨床治療產(chǎn)生了很大影響。但由于無法全面解析腫瘤的異質(zhì)性和亞克隆結(jié)構(gòu)，一個具有百萬以上細(xì)胞數(shù)量的腫瘤的內(nèi)部異質(zhì)性和頑強性往往是被低估的，加上治療后容易產(chǎn)生抗藥性和發(fā)生轉(zhuǎn)移，給治療提出極大的挑戰(zhàn)。
在自然群體中，突變、遺傳漂變、遷移和自然選擇這幾種進(jìn)化驅(qū)動力決定了自然群體的遺傳多樣性水平； 著名學(xué)者Peter Nowell于1976刊登在Science上的文章提出：正如自然群體一樣，腫瘤發(fā)生是受到以上幾種進(jìn)化驅(qū)動力作用的體細(xì)胞群體演化過程。這使得腫瘤內(nèi)部遺傳異質(zhì)性（Intratumoral Genetic Heterogenetity：ITGH）的形成遵從經(jīng)典的達(dá)爾文過程成為40以來癌癥生物學(xué)領(lǐng)域根深蒂固的觀點。更多的研究表明腫瘤內(nèi)部的異質(zhì)性會與患者的預(yù)后或生存相關(guān)似乎也表明ITGH很有可能受到自然選擇的作用。由于腫瘤群體演化過程中有很多問題很難回答：如從單個細(xì)胞祖先到具有106以上的后代腫瘤細(xì)胞群體，突變是如何積累的？腫瘤內(nèi)部多樣性和克隆組成分布如何？為什么治療之后復(fù)發(fā)或抗藥會經(jīng)常發(fā)生？腫瘤轉(zhuǎn)移的速率大小如何，有沒有受到進(jìn)化驅(qū)動力的作用？等。研究ITGH形成的歷史過程和進(jìn)化機制則變得難上加難。
中國科學(xué)院北京基因組研究所（簡稱：基因組所）的研究人員通過在一個肝癌切片上切取近300個樣品和近2000倍覆蓋度的基因組測序分析，揭示了腫瘤細(xì)胞中遺傳多樣性水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)期：一個直徑約3.5厘米的腫瘤中攜帶了上億個基因編碼區(qū)的突變，幾千倍于以往的估算值。由于高度的遺傳多樣性分布在10億甚至更多的腫瘤細(xì)胞群體中，成百上千的突變存在于較大克隆中（大于10000個細(xì)胞的克?。?，而大部分的突變只在小于100個細(xì)胞的小克隆中出現(xiàn)。正如項目負(fù)責(zé)人吳仲義研究員所強調(diào)的：“由于具有這么多的突變，即使經(jīng)過積極的治療，極少數(shù)的腫瘤細(xì)胞能夠生存下來的概率是很高的，這些細(xì)胞可以增殖形成新的耐藥性腫瘤克隆。”該成果于2015年11月11日發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊。這項研究是對腫瘤內(nèi)部多樣性程度最深入和徹底地探測，不但第一次刻畫了腫瘤的空間克隆結(jié)構(gòu)，同時通過建立腫瘤細(xì)胞群體遺傳理論第一次對腫瘤的遺傳異質(zhì)性水平進(jìn)行估算（如圖一）。值得注意的是，這項研究還揭示了巨大的多樣性在群體中如此迅速和大量的產(chǎn)生，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了達(dá)爾文進(jìn)化過程（Darwinian process）的估計。這使得在進(jìn)化領(lǐng)域從20世紀(jì)80年代開始、并持續(xù)了30年的選擇理論與中立理論的辯論“突然變得與醫(yī)學(xué)相關(guān)”。
日本遺傳學(xué)家木村資生在1968年提出進(jìn)化生物學(xué)中著名的自然選擇-中性理論的爭論，他指出達(dá)爾文自然選擇對物種內(nèi)部高度的遺傳多樣性作用甚微。事實上，即使是達(dá)爾文自己也對在自然群體中觀察到的多樣性表示疑惑。達(dá)爾文好奇的是：如果游戲的規(guī)則是適者生存（適應(yīng)性差的會減少），那么為什么在同一個物種中仍然存在這么多不同的類型。木村資生提出了“分子進(jìn)化的中性理論（Neutral theory或Non-Darwinian process）”。在非達(dá)爾文進(jìn)化中，突變的隨機出現(xiàn)、散布或消失服從簡單的數(shù)學(xué)法則。中性主義可能強調(diào)最幸運者生存，但并沒有否認(rèn)自然選擇的作用。好的突變是可能隨時出現(xiàn)的；而一旦出現(xiàn)，它會像野火般“燃遍”整個群體。燎原之后，只見燃跡，不見烽火（遺傳多樣性）?；蚪M所呂雪梅研究員表示ITGH形成的非達(dá)爾文過程并沒有完全否認(rèn)達(dá)爾文選擇力在細(xì)胞水平上的作用，她們研究團(tuán)隊甚至已經(jīng)發(fā)現(xiàn)同一器官不同腫瘤之間的遺傳異質(zhì)性形成過程受到自然選擇的作用。
文章的第一作者凌少平博士表示：“由于主流的腫瘤基因組研究過程中存在腫瘤組織取樣數(shù)目較少、所取樣品太大和測序深度太低、突變探測不準(zhǔn)等缺陷，加之腫瘤細(xì)胞群體遺傳模型尚未系統(tǒng)地建立，科學(xué)家們很難真正估算ITGH水平和刻畫克隆空間分布，更無從推斷其是否受到自然選擇的作用。”他提到：能發(fā)現(xiàn)ITGH形成符合非達(dá)爾文過程是非常幸運的，這當(dāng)然跟他們運用的蜂窩式取樣、極高深度測序、準(zhǔn)確的體細(xì)胞變異探測和精細(xì)的群體遺傳學(xué)分析是分不開的。他感到更幸運的是該研究成果第一次使得ITGH變得在理論上是可計算的，同時也有可能使得非達(dá)爾文過程成為人們未來在研究腫瘤內(nèi)部遺傳異質(zhì)性的零假設(shè)”。
吳仲義研究員還強調(diào)：“這項研究所估算出的腫瘤的高度遺傳異質(zhì)性也對腫瘤的臨床治療策略提出了明確的指示：高度的遺傳異質(zhì)性表明腫瘤細(xì)胞群體中存在抗性突變的概率很高。因此，通常為迅速清除腫瘤細(xì)胞所采用的化療、放療等殺傷性很強的策略，不但可能失效，甚至由于主要克隆被滅活反而會助長抗性克隆的膨脹和發(fā)展。”腫瘤的發(fā)生本質(zhì)上是體細(xì)胞進(jìn)化過程，進(jìn)化遺傳學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的交叉，無疑會給醫(yī)學(xué)問題帶來更多的啟示和解答。該項目的主要負(fù)責(zé)人吳仲義研究員和呂雪梅研究員都表示，以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步展開的理論或?qū)嶒炆系难芯?，將會對臨床有非常重要的影響；同時他們也特別感謝這一次參與到這項研究中的北大腫瘤醫(yī)院的兩位臨床研究人員：田秀云和郝純毅博士。基因組所胡正博士、楊祖玉博士和楊芳博士對此研究都付出了卓絕的努力，同時該研究得到了基因組所的測序中心、生物信息室和超算中心的鼎力支持。芝加哥大學(xué)、中山大學(xué)和臺灣遺傳多樣性研究中心都參與到這項研究當(dāng)中。值得一提的是進(jìn)化學(xué)界泰斗李文雄院士對此研究提出了很多有益的建議并多次修改。該研究得到了國家自然與科學(xué)基金委重大研究計劃、中國科學(xué)院先導(dǎo)項目、科技部973項目的支持。
圖：通過蜂窩式取樣、超高深度測序和分型，精確的突變探測，研究團(tuán)隊解析出腫瘤的空間克隆結(jié)構(gòu)如右圖（左下圖為展開的克隆結(jié)構(gòu)）。通過群體遺傳學(xué)方法的分析，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)腫瘤內(nèi)部遺傳異質(zhì)性（ITGH）符合非達(dá)爾文過程（左上圖）的預(yù)測。
參考文獻(xiàn)：Extremely high genetic diversity in a single tumor points to prevalence of non-Darwinian cell evolution, PNAS, http://www.pnas.org/content/early/2015/11/11/1519556112
