肿瘤细胞染色体粉碎模型中的瘤内异质性与基因组进化

Chromothripsis is a recently revealed new mechanism in tumorigenesis. It is completely different from the classic tumorigenesis theory, in which tumor is caused by the step-by-step accumulation of gene mutations. However, in chromothripsis model, one or several chromosomes are pulverized and generates a lot of small pieces. Then, these pieces are randomly pieced back together. This process will generate large numbers of chromosome rearrangements and is considered to be a fast evolution process of cancer genome. At the moment, the molecular mechanism of this phenomenon and the genome evolution process after pulverization is not clear yet. This project is supposed to use multi-region sequencing to analysis the process of chromothripsis. SNP arrays will be used to screen chromothripsis samples. Then, whole exome sequencing was employed to obtain gene mutations of each tumor region, which was spatially separated in a single tumor. The mutation patterns of each region will be compared to reveal the intratumor heterogeneity. The frequency of mutations is used to deduce the occurrence time of each mutation. The phylogenetic tree of cancer genome will be generated based on these results. The key mutations that trigger chromothripsis event will also be identified. This project will use spatial and temporal information to analyze the genome evolution process in chromothripsis. It will elucidate this new mechanism of tumorigenesis and improve the existing theory.

“染色体粉碎”是近年来发现的肿瘤发生的新机制，与传统的癌症发生论完全不同。传统理论认为肿瘤发生是由基因突变的逐步积累所致，然而在染色体粉碎事件中，细胞的染色体破碎为许多碎片，之后又被随机地重新组装起来，在短时间内造成大量的染色体重排，使正常细胞迅速转化为癌细胞。目前该现象的分子机制和粉碎发生后细胞基因组的进化过程仍不清楚。本项目拟采用“多区域测序”的方法解析染色体粉碎发生发展的过程。利用基因组芯片筛选具有染色体粉碎特征的肿瘤样本，对这些样本进行多区域全外显子组测序，获取单个肿瘤在空间上隔离的多个区域的基因突变谱。对比各区域突变谱的差异，分析肿瘤的瘤内异质性。根据突变在区域中出现的频率推断突变出现的时间顺序，并构建肿瘤基因组进化树，鉴别触发该事件的关键基因突变。本项目的实施将从时间和空间两个层面解析染色体粉碎模型中细胞基因组的进化途径，进一步阐明这一肿瘤发生的新机制，完善现有的癌症发生论。

传统的癌症发生理论认为细胞的癌变是一个多阶段且相对缓慢的过程。然而近年来在肿瘤细胞中发现的“染色体粉碎”现象显示，细胞基因组可以通过粉碎和重组在短时间内积累起大量的变异，从而导致正常细胞快速转变为癌细胞，这被认为是肿瘤发生的新机制。然而，该现象的分子机制和粉碎发生后细胞基因组的进化过程仍不清楚。在本课题中，我们通过肿瘤样本多位点测序的方法研究染色体粉碎现象的瘤内异质性。我们首先收集了所有已经发表的肿瘤异质性相关文献，提取了异质性数据并进行归一化，建立了CancerTracer数据库，对其中大部分样本构建了系统发育树，用于建立和跟踪单个肿瘤在发生发展过程中的进化轨迹。其次，我们收集了乳腺癌临床样本，利用之前开发的染色体粉碎检测算法和工具筛选具有染色体粉碎现象的样本，并对这些样本进行了多位点取样和外显子捕获测序。为了提高外显子的捕获效率，我们升级了PCR引物设计和质量检测工具 - MFEprimer-3.0，使该工具的稳定性和运行速度都得到了极大的提升，从之前的特异性评估工具升级为全面的引物质量评估工具。根据多位点外显子测序数据，我们鉴定了突变基因在肿瘤中的空间分布情况，并对每个染色体粉碎样本构建了系统发育树，识别出粉碎事件初期的基因突变和信号通路。我们推断染色体粉碎的产生可能是由于多点损伤造成基因组不稳定，并最终导致DNA破碎。另外，我们对宫颈癌和头颈鳞癌分别进行了大数据分析，揭示了染色体粉碎现象在不同肿瘤类型中的热点区域和异质性程度。在本课题的支持下，课题组在Nucleic Acids Research和Molecular Genetics and Genomics等杂志发表了相关SCI论文3篇。