细胞群体的适应性进化规律和进化关键基因的识别

肿瘤的产生涉及到体细胞基因组许多突变的积累和突变基因的相互作用，基因组研究手段已成为肿瘤研究的核心技术。近年来肿瘤基因组研究显示，癌症发生具有很强的个体特异性，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。本项目旨在用进化遗传学的理论和基因组学的技术，在每一个病例里寻找驱动肿瘤生长的重要突变。进一步对体细胞突变特点和进化过程有全面的了解，分析体细胞群体进化关键基因的相互作用，由此揭示肿瘤细胞的发生和增殖进程的动态过程。将癌症治疗置放在全基因组遗传理论的基石上。

生物进化也可以是细胞水平的现象，疾病的产生、衰老等体内环境的变化，都涉及到体细胞突变的积累和适应。类似于种群演化研究，机体内部细胞群体的演化就是以进化的观念来追踪体细胞突变的积累和细胞增殖的动态过程，探索疾病的产生、衰老、器官衰竭、甚至肿瘤的生成的机制。在肿瘤发生过程中细胞表型演化受到突变、漂变、迁移、自然选择的驱动；群体内部多样性和分化的群体之间在适应性改变程度和进化驱动力方面有所不同。我们首先通过深度采样，利用基因组测序或基因型检测数据，以中性模型为基础，建立肿瘤细胞群体遗传学模型并作理论模拟，全面解析单个肝癌肿瘤细胞群体内部的突变频率和遗传多样性的进化特点。结果显示出极端的多样性，群体杂合度数值达到约0.9；数据推断整个肿瘤在编码区的突变的总数至少是107，多于整个外显子组的碱基数。高度的遗传多样性、突变克隆的生长和空间与突变－漂变中性模型相吻合，没有发现选择驱动内肿瘤多样性的证据，群体内部的亚克隆之间没有适应性差异。在12例同一器官多发肿瘤的另一相关研究，将肿瘤多样性和进化的分析扩展到群体之间，目的是认识包括基因突变、迁移和自然选择等进化力量，是如何在肿瘤之内和肿瘤之间的影响遗传多样性的。通过理论推断和测序，发现在多发肿瘤病例中不可检测到的小肿瘤数目可多达几百甚至几千个，说明总的遗传多样性和迁移率大于实际所见。与不同地域群体之间的分化相似，在同一个体不同位置的肿瘤细胞群体之间存在适应性多样化；由于迁移，大量散布的小的细胞群体及其遗传多样性特征为治疗方案提出巨大挑战。基因组DNA甲基化在机体内细胞水平上可以随着DNA的复制而遗传，由于在机体发育、疾病发生等方面起重要调控作用，并且在没有改变基因序列的条件下导致基因结构和功能异常，因此表观变异是细胞表型变化的重要基础，维持DNA甲基化图谱的准确遗传对于生物体正常发育和疾病的发生发展至关重要。我们胚胎干细胞早期分化为研究体系，发现为了维持胚胎干细胞正常自我更新和分化过程，DNA甲基化遗传的准确度必然要受到严格的调控，而组蛋白修饰和转录因子参与了这一过程；DNA甲基化的总体保真性和基因组不同区域的保真程度随分化的不同时期而改变，这种时空变化与细胞功能改变相关；实现了在混合细胞群体中对细胞亚型特异的的甲基化基因的检测，从而为下一步更好的理解在干细胞分化重编程、细胞恶性转化过程中的DNA甲基化的动态变化提供方法学的支撑。