癌症的克隆进化

△ 克隆进化模式图

进化论是最重要的科学概念之一，为解释生物系统中的变化构建了一个框架。尽管我们知道肿瘤的发生遵循着体细胞的达尔文进化论，然而，我们对癌症的研究和治疗却在很大程度上忽略了进化法则。Peter Nowell于1976年提出的连续克隆进化模型准确反映了遗传变异和选择是如何驱使逐渐变得越来越恶性的肿瘤细胞群扩增的。然而，这一模型在很大程度上忽略了肿瘤内没有遗传变异的克隆、微小克隆以及克隆间在功能上的相互作用。最近提出了另一种模型——肿瘤干细胞。该模型的提出是基于这样的假设，即肿瘤保持着正常组织的分化等级，因此，只有具有干细胞或祖细胞特性的细胞才能促使肿瘤进化。这一模型的主要缺陷在于，它忽略了肿瘤内部的遗传异质性，而且，由于肿瘤没有生物学功能，因此也没有维持细胞分化表型的选择优势。事实上，遗传和表观遗传异质性，包括分化状态相关的表观遗传异质性，都是瘤内异质性的形式之一；这些异质性和肿瘤进化的选择，一起驱动了肿瘤的发生和发展。

人类肿瘤进化的实验模型一直依赖于来源于患者的异种移植瘤（patient-derived xenografts，PDXs）：将肿瘤细胞注射给免疫功能低下的小鼠，随后进行一系列的移植与分析。这些实验中所用的一部分人类癌细胞是从它们原本所在的环境中分离出来的，因而无法进行克隆动力学的分析。即使移植成块的肿瘤组织或分离得到的癌细胞的混合物，其所形成的肿瘤也不能完全再现患者样本中的异质性，这是由于免疫功能低下的小鼠带来的进化瓶颈所造成的。Eirew等人最近的一项研究，通过在单细胞水平分析异种移植瘤的遗传组成，为解释异种移植瘤生长过程中瘤内克隆异质性的变化提供了新的线索。

基因组测序技术的进步使得深入分析样品中的等位基因分数、从而来推断出某一细胞亚群的频率成为可能。已经有很多研究用全基因组测序探讨了乳腺癌PDX模型的基因组保真度。病人肿瘤与对应的异种移植瘤之间的单核苷酸变异频率的改变被认为主要是由于其中所掺杂的正常细胞（例如纤维母细胞和白细胞）的比例不同而造成的，而且发现，一些在异种移植瘤中较为丰富的克隆只代表了病人原始肿瘤细胞中的一小部分。

为了更好地了解PDX模型对患者肿瘤克隆组成的反映程度，以及在连续的异种移植过程中克隆动力学的改变情况，Eirew等分析了15个原发性乳腺肿瘤及配对的源自它们的异种移植瘤（连续移植16代）的克隆能力。根据全基因组鸟枪测序数据，研究人员在单核苷酸变异的基础上分析了各细胞亚群的基因型。比较亲代肿瘤和异种移植瘤之间的突变簇，可以得出关于原始植入瘤和异种移植瘤进化方面的结论。在某些情况下，移植瘤本身就有“选择权”，因为在异种移植瘤中占优势的克隆只是原始肿瘤中的一个小亚群。有一部分异种移植瘤是多克隆的，但克隆构成与原始肿瘤不同。有趣的是，比较原始和传代异种移植瘤发现，如果最初的移植瘤克隆组成变化越多，那么它们以后的传代中出现的异质性则越少，导致少数克隆得以占据统治地位。相反，那些最初克隆频率变化较少的肿瘤，在后续传代中出现的改变则较多。在多克隆和寡克隆肿瘤中均观察到了这一现象，这表明从本质上来说克隆组成的改变程度并不等于克隆异质性。Eirew等也对肿瘤进行了单细胞测序，这能够更详细地阐释克隆，而他们所得出的结果也与异种移植瘤测序所得到的大量数据相一致。

此外，Kreso等利用随机慢病毒整合位点来监测结直肠癌异种移植瘤的克隆增殖，在PDX模型中观察到了克隆动力学的差异以及各克隆随着时间的持续存活情况。与Eirew等的研究不同，在这一模型中，异种移植瘤表现出了强烈的克隆选择性，但在连续移植过程中基因多样性得以保持。然而，以慢病毒整合位点为基础分析细胞的克隆特性时，观察到了明显的差异，提示非遗传的随机变异在促成和维持瘤内克隆异质性方面起着关键作用。很难评价这两项研究结果不一致的潜在原因，因为这种不同可能是克隆能力的定义不同而造成的，另外一种可能，它们或许反映了乳腺癌和结直肠癌在生物学上的不同。这一点尤其令人感兴趣，因为结肠癌遵循着一套极为线性的肿瘤进化路径，基因改变逐步显现，其起始事件是APC缺失。而乳腺癌则表现出更大程度的瘤内异质性，我们已经知道的包括驱动基因HER2的扩增以及PIK3CA的突变。

Eirew的研究中，最令人感兴趣的发现是克隆异质性出人意料地不可再现和异种移植瘤的克隆动力学。将来自同一病人的肿瘤同时移植到不同小鼠的体内，结果发现，异种移植瘤的克隆动力学非常相似；无论患者原始的肿瘤样本是多克隆的还是寡克隆的，都是如此。这些结果提示，克隆动力学并不是随机的，很大程度上是由克隆的基因组成决定的，这反映了各表型的功能差异。PDX克隆进化实验的结果在多种不同的免疫缺陷小鼠系中得到了重复，凸显了癌细胞基因型在这一过程中的重要作用。PDX模型已被证明可用来预测病人对治疗的反应。然而，PDX模型中的克隆动力学是否能够反映病人原始癌症的克隆进化情况仍是一个待解决的问题。要想回答这个问题，就要对病人原始肿瘤及其连续传代物进行细致的分析，同时对病人残留的肿瘤和新出现的转移病灶进行连续活检并评估。尽管PDX和 病人肿瘤的进化过程可能存在很大差异，但问题是，这些差异对临床前治疗研究预测价值的影响有多大，以及如何通过改变异种移植瘤的构建方法来改善这一结果。要想找到更有效的癌症治疗方法，需要充分理解癌细胞的遗传学、表观遗传学以及表型的异质性。然而，由于异种移植瘤的微环境与患者体内原始肿瘤的微环境有着很大不同，而且在最初的移植瘤中只选择了一部分癌细胞进行移植，因此改进PDX的构建和传代方法还有很大空间。

参考文献：Cell Stem Cell