Nat Genetics | 胡政等揭示多种转移性肿瘤的克隆起源和扩散时间

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转移是导致大部分（大约90%）癌症病人治疗失败和死亡的原因。近年来利用高通量肿瘤基因组测序数据，计算生物学家可以重构肿瘤的突变积累和克隆演化过程【1-3】。然而，相比于原发性肿瘤，人们对于转移性肿瘤的基因组突变和克隆演化过程的了解还很缺乏，限制了临床上对于转移的早期预防和治疗。

2020年5月18日，来自美国斯坦福大学医学院的Christina Curtis团队（胡政博士为本文第一作者；共同作者包括Zan Li和Zhicheng Ma；通讯作者为Christina Curtis教授）在Nature Genetics上在线发表题为“Multi-cancer analysis of clonality and the timing of systemic spread in paired primary tumors and metastases”的长文，报道了对136例转移性结直肠癌、肺癌和乳腺癌基因组测序数据（原发/转移配对样品，共457个肿瘤样品）的分析结果，利用创新的计算方法，揭示了转移的克隆起源、扩散时间及治疗对转移发生过程的影响。

首先，研究者通过分析病人原发灶/转移灶配对的外显子组测序数据（图1），发现大部分（结直肠癌-84%；肺癌-86%；乳腺癌-59%）的肿瘤驱动突变（driver mutation）在原发/转移中都存在，转移一般不携带特异性的驱动突变（图2），说明驱动突变主要发生在肿瘤演化的早期。同时这些数据也表明，转移主要起源于原发灶中的主导克隆（major clone），而不是起源于稀有克隆（minor clone）（图3）。特别地，相比于未经药物治疗的转移灶，经过治疗（大部分为化疗）后复发的转移灶则经常携带特异性驱动突变，说明药物治疗施加了很强的克隆选择压力，即选择了起源于原发灶中的一个稀有抗药性克隆（图3），从而揭示了药物治疗对转移细胞起源的影响；同时，该结果也显示转移的特异性基因突变可能与转移发生无关，而与药物的选择作用和抗药性有关。

图1. 136例转移性结直肠癌、肺癌和乳腺癌的原发/转移配对样品和外显子组测序。

图2. 未经药物治疗的转移一般不携带特异性的驱动突变；然而，经过药物治疗后复发的转移普遍携带特异性的驱动突变。

图3. 转移一般起源于原发灶中的一个主导克隆（上图）；而药物治疗具有很强的选择作用，选择起源于原发灶中的稀有抗药性克隆（下图），导致转移复发。

然后，研究者通过比较原发/转移灶中携带突变的肿瘤细胞比例（cancer cell fraction或CCF），结合团队开发的虚拟肿瘤计算技术【3,4】，鉴定了转移的克隆起源，即单克隆起源（monoclonal seeding）或多克隆起源（polyclonal seeding）（图4）。单克隆起源指转移由原发灶中的单个细胞发起（“单兵作战”），而多克隆起源指转移由多个细胞发起（“集团作战”）【6】。尽管有实验证据（比如小鼠模型或病人循序肿瘤细胞，circulating tumor cells或CTCs）支持转移的多克隆起源，但其在病人中的普遍性还不清楚。在本文中，研究者发现多克隆起源在未经药物治疗的淋巴结转移（17/29例，59%）和未经治疗的远端转移（20/70例, 29%）中相对较为普遍，而在经过药物治疗的远端转移中的比例则大大降低（9/94例，10%）（图5）。该结果一方面表明多克隆起源在一些器官（比如淋巴结）中确实较为普遍，在不同器官中的差异性说明不同器官对转移细胞的定植选择存在差异；另一方面再次揭示药物治疗对转移的克隆演化的显著影响。

图4. 转移的单克隆起源或多克隆起源。

图5. 多克隆起源常发生于淋巴结转移（大部分未经药物治疗），其次是未经药物治疗的远端转移，在经过药物治疗的远端转移中比较少见。

最后，研究者开发创新的计算方法，估计了转移的扩散时间。该团队之前的论文 (Nature Genetics 2019 【5】; 胡政博士同样为第一作者) 开发了一个利用肿瘤多区域测序数据（multi-region sequencing）估计转移发生时原发灶大小的计算方法（名为SCIMET），应用于结直肠癌基因组数据，发现转移普遍发生在临床被诊断以前（原发灶小于1 cm3），该结果为肿瘤早期转移理论提供了定量化证据【5】。在本文中，胡政博士提出了一种新的计算转移时间的方法，只需要利用单个原发/转移配对样品的测序数据，因此大大扩展了该计算方法的适用性。结果显示，以原发灶被诊断的时间为基准，结直肠癌转移发生于4.1 (IQR=3.2–4.6) 年以前，肺癌转移发生于3.5 (IQR=2.8–3.7) 年以前，而乳腺癌发生于2.7 (IQR=1.1–3.5) 年以前（图6），从而进一步揭示早期转移在不同肿瘤中的普遍性。

图6. 定量估计转移的发生时间（ts，以原发灶被诊断的时间为基准的多少年以前）。

总之，该论文通过使用创新的计算方法，系统地分析了多种转移性肿瘤的原发/转移配对基因组数据，获得以下结论：

1）转移一般不需要获得特异的驱动突变，常起源于原发灶中的一个主导克隆（major clone）；而手术后辅助治疗具有很强的选择作用，选择起源于原发灶中的稀有抗药性克隆（minor clone），导致转移复发；

2）多克隆起源在未经药物治疗的淋巴结转移中比较普遍，未治疗的远端转移次之，在经过治疗后的远端转移中比较少见（多为单克隆起源），揭示了不同器官部位和治疗对转移细胞的选择性；

3）定量化证据表明转移常发生在原发灶被诊断的2-4年以前，因此早期转移可能具有普遍性，可以为转移性肿瘤的早期筛查提供了理论依据。

论文第一作者胡政博士将于2020年夏天入职中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所，担任研究员/课题组长，组建定量肿瘤演化实验室，开展肿瘤转移和抗药性的基因组演化研究。现有多个博士后和科研助理虚位以待，欢迎具有肿瘤生物学、基因组学、遗传学和生物信息学背景的人员加入团队（感兴趣的可将CV发送至zheng.hu@siat.ac.cn）

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41588-020-0628-z

制版人：琪酱

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1.Yates, L.R. & Campbell, P.J. Evolution of the cancer genome. Nat Rev Genet 13, 795-806 (2012).

2.Gerstung, M. et al. The evolutionary history of 2,658 cancers. Nature 578, 122-128 (2020).

3.Hu, Z, et al. A population genetics perspective on the determinants of intra-tumor heterogeneity. BBA Reviews on Cancer 1867, 109-126 (2017).

4.Sun, R#, Hu, Z#, et al. Between-region genetic divergence reflects the mode and tempo of tumor evolution. Nat Genet 49, 1015–1024 (2017).

5.Hu, Z. et al. Quantitative evidence for early metastatic seeding in colorectal cancer. Nat Genet 51, 1113-1122 (2019).

6.Cheung K.J. & Ewald A.J. A collective route to metastasis: Seeding by tumor cell clusters. Science 352, 167-169 (2016).

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