【Science】深入认识基因组和表观基因组，将有助于预防、诊断和治疗癌症

2020年，大约有1000万人因为癌症丧失了他们宝贵的生命。这种致命疾病是由我们DNA的种种变化引起的。

科学家首次公布人类基因组序列，距今已经20年了。继这一重大成就之后又有了重大的技术进步屡屡出现，让我们能够更便捷并极其详细地读取DNA的层层信息，包括从细胞癌变时DNA发生的第一次变化，到晚期肿瘤的复杂微环境。

现在，为了加快对癌症患者的筛查、发现和诊断，我们需要运用新的方法来整合我们生成的不同类型的复杂数据，为癌症进化提供新的生物学见解。

他们将这一研究成果发表在《Science》杂志一篇题目为“Mapping genomic and epigenomic evolution in cancer ecosystems”的文章中：

作者和两位同事：日本国家癌症中心研究所表观基因组学部门主任Toshikazu Ushijima教授、新加坡基因组研究所的执行主任Patrick Tan教授，对他们目前可以从复杂的DNA分析中获得的癌症见解进行了一番回顾和细致分析，并精确地定义了他们需要应对的未来挑战，从而为患者病情带来进一步治疗和改善。

我们DNA的复杂性

许多人把我们的DNA，也就是我们的基因组，想象成简单的一串字母。事实上，许多层次的信息，即表观基因组，能够完全改变它的活性。我们的基因组可以与地球上不同的地理环境相比较，就像山脉、岛屿和海洋都是由相同的基本元素组成的这个道理一样，我们的As、Ts、Gs和Cs基因序列构成了我们细胞内复杂结构基本特征。

这些地理环境是由我们的表观基因组，也就是额外的信息层创造的，包括附在我们DNA上的化学标记(称为DNA甲基化)和包裹DNA的蛋白质(组蛋白)的化学变化，它们共同协调了DNA在我们细胞内的三维组织方式。

我们的基因组和表观基因组都在癌症生命周期中进化，我们需要了解这些复杂的变化，以改善癌症的风险评估，并加快对患者的治疗发现。

从癌症的形成到转移

以前人们认为，基因的变化足以导致癌症，但现在越来越清楚的是，基因组和表观基因组的变化在癌症进化中共同发挥着重要作用。例如，有证据表明，随着年龄增长DNA甲基化发生的变化可以使细胞易于发生致癌的基因变化。

再以吸烟为例，在基因变化和肺癌被检测出来之前，科学家已经观察到肺部细胞的DNA甲基化变化。为了进一步了解探索关于致癌的新见解，我们需要绘制基因组和表观基因组变化的精确顺序。

作者也逐渐意识到，虽然癌症可以累积遗传变化，但表观基因组也会随着癌症从原发性肿瘤过渡到转移性肿瘤而进行“重新编码”，最终可能会对治疗产生耐药性。了解这些变化可能会导致新的治疗靶点，从而对晚期癌症进行更精确的治疗。

先进技术为我们带来新的见解

癌细胞与其他不同类型的细胞（其中包括免疫细胞和被称为基质细胞的结缔组织细胞)共同生活在肿瘤生态系统中。今天，先进的成像和单细胞技术正在以前所未有的分辨率帮助我们将这些细胞、基因组和表观基因组的变化在肿瘤的三维背景下绘制出来。这一组研究人员正在Garvan- weizmann细胞基因组学中心运用他们的活体显微镜设备进行这些研究和分析。

许多国际研究联盟，包括人类肿瘤图谱网络和英国癌症研究大挑战项目已经建立，以在单细胞和空间水平上研究癌症。然而，这些联盟将不得不处理数据集成方面的巨大挑战。在当今全球化的研究环境中，我们需要全球标准化的方法来整合来自不同分析技术和实验室的数据。如果深入了解在癌症形成和发展过程中DNA的完全整合和细胞所发生的变化，那么这会更好地指导他们如何更好地诊断、治疗和预防癌症。

大数据时代的机遇与挑战

在过去的20年里，科学家研发出了一种技术，这种技术手段辅助我们有效地证明了我们的基因组和表观基因组远比我们想象的要复杂得多。我们正处在一个重要的时刻，一个新的癌症见解将产品将从解决由复杂多样的测序和想象数据集产生数学问题的关键时刻。

先进的技术使科学家能够产生大量的数据。但现在的挑战是数据整合——人类根本无法一时消化我们提供的所有信息。这一挑战将由人工智能解决，这是他们需要结合计算专业知识，以创新的方式查看和建模数据。

科学家在未来将面临的另一个关键的挑战是：如何将基本的发现转化为实际的临床应用。如果他们对导致细胞内癌症形成的多个步骤都有精确的理解，那么就会让他们对癌症风险的筛查和早期发现做出有效的改进。在未来，对遗传和表观遗传特征的研究可能会帮助他们从环境中完全去除致癌物和致癌的过程。

对于晚期癌症，整合DNA分析这种方法可能有助于查明被忽视的癌细胞转移机制，这可能是治疗癌症、防止它恶化的一个有希望的靶点。

从遗传学家和表观遗传学家的角度来看，整合他们的数据来研究癌症的挑战与模拟气候变化的挑战没有什么区别。他们需要从不同来源的大量数据的信息中进行组合和背景分析从而构造出一个气候模型，以预测地球的未来。基因组学和表观基因组学也是如此，需要了解当细胞癌变时不同层次的DNA信息是如何协同作用从而引发“气候变化”对细胞的极大破坏。（转化医学网360zhyx.com）

参考资料:

https://medicalxpress.com/news/2021-09-insights-genome-epigenome-cancer.html

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。