肺癌组织内不同肿瘤细胞群体的遗传变异与演化规律

Cancer is the most challenging disease in the 21st century. It is the key step to prevention, control and cure cancer with the development of understanding of cancer. With the advance of genomics, it is a good chance to study the microevolution of tumor cell population during the development of the tumor cells. Cancer is a kind of personalized disease, and cancer genomics studies in recent years have shown that the strategy of looking for common mutation is facing a great challenge. Exploring tumor mechanisms need new research strategies. Because of the heterogeneity of tumor microenvironment, tumor cell populations in different locations of a tumor tissue face different selection pressures, and it make different regions of the tumor cell populations adaptive to local microenvironment. We plan to do micro-sampling of lung cancer tumor tissues, around 30~50 tumor cell populations, then deep sequencing. Combined with genetic drift theory and the evolutionary dynamics analysis on cellular selection, we could define different tumor cell populations with different genetic composition and examine the fitness differences between those tumor cell populations and identify the important mutations driving tumor cell growth in each tumor case. By tracing the tumor cell lineages, we would have a comprehensive understanding of the tumor cell evolutionary process, and reveal the dynamic process of the proliferation of tumor cells.

癌症是21 世纪人类面临的最大挑战之一。了解癌症的发生发展规律是预防、控制和治疗癌症的关键。随着基因组学的推进，从微观层次上了解肿瘤细胞群体的发生发展规律成为了可能。癌症发生具有很强的个体特异性，近年来肿瘤基因组研究显示，寻找共有突变的研究策略受到极大挑战。探索肿瘤发生机制需要新的研究策略。由于肿瘤组织内部微环境的异质性，使得肿瘤组织不同部位的选择压力不尽相同，并驱导不同区域的肿瘤细胞群的适应性演化。本项目旨在通过对多例肺癌肿瘤组织进行微取样，即对同一个肿瘤组织30~50个不同部位的肿瘤细胞群体进行取样、深度测序，并结合遗传漂变理论和选择的进化动力学分析来界定不同遗传组成的细胞克隆群体，考察它们之间适应度的差异并鉴定导致适应度改变的关键基因。进一步对体细胞突变特点和进化过程有全面的了解，揭示肿瘤细胞的发生和增殖进程的动态过程。

肿瘤的发生发展是一个进化过程，该过程受突变、遗传漂变、自然选择及肿瘤迁移转移历史的共同作用。在本研究中，我们对12例多结节肝癌进行了全外显子组测序及基因分型验证，研究这些病例中肿瘤的遗传多样性、演化历史及其进化驱动力。（1）根据同一病人不同肿瘤间是否存在共同的突变，我们将肝内多结节肿瘤的起源分为多克隆起源和单克隆起源。在我们研究的12例病例中，其中有2例为独立起源，其余10例均为单克隆起源。（2）根据同一起源的肿瘤间突变差异情况，我们发现肿瘤早期转移是非常普遍的现象，我们提出肿瘤早期转移模型，该模型认为肿瘤转移发生在先，肿瘤多样性分化产生在后。（3）我们尝试在非肿瘤的癌旁对照组织中验证肿瘤特异的突变是否存在，结果表明离肿瘤越近的癌旁组织，越容易检测到肿瘤特异的突变。我们的研究结果还表明肿瘤转移不仅发生在早期，该过程还是一个持续的过程。（4）利用10例单一起源的病例，我们详细研究了影响肿瘤内及肿瘤间的遗传多样性差异的进化驱动力。在23对肿瘤间样品的比较中，我们发现子克隆往往较祖先克隆具有更强的生长优势，而肿瘤内的遗传多样性则符合中性演化模型。我们还发现适应性克隆支系的检测与肿瘤取样的数目之间呈现正相关，也就是肿瘤取样数目越多，越容易检测到适应性进化的克隆。此外，我们还通过理论计算，发现肿瘤在中性演化模型下，如果肿瘤的生长速率一定，迁移速率越高，能被检测的肿瘤数目越多。除了可以被检测到的肿瘤外，还存在大量不能被检测的肿瘤，暗示肿瘤中存在更高的遗传多样性，其中很多一部分可能以低频突变的形式存在病人体内。由于肿瘤的巨大遗传多样性，耐药性及更强适应能力的克隆一定存在，提示治疗和控制肿瘤需要新的思路。