腫瘤基因組圖譜泛癌分析計(jì)劃

張坤 綜述 王紅 審校

在2014年9月中國(guó)臨床腫瘤學(xué)會(huì)（Chinese Society of Clinical Oncology, CSCO）會(huì)議上，吳一龍教授作了一項(xiàng)重要發(fā)言，核心內(nèi)容是“-OMA”的概念，即多種不同類別多種腫瘤的分享相同基因而且對(duì)其相關(guān)抑制劑治療有效，給相關(guān)領(lǐng)域的同道同仁以很大啟發(fā)。本文以下內(nèi)容就是最好的關(guān)于不同腫瘤基因水平的系列啟示，以此與同行共勉。

1 單個(gè)腫瘤類型的分子描述

如今，腫瘤作為一種基因病已達(dá)成共識(shí)。早期，通過已知陽(yáng)性選擇系統(tǒng)，對(duì)腫瘤遺傳物質(zhì)進(jìn)行功能分析，識(shí)別了大量癌基因[1-3]；通過分析雜合子的缺失識(shí)別了一部分腫瘤抑癌基因[4]。最近，系統(tǒng)腫瘤基因組計(jì)劃，應(yīng)用新技術(shù)對(duì)特定腫瘤類型進(jìn)行了分析，這其中包括腫瘤基因組圖譜計(jì)劃。這種特異性技術(shù)鑒定了新的導(dǎo)致腫瘤功能改變的驅(qū)動(dòng)基因[5-7]，建立了新的分子亞型[8-13]，根據(jù)基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)的變化識(shí)別了新的生物標(biāo)記物。一些標(biāo)記物已用于臨床[14,15]。比如，乳腺導(dǎo)管癌也是個(gè)典型例子，其不同亞型（luminalA、luminalB、HER2、基底樣）臨床特征完全不同。靶向治療BRAF突變后，轉(zhuǎn)移性黑色素瘤預(yù)后得到改善[16]。大部分肺癌的驅(qū)動(dòng)基因位點(diǎn)（如EGFR、ALK、c-MET、KRAS、ROS1等）變化發(fā)現(xiàn)后，可靶向治療的肺癌類型正在不斷增加[17,18]。形成癌基因的大量過程也同樣得到了識(shí)別。Chromothripsis[19]和chromoplexy[20]，包括與基因重排高突變率相關(guān)的大量基因座染色體碎裂、重排[21]，為我們提供了觀察腫瘤進(jìn)化的視野[22]。

2 跨越不同腫瘤類型的分析

腫瘤樣本數(shù)據(jù)的增加增強(qiáng)了我們探測(cè)分析腫瘤分子缺陷的能力。例如，不同腫瘤細(xì)胞重復(fù)性事件中，染色體微小區(qū)域的擴(kuò)增與刪除，可以精確描繪出驅(qū)動(dòng)基因。大樣本量DNA測(cè)序揭示了一系列周期性基因變化（突變、擴(kuò)增、刪除、易位、融合和其他結(jié)構(gòu)變化），這些不同腫瘤類型中的基因改變，有的已經(jīng)明確，有的還未有人發(fā)現(xiàn)[23]。然而，樣本中基因變化分布的“l(fā)ong tail”也被揭示[24]。確實(shí)，TCGA一部分樣本的基因變化類型與其他的不同。雖然每個(gè)腫瘤的表型與其他腫瘤明顯不同，但每個(gè)腫瘤的分子變化，最終都匯合到共同的分子通路中。再如，通過整合不同腫瘤類型，少數(shù)體細(xì)胞突變可被鑒定為驅(qū)動(dòng)基因，這樣可以改進(jìn)檢測(cè)手段。如蛋白編碼區(qū)的熱點(diǎn)突變，可以發(fā)現(xiàn)潛在的藥物治療靶點(diǎn)。

判斷少數(shù)變化位點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)子，或僅僅是輔助作用，或無(wú)臨床活性，需要進(jìn)一步功能評(píng)估和對(duì)其他腫瘤進(jìn)行分析。識(shí)別每種腫瘤更多的驅(qū)動(dòng)子突變及獲得性缺陷，無(wú)疑會(huì)促進(jìn)個(gè)體化治療。靶向現(xiàn)已明確的140個(gè)驅(qū)動(dòng)基因[23]進(jìn)行治療，雖然看起來(lái)可行，然而卻是使人畏縮的。在不遠(yuǎn)將來(lái)，對(duì)數(shù)千個(gè)突變位點(diǎn)設(shè)計(jì)一次性治療方法則更具有挑戰(zhàn)性。

雖然經(jīng)過幾十年的研究，發(fā)現(xiàn)了一些重要的普遍規(guī)律[25,26]，大多數(shù)對(duì)分子、病理、腫瘤臨床特征的研究都以腫瘤類型的劃分為依據(jù)[27]。只要看一下大多數(shù)腫瘤中心腫瘤科的指導(dǎo)原則，對(duì)腫瘤的醫(yī)療原則和手術(shù)原則都是以組織器官起源作為分類依據(jù)的。這種框架已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間，但分子層面的分析認(rèn)為這種觀點(diǎn)存在問題。來(lái)自不同器官的腫瘤存在著許多共同特征，相反，來(lái)自相同器官的腫瘤有許多不同。

現(xiàn)已識(shí)別出來(lái)自不同器官腫瘤亞型的重要相似性。如TP53突變驅(qū)動(dòng)高度惡性卵巢腫瘤、惡性子宮內(nèi)膜癌、基底樣乳腺癌，這些腫瘤有廣泛相同的癌基因轉(zhuǎn)錄活化信號(hào)通路。同樣，惡性膠質(zhì)瘤、胃癌、惡性子宮內(nèi)膜癌、膀胱癌和肺癌中發(fā)生了ERBB2/HER2的突變和（或）擴(kuò)增。這些結(jié)論，可使這些腫瘤像治療HER2擴(kuò)增的乳腺癌一樣，對(duì)靶向HER2的治療有反應(yīng)。其他腫瘤間的共性如惡性卵巢腫瘤和基底樣型腫瘤中遺傳性的體細(xì)胞BRCA1/2信號(hào)通路的失活，結(jié)直腸癌和子宮內(nèi)膜癌內(nèi)腫瘤相關(guān)基因微片段的不穩(wěn)定，在結(jié)腸癌和子宮內(nèi)膜癌中，新識(shí)別的POLE介導(dǎo)的超高突變率的亞型[12,28,29]。相反，來(lái)自不同器官，具有相同基因變化的腫瘤表現(xiàn)不同。主要的例子是NOTCH，其在肺鱗癌、頭頸部癌[30]、皮膚癌[31]和子宮頸癌[32]中失活，但在液體瘤中通過突變而活化[33]。

這些例子表明形成跨越腫瘤類型的廣闊視野的重要性，而不是根據(jù)組織病理學(xué)診斷，共同的分子特征將使一種腫瘤的病因?qū)W及治療學(xué)新發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于另一種腫瘤。更重要的是，對(duì)數(shù)據(jù)全面的解釋將幫助我們認(rèn)識(shí)不同組織間突變導(dǎo)致的結(jié)果的差異。發(fā)生率低的腫瘤，如小兒惡性腫瘤，受益頗多。

當(dāng)今世界我們對(duì)主要腫瘤的分子特征比幾年前了解得更多。但一旦腫瘤轉(zhuǎn)移，它依然無(wú)法治愈。對(duì)組織、器官、轉(zhuǎn)移定植部位分子特征的整合是否會(huì)改善患者預(yù)后，還需要時(shí)間檢驗(yàn)。但這種新方法占有優(yōu)勢(shì)。因此，泛癌計(jì)劃的目標(biāo)是識(shí)別分析決定腫瘤譜系的基因型和表型產(chǎn)生共性和差異性的基因變化。以下這份報(bào)告概括和介紹了這項(xiàng)計(jì)劃。

3 泛癌計(jì)劃

為了分析不同類型、組織起源腫瘤的共性、差異以及新課題。TCGA于2012年10月26日-27日在圣克魯茲，加州舉行的會(huì)議中發(fā)起了泛癌計(jì)劃。泛癌計(jì)劃是一個(gè)協(xié)同計(jì)劃，目的是整合基于不同腫瘤類型，不同平臺(tái)的TCGA數(shù)據(jù)，同時(shí)分析解釋這些數(shù)據(jù)。在計(jì)劃開始兩月后，一篇名為“freeze”的文章發(fā)表，基于首批12種TCGA類型，每種腫瘤類型通過六種不同的基因組學(xué)、表觀遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)的平臺(tái)進(jìn)行分析。自此，整合的數(shù)據(jù)由一組多數(shù)來(lái)自TCGA研究員的研究人員進(jìn)行質(zhì)量控制和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

泛癌計(jì)劃基于一個(gè)分析框架，未來(lái)將包括新的腫瘤類型和來(lái)自TCGA和其他相似數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)。現(xiàn)如今已經(jīng)有很多同仁的合作努力，如小兒腫瘤鄰域的合作研究（Therapeutically Applicable Research to Generate Effective Treatments, TARGET）、成人腫瘤研究計(jì)劃（the nternational Cancer Genomics Consortium, ICGC）以及世界其他地方的小型計(jì)劃。一個(gè)關(guān)鍵組成部分是CTD項(xiàng)目（Cancer Target Discovery and Development）以及ICBP（Integrative Cancer Biology Program）項(xiàng)目。分別研究個(gè)體基因突變的功能定位，闡明其中的通路和網(wǎng)絡(luò)。

超越單個(gè)腫瘤類型視野的腫瘤生物學(xué)存在一些問題，主要包括以下幾個(gè)方面。

泛癌計(jì)劃通過整合12類腫瘤類型以得到大量樣本，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的增加能否使驅(qū)動(dòng)位點(diǎn)突變與其他位點(diǎn)突變區(qū)別。整合后的泛癌計(jì)劃數(shù)據(jù)，使我們能識(shí)別新的驅(qū)動(dòng)基因位點(diǎn)。新計(jì)算機(jī)輔助方法通過分析腫瘤復(fù)制時(shí)間和與背景基因突變率相關(guān)的腫瘤表達(dá)，可使我們識(shí)別頻繁突變的基因。同時(shí)排除許多針對(duì)單一腫瘤類型研究計(jì)劃的假陽(yáng)性和假陰性[34]。將來(lái)，通過識(shí)別重復(fù)出現(xiàn)的突變和排他性結(jié)果，有利于區(qū)分驅(qū)動(dòng)基因突變和普通基因突變。

哪種組織水平是腫瘤基因結(jié)構(gòu)變化的基礎(chǔ)？通過改進(jìn)的方法，對(duì)大塊染色體區(qū)段的結(jié)構(gòu)分析可以改善我們識(shí)別多個(gè)重點(diǎn)區(qū)域基因調(diào)節(jié)因子和表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)因子的能力，這些調(diào)節(jié)因子是通過對(duì)比不同腫瘤類型的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的。組織相關(guān)類型已被用于檢測(cè)全基因組復(fù)制的頻率和時(shí)段[35]。

通過對(duì)不同組織的所有突變事件進(jìn)行整體考慮，哪種通路是關(guān)鍵通路并且能潛在活化呢？如何獲得像染色體結(jié)構(gòu)重組這樣的新突變類型：①收集不同腫瘤類型的低頻率事件；②整合如突變、拷貝數(shù)改變、表觀遺傳學(xué)沉默等事件；③運(yùn)用多種方法驗(yàn)證新預(yù)測(cè)的驅(qū)動(dòng)基因；④運(yùn)用基因網(wǎng)絡(luò)和通路整合各種基因。

增加樣本量能促進(jìn)對(duì)同時(shí)發(fā)生相互各異的基因變化的分析嗎？能幫助我們區(qū)分驅(qū)動(dòng)基因和普通基因嗎？在對(duì)不同組織、不同通路致癌機(jī)理的研究中，對(duì)基因組學(xué)、表觀基因組學(xué)的狹窄視野會(huì)揭示出一幅虛假的圖景[36]。

分子亞型能區(qū)分疾病中組織特異和組織非特異的成分嗎？對(duì)表觀基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)的分析提示不同組織類型對(duì)腫瘤細(xì)胞通路的影響。另外，基因表達(dá)圖景證實(shí)了組織依賴的通路改變，其中包括對(duì)腫瘤相對(duì)重要的一百多種蛋白。對(duì)所有腫瘤類型的研究可使組織特異腫瘤信號(hào)從數(shù)據(jù)庫(kù)中剔除。有趣的是，從DNA微陣列基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)中剔除的信號(hào)表明，免疫間質(zhì)的效應(yīng)跨越了腫瘤類型的界限。再次，不同譜系共同事件在泛癌計(jì)劃中變得明顯[37]。如激素依賴性乳腺癌、卵巢腫瘤、子宮內(nèi)膜癌以及頭頸部、肺部、子宮頸和膀胱腫瘤的常見鱗狀化生。

在兩種譜系中都活化的事件可以增加發(fā)現(xiàn)靶向特異治療方法的范圍。對(duì)計(jì)算機(jī)處理方式的整體評(píng)估可以揭示一些方法原則，使用跨不同類型腫瘤的整合信息預(yù)測(cè)患者結(jié)果。

4 泛癌計(jì)劃受到的限制

現(xiàn)在，對(duì)不同數(shù)據(jù)庫(kù)的整合不可避免的對(duì)泛癌分析造成了限制。關(guān)鍵問題在于對(duì)不同平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行的整合，或在技術(shù)改進(jìn)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)平臺(tái)的升級(jí)。例如，對(duì)更高密度DNA甲基化序列的轉(zhuǎn)化，使用不同的外顯子研究技術(shù)，RNA序列和基于微陣列的RNA特征，用于反相蛋白質(zhì)陣列的抗體數(shù)量和質(zhì)量的增加。已有一系列減少不同平臺(tái)之間誤差的方法。然而，有更多工作需要去做，以建立一套減少誤差的方法，同時(shí)可以保存有用生物學(xué)信號(hào)。

不同腫瘤的臨床數(shù)據(jù)的種類和質(zhì)量差異很大。這些差異限制了建立通用統(tǒng)計(jì)信息、組織病理特征、行為環(huán)境和臨床結(jié)果的能力。如由于診斷率低，卵巢腫瘤的生存率數(shù)據(jù)比較健全。但由于乳腺和子宮內(nèi)膜腫瘤存活時(shí)間較長(zhǎng)，其數(shù)據(jù)庫(kù)還不成熟。只有當(dāng)一些數(shù)據(jù)被認(rèn)為相關(guān)時(shí)，才會(huì)采集這些數(shù)據(jù)（例如，肺部、膀胱、頭頸部腫瘤的吸煙史）。已證實(shí)了一些實(shí)體腫瘤如頭頸部腫瘤、子宮頸腫瘤、卡波西肉瘤和肝細(xì)胞癌與病毒有關(guān)。但是，只有少數(shù)腫瘤有感染因素登記，所以感染的病因?qū)W統(tǒng)計(jì)難以建立（作為一項(xiàng)常規(guī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)）。最后，不同腫瘤有不同分類系統(tǒng)，難以建立共同的分級(jí)分期系統(tǒng)。這些挑戰(zhàn)更反映出現(xiàn)今以組織和器官分類的臨床實(shí)踐特點(diǎn)。

從統(tǒng)計(jì)學(xué)上說(shuō)，必須小心處理不同腫瘤對(duì)比得到的樣本數(shù)據(jù)，以免得到假陰性率高的發(fā)現(xiàn)（如剔除重要突變）或假陽(yáng)性率高的發(fā)現(xiàn)（如混淆從一種腫瘤得到的假陽(yáng)性結(jié)果）[34]。

稀有事件不應(yīng)該被疾病相關(guān)事件掩蓋。腫瘤譜系在所研究的基因變化和基因表達(dá)描述中發(fā)揮重要作用，看似相同的事件，卻有不同的結(jié)果，如相同的基因和擴(kuò)增子。同樣，為準(zhǔn)確探測(cè)腫瘤趨勢(shì)的新方法需要準(zhǔn)確依據(jù)不同組織起源的腫瘤突變率、拷貝數(shù)改變，以及其他基因背景和表觀遺傳學(xué)背景同時(shí)發(fā)生事件的趨勢(shì)。

雖然有以上挑戰(zhàn)，泛癌計(jì)劃所發(fā)表的文章表明其在分子水平研究腫瘤生物學(xué)的共性和差異所作的努力。同樣，今后泛癌計(jì)劃的主要問題依然存在，用于比較不同腫瘤的技術(shù)會(huì)隨著實(shí)踐、時(shí)間和將來(lái)的合作而改進(jìn)。

5 今后的方向

泛癌計(jì)劃是第一個(gè)協(xié)同研究不同腫瘤分子圖景的，尤其是對(duì)多種腫瘤的大量研究。進(jìn)一步增加每種腫瘤的樣本量和腫瘤的種類無(wú)疑會(huì)使我們檢測(cè)特異腫瘤樣本稀有驅(qū)動(dòng)基因的能力增強(qiáng)。但這種進(jìn)步最終來(lái)自對(duì)不同類型的詳細(xì)分析、與之相關(guān)的臨床預(yù)后、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、臨床試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)假設(shè)。像激光顯微切割、細(xì)胞分類等技術(shù)可使我們區(qū)分Omic信號(hào)是惡性或來(lái)自正常細(xì)胞。組織學(xué)描述、基于質(zhì)譜分析的蛋白質(zhì)分析、單個(gè)腫瘤細(xì)胞異質(zhì)性的反卷積分析法等方法可以給我們提供新的重要的信息。對(duì)腫瘤來(lái)源細(xì)胞的追蹤可使我們區(qū)分腫瘤的共性和差異性?？寺∷胶筒煌[瘤間單個(gè)分子的比較可能會(huì)揭示不同腫瘤的聯(lián)系。對(duì)切除的瘤體、原位復(fù)發(fā)的瘤體、轉(zhuǎn)移的瘤體的縱向研究會(huì)通過合作取得進(jìn)展。在此之前只限于原發(fā)腫瘤的研究，且缺乏對(duì)治療效果的信息。原發(fā)腫瘤的特征隨著轉(zhuǎn)移可能會(huì)變化，特別是骨腫瘤和腦瘤。泛癌計(jì)劃對(duì)轉(zhuǎn)移的分析將繪制出轉(zhuǎn)移瘤與原發(fā)瘤及正常組織間的關(guān)系。揭示侵襲和定植的基本規(guī)律。

隨著對(duì)單個(gè)腫瘤分子高分辨率監(jiān)視的實(shí)現(xiàn)，泛癌計(jì)劃的分析能力會(huì)增強(qiáng)。現(xiàn)在基因測(cè)序的價(jià)格已下降，下一個(gè)泛癌計(jì)劃項(xiàng)目將能夠分析各個(gè)腫瘤全基因組序列。全基因組分析會(huì)補(bǔ)充非編碼區(qū)的突變過程，這部分現(xiàn)在還未研究。擴(kuò)展分析主要集中在對(duì)啟動(dòng)子、增強(qiáng)子斷裂，非編碼RNA突變，腫瘤進(jìn)化中像反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子、病毒等易變的內(nèi)源性和外源性DNA元件的分析上。全基因組測(cè)序?qū)⑸苫蜿P(guān)聯(lián)研究的背景，以使內(nèi)在易染病體質(zhì)和特定腫瘤聯(lián)系起來(lái)?；谙嚓P(guān)通路和網(wǎng)絡(luò)的研究方法將和來(lái)自寶貴數(shù)據(jù)的治療機(jī)會(huì)相結(jié)合。后續(xù)試驗(yàn)將集中在序列的功能研究以及新發(fā)現(xiàn)與治療之間的關(guān)系上。

6 結(jié)語(yǔ)

像泛癌研究計(jì)劃這種對(duì)不同腫瘤的綜合研究最終無(wú)疑會(huì)影響臨床決策。我們希望發(fā)現(xiàn)能用于臨床的新型治療藥物，或許是新的適應(yīng)性強(qiáng)的、跨越不同腫瘤界限的、基于生物標(biāo)記物的臨床試驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，泛癌TCGA數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分已公開。雖然協(xié)同研究來(lái)自不同數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)依然是個(gè)挑戰(zhàn)，這些數(shù)據(jù)庫(kù)包含從不同形式、不同層面分析腫瘤的資源。

關(guān)鍵挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)基于分子標(biāo)記的不同組織腫瘤亞型相關(guān)的臨床試驗(yàn)策略。最近對(duì)跨多平臺(tái)腫瘤細(xì)胞的藥理學(xué)試驗(yàn)分析顯示共同的基因變化可以預(yù)測(cè)不同譜系細(xì)胞對(duì)治療的反應(yīng)[36-39]。基于生物標(biāo)記物的臨床設(shè)計(jì)可增強(qiáng)其統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，大大減少臨床實(shí)驗(yàn)的規(guī)模、資金和周期。

供科學(xué)界去挖掘和探索的Omic數(shù)據(jù)庫(kù)在數(shù)量和規(guī)模上在快速擴(kuò)張，為研究腫瘤發(fā)病原因的計(jì)算機(jī)工具也變得更強(qiáng)大。關(guān)鍵是認(rèn)識(shí)到整個(gè)計(jì)劃的全部潛力會(huì)隨著時(shí)間和努力的投入而實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，TCGA泛癌計(jì)劃發(fā)表的論文代表了對(duì)腫瘤研究新領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。