肿瘤生长、迁移及其进化驱动力的群体基因组学解析

Cancer has been recognized as an evolutionary process driven by somatic mutations and natural selection. Recent large-scale genomic sequencing studies have revealed extensive genetic heterogeneity within a tumor which is believed to be driven by positive selection, thus retaining high frequency in the tumor. However, it lacks a set of empirical data with a precise estimation of low frequency mutations and a null model to test the force of selection. Our previous study in a hepatocellular carcinoma indicates that neutral process inevitably results in rapid and extreme genetic diversification of tumor cells. We are applying population genetic theories to model the mutation process during tumor growth with aims to measure genetic heterogeneity driven by neutral forces. In the meanwhile, multiple tumors in each of the HCC case will be undertaken extensively three-dimensional sampling of hundreds of local cell populations with ~2,000 cells per sample. The whole-genome sequencing and genotyping will be carried out for discovering somatic mutations. The observed diversity within and between tumors will be used to infer the phylogenetic tree of tumor clones and to test the evolutionary forces. Fixed and polymorphic variations will be verified in multiple non-tumor samples and in blood ctDNA to speculate the number of migrating tumor populations, trace the path of tumor migration and monitor tumor recurrence.

本项目针对肿瘤多样性形成和发展的历史过程中的进化驱动力，及其对肿瘤生长模式和转移的影响，拟以肝移植受者移植前原发性多结节性肝癌、完整的非肿瘤肝脏组织及其血液循环肿瘤DNA临床肿瘤样本为研究对象，采取三维多点微取样方式和基因组分析，基于群体遗传学理论和基因组学技术分析不同肿瘤之间及肿瘤内的细胞群体遗传多样性、群体结构和细胞支系演化关系。结合得到的基因组多样性数据，发展细胞群体生长模型，建立肿瘤内部生长模式。利用观察数据对中性进化模型进行检验，推断肿瘤内遗传多样性的进化驱动力量。根据肿瘤细胞群体遗传多样性，验证在多点密集取样的非肿瘤部分肝脏组织中不同肿瘤克隆的有无及其比例，动态追踪病人术前及术后不同时期血液循环DNA中肿瘤DNA的比例，推测肿瘤迁移、转移路径及扩散历史。

在这一项目中，我们深入地解析了肿瘤多样性形成和发展历史过程中的进化驱动力。我们将肿瘤区分为两个不同阶段研究自然选择的作用：发现从正常细胞向肿瘤细胞演化的过程中正选择和负选择都是存在的，只是它们相互抵消了；而肿瘤内的异质性主要是中性进化导致的，自然选择的作用很小。基于体外细胞系的研究，一方面验证了肿瘤细胞生长过程中会累积大量对肿瘤群体有害的突变，使群体的适应度下降；另一方面肿瘤细胞会通过改变性染色体与常染色体比例，以确保群体更加高效地增殖。我们建立了肿瘤生长模型，发现细胞更替（turnover）的模型似乎更符合肿瘤细胞的实际生长方式。为了更全面精确地解析肿瘤间/内异质性的进化驱动力和肿瘤的生长模式，我们对同一个病人的多发肝癌样品采取三维多点微取样和全基因组测序。解析了不同肿瘤之间及肿瘤内的细胞群体遗传多样性，构建了肿瘤内的3D克隆结构和支系演化关系，并发现肿瘤不同位置的细胞可能具有不同的更替（turnover）速率，这与理论模型的推断一致。利用多组学测序的手段，我们不仅鉴定到了肿瘤发生过程中重要的表观调控的机制；而且还解析了同一病人原发复发肿瘤间/内的异质性，发现了拷贝数变异，甲基化修饰更容易导致肿瘤细胞群体表型多样性的产生。此外，为了辅助理论研究，我们还进行了一系列方法学上的探索。我们开发的建库测序方法大大降低了测序错误率，有利于肿瘤研究中体细胞突变的全面细致的检测。我们建立的统计模型能够高精度地鉴定出细胞子群特异的DNA甲基化，更好地帮助理解肿瘤内细胞群体的甲基化异质性。