基因組學(xué)研究揭示癌變細(xì)胞進(jìn)化過(guò)程

文/王文韜 劉伯寧

基因組學(xué)研究揭示癌變細(xì)胞進(jìn)化過(guò)程

文/王文韜 劉伯寧

在世界范圍內(nèi)，臨床上七分之一死亡病例是由于罹患癌癥。而在西方社會(huì)，這一比例更是高達(dá)三分之一。很早之前，人們就知道吸煙會(huì)導(dǎo)致肺癌，日照會(huì)誘發(fā)皮膚癌。但是，對(duì)于癌變發(fā)生的機(jī)制和細(xì)節(jié)，卻知之甚少。今年五月，在以破譯人類基因組測(cè)序三分之一序列著稱的英國(guó)桑格研究所（Wellcome Trust Sanger Institute），斯特拉頓（Mike Stratton）教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，通過(guò)對(duì)乳腺癌患者基因組進(jìn)行研究，從體細(xì)胞變異的角度，闡釋了癌變發(fā)生的詳細(xì)過(guò)程，并找出了誘發(fā)癌變的關(guān)鍵基因。同期，以我國(guó)華大基因研究院為主的科院團(tuán)隊(duì)，也通過(guò)對(duì)單個(gè)癌細(xì)胞進(jìn)行基因測(cè)序，揭示了腎癌、骨髓瘤的癌細(xì)胞進(jìn)化過(guò)程，表明了癌癥個(gè)體化醫(yī)療的重要性。

以上研究成果密集的發(fā)表于著名《細(xì)胞》、《自然》等雜志。

癌變發(fā)生的過(guò)程——突變體細(xì)胞進(jìn)化的結(jié)果

癌癥源于體細(xì)胞突變。基因發(fā)生突變的體細(xì)胞，在與正常體細(xì)胞生存競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程中，不斷進(jìn)化。最終變成永生不死的癌細(xì)胞。癌細(xì)胞無(wú)限制的增殖，進(jìn)而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。這聽起來(lái)很像是達(dá)爾文關(guān)于物種起源的“進(jìn)化論”。兩者的區(qū)別在于，物種的進(jìn)化要?dú)v經(jīng)成千上萬(wàn)年，而從癌變的發(fā)生，則只需要數(shù)年。這就是皮特·諾維（Peter Nowell）早先提出的“癌細(xì)胞進(jìn)化”理論，它可以圓滿揭示癌癥的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移等病理過(guò)程。在癌變發(fā)生的過(guò)程中，體細(xì)胞的每一次突變，都會(huì)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(shí)期體細(xì)胞變異時(shí)留下的印跡，就可以得到癌細(xì)胞完整的進(jìn)化史。

斯特拉頓教授就是根據(jù)這個(gè)原理，通過(guò)研究21名乳腺癌患者的基因組，繪制出乳腺癌體細(xì)胞變異的進(jìn)化樹。據(jù)此闡釋了癌變發(fā)生的詳細(xì)過(guò)程：最初基因突變的體細(xì)胞首先會(huì)不斷分化，形成一個(gè)龐大的突變體細(xì)胞家族。家族的成員經(jīng)過(guò)體內(nèi)微環(huán)境的“自然選擇”，只有生存能力最強(qiáng)的亞克隆才能不斷增殖。同時(shí)，通過(guò)這種方式，癌癥基因在突變體細(xì)胞內(nèi)不斷累積，后者也逐漸完成了自身的進(jìn)化。但某一突變體細(xì)胞的亞克隆占到其家族細(xì)胞總數(shù)的半數(shù)以上，患者就會(huì)臨床上表現(xiàn)出癌癥的具體癥狀。

癌變發(fā)生的過(guò)程表明，多數(shù)乳腺癌患者在被確診之前，體內(nèi)的癌變就已經(jīng)開始。因?yàn)樵谂R床上，只有癌變發(fā)展到一定程度，或者說(shuō)，只有突變體細(xì)胞完成自身的進(jìn)化，癌變才有可能被目前的診斷手段所發(fā)現(xiàn)。而事實(shí)上，癌癥的發(fā)生過(guò)程應(yīng)以體細(xì)胞變異為起點(diǎn)，如此算來(lái)，患者早在十余年前就已經(jīng)換上癌癥。此項(xiàng)研究成果以“乳腺癌細(xì)胞生活史”為題發(fā)表在《細(xì)胞》雜志上。在此研究中，還發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的體細(xì)胞突變機(jī)制——“kataegis”模式。即，在基因組一個(gè)小范圍的區(qū)域內(nèi)，短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生大量的基因突變。這與體細(xì)胞突變中通常“循序漸進(jìn)”的方式大相徑庭，這種突變的頻率與密度，猶如“疾風(fēng)驟雨”一般，因此，該模式以“kataegis”（希臘語(yǔ)“暴風(fēng)雨”的意思）來(lái)命名。雖然，此突變機(jī)制在以前的研究中從未被發(fā)現(xiàn)。但是，在被研究在 21名乳腺癌患者體內(nèi)，至少有13人體內(nèi)發(fā)生了“kataegis”突變。這預(yù)示著此種突變方式可能在癌癥患者體內(nèi)廣泛存在。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，“katagis”突變模式的發(fā)生，可能與細(xì)胞中APOBEC蛋白家族有關(guān)。

不同作用的體細(xì)胞突變——是司機(jī)，還是乘客？

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

近年來(lái)，癌癥基因組的研究發(fā)現(xiàn)，癌變過(guò)程中與之相關(guān)的體細(xì)胞突變位點(diǎn)有成千上萬(wàn)處。但這其中起決定性作用的司機(jī)突變往往不足十處。在惡性膠質(zhì)瘤、白血病、皮膚癌等患者體內(nèi)，通常五個(gè)左右的司機(jī)突變就可直接導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。司機(jī)突變的個(gè)數(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于乘客突變的數(shù)目。如何從上萬(wàn)處體細(xì)胞突變中找到真正的罪魁禍?zhǔn)?，并不容易。斯特拉頓教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，通過(guò)對(duì)一百名乳腺癌患者的基因組進(jìn)行研究，經(jīng)過(guò)邏輯算法分析后，在總計(jì)兩萬(wàn)一千余處體細(xì)胞突變中找到了誘發(fā)癌變的關(guān)鍵突變九處。這也使得迄今為止，發(fā)現(xiàn)的乳腺癌司機(jī)突變累積達(dá)四十個(gè)。該研究成果發(fā)表在五月份的《自然》雜志上。

更為復(fù)雜的是，這四十種司機(jī)突變，在不同的患者體會(huì)出現(xiàn)不同組合。在這一百名乳腺癌患者中，僅有28名患者體內(nèi)只有一種司機(jī)突變，多數(shù)患者體內(nèi)存在多種不同的司機(jī)突變組合，個(gè)別患者體內(nèi)的司機(jī)突變最高可達(dá)六處。斯特拉頓教授指出，“從目前的研究結(jié)果看，乳腺癌患者體內(nèi)中至少存在七十余種司機(jī)突變組合。假設(shè)每名癌癥患者體內(nèi)存在四種司機(jī)突變，那么，臨床上出現(xiàn)三名患者的遺傳背景完全相同的概率幾乎為零”。司機(jī)突變的隨機(jī)組合，導(dǎo)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(wú)論是癌細(xì)胞的生活史會(huì)經(jīng)歷細(xì)胞分化，存在多種突變體細(xì)胞亞克隆。還是患者體內(nèi)存在不同的司機(jī)基因組合。癌癥基因組的最新研究進(jìn)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(huì)忽視這一點(diǎn)。臨床上的治療策略主要針對(duì)數(shù)目占優(yōu)的突變體細(xì)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(diǎn)是癌細(xì)胞過(guò)度表達(dá)的HER 2基因。倘若患者體內(nèi)的癌細(xì)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(xì)胞進(jìn)化、增殖，同樣會(huì)導(dǎo)致癌癥惡化或復(fù)發(fā)。這也就解釋了，為什么相同的治療方案，面對(duì)不同的患者會(huì)有不同的療效。治愈的癌癥患者又存在病情復(fù)發(fā)的可能。癌細(xì)胞的進(jìn)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(xué)的研究，使人們能夠認(rèn)識(shí)癌細(xì)胞進(jìn)化過(guò)程的更多細(xì)節(jié)，藉此，可以為癌癥的治療提供更多的藥物靶點(diǎn)。

基因組學(xué)推動(dòng)癌癥患者的“個(gè)性化”治療

二十五年前（1986年），諾貝爾獎(jiǎng)獲得者杜爾貝克（R. Dulbecco）在《科學(xué)》上發(fā)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(xì)胞的基因組”。這被視為癌癥研究的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。同時(shí)，這一論述也直接促成了 “人類基因組計(jì)劃”的啟動(dòng)。本世紀(jì)初，人類基因組草圖繪制完成。癌癥的研究開始進(jìn)入基因組學(xué)階段。除了英國(guó)桑格研究啟動(dòng)的“癌癥基因組計(jì)劃”（Cancer Genome Project），2005年，美國(guó)癌癥研究所和美國(guó)人類基因組研究所共同啟動(dòng)“人類癌癥基因圖集”計(jì)劃（The Cancer Genome Atlas），旨在繪制500例癌癥患者的基因圖譜；2008年，國(guó)際癌癥基因組聯(lián)合會(huì) 成 立（International Cancer Genome Consortium），包括中國(guó)在內(nèi)的九個(gè)國(guó)家，共同針對(duì)臨床上的五十余種癌癥進(jìn)行基因組學(xué)研究。在以上癌癥基因組計(jì)劃的推動(dòng)下，近年來(lái)，誘發(fā)乳腺癌、皮膚癌、肺癌、腦瘤等癌癥的關(guān)鍵基因不斷被確認(rèn)。

今年3月，以我國(guó)華大基因研究院為主的科研團(tuán)隊(duì)，采用“單細(xì)胞外顯子組測(cè)序技術(shù)”對(duì)血癌、腎癌進(jìn)行基因組學(xué)研究。該方法只針對(duì)能表達(dá)為蛋白的DNA（占全基因組序列的1%）進(jìn)行測(cè)序，因此更為經(jīng)濟(jì)、快速；同時(shí)，他們采用了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)，比傳統(tǒng)的測(cè)序技術(shù)分辨率和準(zhǔn)確性更高。在王俊教授的帶領(lǐng)下，華大的青年科學(xué)家團(tuán)隊(duì)分別對(duì)一名骨髓瘤患者體內(nèi)的58個(gè)癌細(xì)胞和一名腎癌患者的25個(gè)癌細(xì)胞進(jìn)行基因測(cè)序，發(fā)現(xiàn)了腫瘤組織內(nèi)部不同癌細(xì)胞有著非常大的差異，同時(shí)，他們推斷了腫瘤的復(fù)雜演化過(guò)程，并據(jù)此進(jìn)一步明確了誘發(fā)癌變的一些重要司機(jī)突變。在傳統(tǒng)的癌癥治療實(shí)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(fā)現(xiàn)預(yù)示著不同患者的癌癥組織差別很大，因此在用藥前需要對(duì)每個(gè)患者的癌癥組織進(jìn)行仔細(xì)分析，才能夠“對(duì)癥下藥”，也就是預(yù)示了癌癥的個(gè)體化治療的必要性與緊迫性。

1977年，當(dāng)皮特諾維教授提出“癌細(xì)胞進(jìn)化”理論時(shí)，同時(shí)指出：治愈患者的希望也許在于對(duì)不同的患者，進(jìn)行不同的治療。隨著癌癥基因組學(xué)研究成果應(yīng)用于臨床實(shí)踐，這種“個(gè)性化”治療的策略正在逐步成為現(xiàn)實(shí)。

上圖為突變體細(xì)胞進(jìn)化路徑

上圖為體細(xì)胞存在染色體重排，基因拷貝數(shù)變異、點(diǎn)突變等多種突變方式。

（王文韜，河北省邯鄲市第一醫(yī)院普通外科；劉伯寧，河北制藥新藥研發(fā)中心，國(guó)家抗體藥物研制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

（華大基因研究院侯勇對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)）