中科院北京基因组所PNAS发表史上最深度肿瘤基因组测序研究成果

图一：通过蜂窝式取样、超高深度测序和分型，精确的突变探测，研究团队解析出肿瘤的空间克隆结构如右图（左下图为展开的克隆结构）。通过群体遗传学方法的分析，研究团队发现肿瘤内部遗传异质性（ITGH）符合非达尔文过程(左上图)的预测。

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。必须面对的现实是：我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。

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Peter Nowell于1976刊登在Science上的文章提出：正如自然群体一样，肿瘤发生是受到以上几种进化驱动力作用的体细胞群体演化过程。这使得肿瘤内部遗传遗传性（Intratumoral Genetic Heterogenetity：ITGH）的形成遵从经典的达尔文过程成为40以来癌症生物学领域根深蒂固的观点。更多的研究表明肿瘤内部的异质性会与患者的预后或生存相关似乎也表明ITGH很有可能受到自然选择的作用。由于肿瘤群体演化过程中有很多问题很难回答：如从单个细胞祖先到具有106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？等。研究ITGH形成的历史过程和进化机制则变得难上加难。
中国科学院北京基因组研究所（简称：基因组所）的研究人员通过在一个肝癌切片上切取近300个样品和近2000倍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（大于10000个细胞的克隆），而大部分的突变只在小于100个细胞的小克隆中出现。正如项目负责人吴仲义研究员所强调的：“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是很高，这些细胞可以增殖形成新的耐药性肿瘤克隆。”该成果于2015年11月11日发表在美国国家科学院院刊。这项研究是对肿瘤内部多样性程度最深入和彻底地探测，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（如图一）。值得注意的是，这项研究还揭示了巨大的多样性在群体中如此迅速和大量的产生，远远超出了达尔文进化过程（Darwinian process）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年的选择理论与中立理论的辩论“突然变得与医学相关”。
日本遗传学家木村资生在1968年提出进化生物学中著名的自然选择-中性理论的争论，他指出达尔文自然选择对物种内部高度的遗传多样性作用甚微。事实上，即使是达尔文自己也对在自然群体中观察到的多样性表示疑惑。达尔文好奇的是：如果游戏的规则是适者生存（适应性差的会减少），那么为什么在同一个物种中仍然存在这么多不同的类型。木村资生提出了“分子进化的中性理论（Neutral theory或Non-Darwinian process）”。在非达尔文进化中，突变的随机出现、散布或消失服从简单的数学法则。中性主义可能强调最幸运者生存，但并没有否认自然选择的作用。好的突变是可能随时出现的；而一旦出现，它会像野火般“燃遍”整个群体。燎原之后，只见燃迹，不见烽火（遗传多样性）。基因组所吕雪梅研究员表示ITGH形成的非达尔文过程并没有完全否认达尔文选择力在细胞水平上的作用，她们研究团队甚至已经发现同一器官不同肿瘤之间的遗传异质性形成过程受到自然选择的作用。
文章的第一作者凌少平博士表示：“由于主流的肿瘤基因组研究过程中存在肿瘤组织取样数目较少、所取样品太大和测序深度太低、突变探测不准等缺陷，加之肿瘤细胞群体遗传模型尚未系统地建立，科学家们很难真正估算ITGH水平和刻画克隆空间分布，更无从推断其是否受到自然选择的作用。”他提到：能发现ITGH形成符合非达尔文过程是非常幸运的，这当然跟他们运用的蜂窝式取样、极高深度测序、准确的体细胞变异探测和精细的群体遗传学分析是分不开的。他感到更幸运的是该研究成果第一次使得ITGH变得在理论上是可计算的，同时也有可能使得非达尔文过程成为人们未来在研究肿瘤内部遗传异质性的零假设”。
吴仲义研究员还强调：“这项研究所估算出的肿瘤的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。”肿瘤的发生本质上是体细胞进化过程，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。该项目的主要负责人吴仲义研究员和吕雪梅研究员都表示，以此为基础进一步展开的理论或实验上的研究，将会对临床有非常重要的影响；同时他们也特别感谢这一次参与到这项研究中的北大肿瘤医院的两位临床研究人员：田秀云和郝纯毅博士。基因组所胡正博士、杨祖玉博士和杨芳博士对此研究都付出了卓绝的努力，同时该研究得到了基因组所的测序中心、生物信息室和超算中心的鼎力支持。芝加哥大学、中山大学和台湾遗传多样性研究中心都参与到这项研究当中。值得一提的是进化学界泰斗李文雄院士对此研究提出了很多有益的建议并多次修改。该研究得到了国家自然与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。（转化医学网360zhyx.com）
参考文献：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