Cell：利用癌症谱系追踪揭示肿瘤进化的谱系动态变化、可塑性和路径

随着时间的推移，癌细胞通过进化对治疗有抵抗力，从而变得更具侵袭性和转移性--能够扩散到身体的其他部位并形成新的肿瘤。癌症进化出的这些特征越多，它的致命性就越大。科学家们希望了解癌症如何进化出这些特征，以预防和治疗致命的癌症，但是当癌症在患者身上被发现时，它通常已经存在了几年甚至几十年。关键的进化时刻已经到来，却没有被观察到。

在一项新的研究中，怀特黑德研究所成员Jonathan Weissman及其合作者们开发出一种方法来跟踪癌细胞的世代，使得人们能够跟踪它们的进化历史。

这种谱系追踪方法使用CRISPR技术，在每个癌细胞中嵌入一个可遗传和可进化的DNA条形码。每次细胞分裂时，它的条形码都会被稍微修改。当这些作者最终获得原始细胞的后代时，他们可以比较这些细胞的条形码来重建每个癌细胞的家族树，就像重建相关物种的进化树一样。随后，他们可以利用这些细胞的关系来重建癌细胞如何以及何时进化出重要特征。他们使用了类似的方法来跟踪导致起COVID-19的冠状病毒SARS-CoV-2的进化，以便追踪令人担忧的变体的起源。

相关研究结果于2022年5月5日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Lineage tracing reveals the phylodynamics, plasticity, and paths of tumor evolution”。

Weissman及其合作者们之前已使用他们的谱系追踪方法研究了转移性癌症如何在整个身体内扩散。在这项新的研究中，Weissman、麻省理工学院生物学教授Tyler Jacks以及加州大学伯克利分校计算机科学家Nir Yosef记录了他们迄今为止最全面的癌细胞历史。这项研究从致癌突变的首次激活开始追踪肺癌细胞。这一详细的肿瘤历史揭示了对肺癌如何进展和转移的新见解，展示了谱系追踪所能提供的丰富理解。

Weissman说，“这是一种以更高的分辨率观察癌症进化的新方法。在此之前，导致肿瘤成为威胁生命的关键事件是不透明的，因为它们消失在肿瘤的遥远过去，但这给了我们一个了解这段历史的窗口。”

为了从一开始就追踪癌症，这些作者开发了一种方法来同时触发细胞中的致癌突变并开始记录细胞的历史。他们对小鼠进行改造，使得它们的肺部细胞暴露于一种特制的病毒，这种暴露激活了Kras基因中的致癌突变，并使细胞中的抑癌基因Trp53失活，同时也激活了这种谱系追踪技术。Jacks验室开发的这种小鼠模型也是经过改造的，使得肺癌在它身上的发展与在人类身上的发展非常相似。

Jacks说，“在这种模型中，癌细胞由正常细胞发展而来，肿瘤进展在它的天然环境中经历了很长一段时间。这密切地重现了患者身上发生的情况。”事实上，这些作者的发现与肺癌患者身上的疾病进展数据非常一致。

这些作者在收获癌细胞之前让它们进化了几个月。然后，他们使用之前研究工作中开发的一种计算方法，从它们出现修改的DNA条形码中重建这些细胞的家族树。他们还使用RNA测序法测量细胞中的基因表达，以描述每个细胞的状态。有了这些信息，他们开始拼凑出这种类型的肺癌如何变得具有侵袭性和转移性。

Yosef说，“揭示肿瘤中细胞之间的关系是理解它们的基因表达谱和深入了解侵袭性状态出现的关键。”

肿瘤内的竞争

这些研究结果显示，同一肿瘤内的不同细胞亚群之间存在明显的多样性。在这种小鼠模型中，癌细胞主要是通过它们的基因表达的可遗传变化而不是通过基因突变来进化的。某些癌细胞亚群进化得更适合生长和生存，并且更具侵袭性，随着时间的推移，它们在肿瘤中占主导地位。这些作者发现，在最适合的癌细胞中普遍表达的基因在未来研究中可能成为良好的候选治疗靶标。他们还发现，转移只来源于这些占据主导地位的细胞亚群，而且只在它们的进化后期发生。这与针对其他一些癌症所提出的情况不同，在后者中，细胞可能在其进化的早期就获得了转移的能力。这一新见解可能对癌症治疗很重要：转移往往是癌症变得致命的时候，如果人们知道哪些类型的癌症以这种逐步的方式获得转移的能力，他们就可以设计干预措施来阻止疾病进展。

论文共同第一作者、Weissman实验室博士后研究员Dian Yang说，“为了开发更好的疗法，了解肿瘤产生所采取的基本原则非常重要。未来，我们希望能够在患者到来的时候看到癌细胞的状态，并能够预测该癌症将如何进化，风险是什么，以及阻止这种进化的最佳治疗方法是什么。”

这些作者还弄清了癌细胞亚群变得更适合生存和具有侵袭性的进化路径的重要细节。癌细胞通过不同的状态进行进化，这些状态由细胞在某个时间点所具有的关键特征来确定。在这种小鼠癌症模型中，他们发现，在早期，肿瘤中的细胞迅速多样化，在许多不同的状态之间切换。然而，一旦一个细胞亚群落到了一个特别适合生存和具有侵袭性的状态，它就会停留在这种状态，并在这种稳定的状态下在肿瘤中占据主导地位。此外，这些最终占主导地位的癌细胞似乎在不同的细胞状态中遵循两条不同的路径之一。这些路径中的任何一条都可能导致进一步的进展，使癌症进入侵袭性的与转移有关的“间质（mesenchymal）”细胞状态。

图片来自Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.04.015。

在这些作者彻底绘制了这些癌细胞的进化路径后，他们想知道如果细胞经历了额外的与癌症有关的突变，这些路径会受到怎样的影响，因此他们让另外两个肿瘤抑制基因中的一个失活。其中的一个肿瘤抑制基因影响了细胞稳定的状态，而另一个肿瘤抑制基因导致细胞遵循一个全新的进化路径来适合生存。

这些作者希望其他人能够利用他们的方法来研究有关癌症进化的各种问题，而且他们自己已提出了一些问题。一个目标是通过观察癌症对不同治疗的反应，来研究治疗抵抗性的进化。另一个目标是研究癌细胞的局部环境如何塑造它们的进化。

论文共同第一作者、Weissman实验室研究生和Yosef 实验室研究生Matthew Jones说，“这种方法的优势在于，它让我们能够精细地研究癌症的进化。每当一项技术或一种方法从整体分析转变为单细胞分析时，都会极大地拓宽我们可以获得的生物学见解的范围，我认为我们在这项研究中看到的就是这样的情况。”

参考资料：

1. Dian Yang et al. Lineage tracing reveals the phylodynamics, plasticity, and paths of tumor evolution. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.04.015.

2. Tracing a cancer's family tree to its roots reveals how tumors grow
https://medicalxpress.com/news/2022-05-cancer-family-tree-roots-reveals.html