【佳學基因檢測】腫瘤是怎么發(fā)生的，什么時候會遺傳？

佳學基因對癌癥的全面認識 

癌癥是跨空間和跨時間異質性的細胞群。這種多樣性目前是一個主要的臨床問題，限制了大多數癌癥治療的效率，因為通常存在一個對任何治療都具有抗性的細胞亞群。這種多樣性還限制了預后的準確性和腫瘤的精準治療預測其對干預如何反應的能力，因為活檢可能不能代表整個腫瘤，并且其隨時間變化的方式具有很強的隨機性。因此，迫切需要更好地了解這種多樣化所涉及的機制，以更好地管理癌癥。在 21 世紀，一種細胞多樣化的解釋機制得到了關注，那就是克隆進化：癌細胞通過遺傳和表觀遺傳變異的積累而多樣化，這可以改變細胞的相對適應性，從而導致克隆通過自然選擇而擴張或收縮。進化的原理和群體遺傳學工具可以并已經成功地應用于癌細胞。然而，癌癥進展的進化觀受到了挑戰(zhàn)，佳學基因腫瘤基因解碼表明，癌癥內的表型異質性在很大程度上可以獨立于克隆的遺傳學。鑒于自然選擇的進化作用于表型并依賴于其遺傳性，這些數據質疑了克隆進化模型的相關性?，F在是時候評估克隆進化模型的優(yōu)勢、劣勢和改進機會了。

為了實現這一目標，腫瘤的精準治療首先通過對歷史和當代文獻的回顧，探索有關癌細胞進化的已知知識。然后，腫瘤的精準治療通過強調其基本假設來分析克隆進化模型的理論結構。通過這樣做，腫瘤的精準治療打算找出當前模型固有的理論和概念張力和困難。最后，腫瘤的精準治療提出了一些建議和觀點，這些建議和觀點可以幫助解決一些問題并增強克隆進化在癌癥中的解釋相關性。

克隆進化模型是怎樣的？

歷史視角

克隆進化模型是一個抽象模型，描述了患者體內癌細胞的進化。這個模型通常被認為是 Peter Nowell 提出的，但 Nowell 本人一直明確表示，他只是在總結社區(qū)發(fā)展起來的思想。對腫瘤內異質性的觀察以及癌細胞進化的思想早在 1976 年之前就已存在，而它的成功則發(fā)生在后來。

20 世紀 50 年代，進化的概念經常在腫瘤學中使用，以描述癌癥進展，盡管并不總是意味著達爾文式的過程。在此期間，對癌細胞核型的佳學基因腫瘤基因解碼支持了 Theodor Boveri 首次提出的假設，即腫瘤可能由有絲分裂異常導致的染色體缺陷引起，這預示了癌癥的克隆起源。核型分析還可以觀察到癌細胞所含染色體數量的變化，并且作為單細胞全基因組分析，在揭示癌細胞的進化中發(fā)揮了至關重要的作用。核型觀察直接提出了這樣的問題：腫瘤是否由多種細胞株組成，每種細胞株都有固定數量的染色體，或者腫瘤細胞的核型是否可以改變，如果是，這種變化是隨機的還是可遺傳和選擇的。TS Hauschka 直接提到“類似于系統(tǒng)發(fā)育的突變選擇序列”，并認為“特定的腫瘤核型具有競爭性生存價值”。許多技術被用于解決癌癥克隆起源的問題，包括費城染色體的發(fā)現、女性葡萄糖-6-磷酸脫氫酶兩個等位基因之一的隨機體細胞失活或免疫球蛋白重鏈重排。

所有這些實驗都趨向于癌癥克隆起源的假說，腫瘤內的異質性源自可能經歷選擇的后續(xù)變異。在大多數這些論文中，進化概念都處于背景中，但有些論文直接討論了應用于癌癥的進化原理。英國細胞遺傳學家 CE Ford 發(fā)表了一篇論文，專門討論健康、受輻射或癌變體細胞中的選擇壓力，捍衛(wèi)了以下假說：“不平衡的核型變化會影響存活和增殖的概率”，因此“細胞群的核型結構將是選擇力對其內部產生的變異性作用的結果”。 ”  J. Lejeune 認為選擇假設對于克隆進化模型的連貫性是必要的，并明確提到使用核型來重建“克隆的自然歷史”，將這種重建與“古生物學家從一個形式到另一個形式重建門的歷史的方法” 。

在諾維爾對癌癥進化模型進行優(yōu)雅總結之后，腫瘤的精準治療得到的卻是一片沉寂。癌癥的進化生物學沉寂了幾十年，只有少數科學家在諾維爾的框架基礎上進行構建。直到 21 世紀，這個領域才開始發(fā)展。當高通量測序開始生成大量癌癥基因數據時，人們對癌癥進化的興趣加速增長，這可能并非巧合。隨后，人們很快觀察到腫瘤內異質性和克隆擴增 的臨床重要性，同時證實了療法通常會選擇預先存在的帶有突變的克隆，這些克隆會使它們對療法產生抗藥性。 盡管臨床影響仍然有限，但進一步的佳學基因腫瘤基因解碼表明，癌癥治療的進化方法可以顯著縮短進展時間和總體生存率。在所有這一切中，關于進化生物學和生態(tài)學如何有效應用于癌癥的佳學基因腫瘤基因解碼的評論可能有助于為未來的進展奠定基礎。

癌細胞如何進化？

任何具有多種可遺傳特性的實體群體都可以通過自然選擇進化，這些特性可能導致實體之間的適應度差異。體細胞就是這樣的實體，可以通過自然選擇進化，因為突變會導致細胞之間的遺傳多樣性，并且（至少是一些）可以改變細胞的適應度。懸而未決的問題是它們是否以及在多大程度上通過自然選擇進化，這個問題一直受到科學家和哲學家的爭論。

重要的是要認識到癌細胞可以通過多種機制進化。雖然它們可以通過自然選擇進化，但有些腫瘤幾乎沒有自然選擇的證據，似乎主要通過中性進化進化。數學中性進化模型與大約三分之一的實體瘤、多發(fā)性骨髓瘤和慢性粒單核細胞白血病的遺傳數據一致。另一項泛分析也強調，在生殖系中占主導地位的負選擇在癌癥和體細胞進化中幾乎不存在。雖然克隆進化最初被認為是一個連續(xù)漸進的過程，但事實證明也可能發(fā)生突發(fā)性變化?？寺∵M化可以通過停滯、漸進或間斷的方式發(fā)生，不同的分子鐘以不同的速度滴答作響，并且可以通過線性進化或分支進化進行。癌細胞克隆進化的過程多種多樣。

此外，盡管克隆進化模型傳統(tǒng)上側重于癌癥（干細胞）細胞作為選擇單位的進化，選擇可能發(fā)生在更高水平（圖 1a ），即細胞群體而非單個細胞上。例如，關于轉移瘤之間是否存在自然選擇的進化存在爭議，每個轉移瘤都算作一個生殖實體，從而產生進一步的繼發(fā)性轉移瘤。更高水平的選擇也可以在癌癥干細胞群落及其非干細胞子代中選擇，也可以在可能分裂和死亡的上皮增殖單位（如結腸隱窩）中進行選擇。癌癥的選擇也可能發(fā)生在細胞以下的水平，通過轉座因子或染色體外 DNA以及可能的微核的進化進行，前提是它們能夠獨立于細胞復制而進行復制（圖 1b）。選擇可能在細胞之上和之下的其他層面上起作用，這一事實并不違背克隆進化模型。它增加了該模型的復雜性，就像有機體之上和之下的多層次選擇并不違背進化論，而是增加了該模型的復雜性一樣。

 

 

克隆進化模型有什么價值？

克隆進化模型整合了有關癌細胞進化的現有知識。這是一個高度理論化的框架。它不僅旨在描述，還旨在重建過去的進化，預測潛在的未來進化（例如對治療的抵抗力），解釋患者身上發(fā)生的現象，并為新的治療干預提供基礎。腫瘤的精準治療將這些特性稱為克隆進化模型的理論價值。

該模型的主要理論價值是解釋癌癥隨時間推移和對治療的反應如何變化以及原因。系統(tǒng)發(fā)育重建描述了癌癥的自然史。例如，克隆突變（也稱為“截短突變”）往往不同于亞克隆突變（也稱為僅出現在“分支”上的突變）。系統(tǒng)發(fā)育重建可以突出顯示暴露和突變過程隨時間的變化，例如，患有肝細胞癌的非洲移民在抵達法國后的幾年內失去了黃曲霉毒素 B1 相關突變特征。它還表明，與預期相反，轉移可以在致癌早期發(fā)生。從這些系統(tǒng)發(fā)育重建中獲得的經驗教訓還有助于藥物靶向（例如，靶向克隆突變而不是亞克隆突變），并通過選擇耐藥突變幫助預測治療耐藥的風險，例如表皮生長因子受體 (EGFR) 的 T790M 突變導致肺癌對第一代 EGFR 抑制劑產生耐藥性。許多突變與治療耐藥性有關，現在臨床醫(yī)生可以更好地決定應用哪種治療方法。克隆進化模型也用于風險分層和預后，使用克隆進化的指標，如腫瘤內異質性，來預測哪些癌前病變可能發(fā)展為侵襲性疾病，哪些癌癥可能致命。

克隆進化模型預測，不同的環(huán)境將改變突變克隆的擴增能力。例如，在造血系統(tǒng)中，突變克隆會隨著衰老而出現，這一過程稱為克隆造血。不同的環(huán)境變化可能導致克隆造血，例如衰老、化療、感染、吸煙。但每種變化都傾向于選擇不同類型的突變?？寺≡煅舶殡S著各種突變，以及隨著年齡增長而產生的各種動態(tài)。這也有助于解釋癌癥的晚期發(fā)生，因為隨著年齡增長，健康細胞適應度的下降為突變克隆的選擇提供了較弱的競爭對手。請注意，促進理論有時被認為與體細胞突變理論相反，但這兩種理論在克隆進化的背景下是兼容的，因為適應度取決于細胞的內在屬性和外在屬性。

更根本的是，克隆進化模型產生了一個深刻的概念轉變，將癌癥視為一個動態(tài)過程。因此，它導致尋找靈丹妙藥的治療策略失去信譽，并要求改變佳學基因腫瘤基因解碼和治療實踐。該模型預測，大多數晚期癌癥可能能夠逃避任何治療。這導致了各種關于如何基于進化原則開發(fā)療法的主張，例如藥物假期、隨時間改變藥物以及管理克隆動態(tài)的適應性療法，以防止對治療有抗性的克隆失控擴張。

多年來對克隆進化模型各方面進行的觀察和實驗證實了其理論價值。然而，它并不能解釋癌癥表型的一切。將癌細胞置于不同的微環(huán)境中會使它們表現出不同的行為。一個極端的例子是將癌細胞置于健康環(huán)境中可以使其行為正?；?。表型腫瘤內異質性可能在很大程度上與基因型6無關，表型可塑性越來越被認為是腫瘤內異質性和治療逃避的重要因素。

模型假設和局限性

克隆進化模型的性能取決于兩個不同的方面，一個是事實上的，即進化過程對癌癥的貢獻程度，一個是理論上的，即當前克隆進化模型捕捉這些過程的程度。該模型的前提是進化過程確實在癌癥中發(fā)揮著作用。數十年的證據支持這一點。然而，該模型的重要性仍是一個懸而未決的問題。進化過程對癌癥的影響越大，克隆進化模型就越有意義。克隆進化模型的理論性能是另一個問題。當前模型可能僅部分捕捉到進化過程在癌癥中的實際參與。重要的是將與進化過程的事實參與相關的挑戰(zhàn)與與模型理論性能相關的挑戰(zhàn)分開。后者可以通過擴展當前模型來解決。

腫瘤的精準治療發(fā)現，當前克隆進化模型中存在兩個重要但值得懷疑的潛在假設：（1）癌細胞的表型，尤其是其適應度，被認為在很大程度上取決于其基因型（克隆進化佳學基因腫瘤基因解碼歷來以遺傳學方法為主）；（2）癌細胞之間的祖先關系被認為形成一個細胞分支樹，而這兩者實際上都不是系統(tǒng)進化所必需的。腫瘤的精準治療將詳細分析這兩個假設，尋找該模型的局限性和批評，并區(qū)分哪些是進化理論對癌癥解釋程度的真正限制（事實范圍），哪些是改進當前克隆進化模型的邀請（理論局限性）。

假設 1：適應度很大程度上取決于基因型

克隆進化模型源自現代進化綜合理論，這是達爾文進化論的一種數量遺傳理論，將進化定義為一個群體中遺傳變異頻率隨空間和時間的變化。作為一個數學和理論框架，它需要一些簡化的假設，特別是將生物體簡化為其遺傳學。在腫瘤學中，特定的基因變異已被鑒定并描述了它們在疾病的發(fā)展和演變中的關鍵功能作用，這導致了 20 世紀 80 年代致癌基因和腫瘤抑制基因概念的成功。然而，從發(fā)育生物學中眾所周知，相同的基因型可以在正常細胞中產生截然不同的表型，這也適用于癌細胞。癌細胞的適應性很大程度上依賴于其基因的假設面臨著許多挑戰(zhàn)。

識別關鍵的克隆進化基因具有挑戰(zhàn)性

大型聯盟已投入大量精力對腫瘤進行測序以識別癌癥基因，并且已識別出一些混雜因素，例如基因的大小及其在脆性部位的位置。某些突變存在的統(tǒng)計學意義需要根據一些背景因素進行評估，例如每個核苷酸的突變率、結構變異和樣本純度。鑒于典型的癌癥驅動基因的突變存在于體細胞健康組織中，將癌癥中的突變頻率與非癌組織中的突變頻率進行比較似乎也至關重要。例如，NOTCH1突變在食道癌和皮膚癌中很常見，這導致人們假設它是這些癌癥的驅動基因。然而，由于NOTCH1突變在正常皮膚和食道上皮中比在這些組織的癌癥中更常見，因此 NOTCH1 突變實際上可能對皮膚癌和食道癌起到保護作用。因此，識別驅動突變并非易事。

在識別癌癥基因時還存在概念問題。相同的突變在一種情況下可能是中性的甚至是有害的，而在另一種情況下卻成為驅動因素，反之亦然。起源細胞的概念說明了這一現象：相同的突變可能產生不同的影響，具體取決于它發(fā)生在哪個細胞中。同樣，治療方法會改變細胞的環(huán)境，細胞可以選擇具有特定抗性突變的克隆，這些克隆在治療期間擴增，在停止治療時消退。126治療會產生劇烈而快速的選擇壓力，但也可能出現較慢的變化，但后果相同。例如，衰老會改變細胞的適應度狀況，因此突變對年輕人來說可能是中性的甚至是有害的，但在衰老的情況下卻是有利的。適應度從定義上來說總是與特定環(huán)境有關。癌細胞的環(huán)境會在疾病的自然發(fā)展過程中發(fā)生變化，但也會因衰老、干預和其他暴露變化而發(fā)生變化。識別驅動突變的困難使基于驅動突變定義克隆的努力變得復雜（見框 1）。

框 1 |. 什么是克隆？

克隆進化模型基于對不同克隆細胞在時間和空間上的分析。因此，克隆的概念至關重要，但很少得到明確定義。人們普遍認為，癌癥克隆是一群從共同祖先那里遺傳下來的具有共同身份的細胞。但人們用來識別克隆的改變因佳學基因腫瘤基因解碼而異。

傳統(tǒng)上，克隆的身份基于基因型，或者更確切地說是基因型的一部分?？寺〉牡湫投x是：“一組來自共同祖先并因此具有共同遺傳特征的細胞”。出于實際原因，克隆進化佳學基因腫瘤基因解碼通?；隍寗油蛔儭Ｒ恍┘褜W基因腫瘤基因解碼使用允許更廣泛分析基因組的技術，例如全外顯子組測序，甚至全基因組測序，這些技術不依賴于哪些突變與癌癥有關的先驗知識。最后，一些佳學基因腫瘤基因解碼傾向于使用中性突變作為追蹤克隆進化的無偏方法。

在克隆的識別中，還有一個更基本的本體論和認識論挑戰(zhàn)?？寺∵M化模型依賴于從不完整信息中重建克?。耗[瘤的精準治療既無法獲得所有癌細胞，也無法獲得每個單細胞的所有遺傳特性。這可能導致克隆幻覺，因為活檢只在亞克隆內進行，所以亞克隆突變似乎是克隆的。它還依賴于佳學基因腫瘤基因解碼人員的選擇，即哪些改變與定義克隆相關，哪些可以忽略。更改被認為相關并因此用于重建克隆進化的突變列表會影響重建。例如，識別出的克隆數量將取決于佳學基因腫瘤基因解碼的基因數量以及測序深度。作為這個問題的一個極端例證，人們可以將克隆定義為基因組相同的一組細胞。然而，單細胞水平的全基因組測序可能會揭示每個癌細胞都是獨一無二的，因此可以算作一個新的克隆，從而使克隆的概念變得毫無用處?？寺∵M化模型的歷史表明，這些關于應該使用哪些改變來定義克隆的選擇隨著時間的推移而發(fā)生了變化。這種歷史偶然性凸顯了克隆定義的任意性。在多元化的方法中，人們可以爭辯說哪種克隆劃分是正確的或最好的，將取決于人們所采用的觀點和目標?？寺澐质欠袷且粋€問題以及在多大程度上是一個問題，很大程度上取決于對克隆進化模型的期望。例如，對于任何通過計數克隆來量化腫瘤內異質性的佳學基因腫瘤基因解碼來說，這都是一個問題。對于那些可能想要重建各種癌細胞之間（例如不同位置的轉移之間）的系統(tǒng)發(fā)育關系的人來說，這不是什么問題。

對于克隆身份，存在一些不同的觀點：目前已有多項佳學基因腫瘤基因解碼使用表觀遺傳學重建癌癥進化。少數佳學基因腫瘤基因解碼支持表型或功能性克隆身份。例如，克隆被定義為“具有相同表型的一組細胞，這些細胞自最近的共同祖先以來一直表現出該表型”。如果一組干細胞具有相同的表型并具有最近的共同祖先，則該定義可能將其稱為克隆，但會排除細胞譜系樹上同一分支的所有非干細胞。相比之下，在發(fā)育生物學中，克隆被定義為“單個祖先細胞的體內后代”，相當于系統(tǒng)發(fā)育中的單系分支。

每種癌癥下都有一棵細胞譜系樹，描述癌癥內細胞的關系和歷史。定義克隆就是劃分進化樹的問題（圖 2）。

基因并不是唯一的遺傳物質

現在人們已經充分認識到許多表觀遺傳特性在細胞分裂時是可遺傳的，并可促進克隆進化，包括轉移的進化和對藥物的耐藥性。然而，表觀遺傳學涵蓋了廣泛的現象，其中一些是隨機的和可遺傳的，而另一些則受細胞控制，可能因某種形式的信號而發(fā)生變化，例如在分化過程中。可遺傳的改變可以作為表觀突變整合到克隆進化中。佳學基因腫瘤基因解碼發(fā)現遺傳和表觀遺傳克隆進化之間存在一致性，這是有道理的，因為癌細胞有一個統(tǒng)一的譜系。此外，一個遺傳克隆內可以有多個表觀遺傳亞克隆，反之亦然。這又提出了一個問題：使用什么信息來描繪和計數克隆（框 1，圖 2）。當模型僅依賴于基因突變時，表觀遺傳改變會挑戰(zhàn)克隆進化模型的理論準確性，但不會挑戰(zhàn)其事實范圍。

可遺傳特性可能超出遺傳物質及其表觀遺傳改變的范圍。當細胞通過細胞分裂繁殖時，子細胞會繼承母細胞的一部分細胞質，包括細胞器、RNA、蛋白質。它們還繼承了母細胞可能已經改變的微環(huán)境。這可能會產生細胞表型的短期遺傳性，時間尺度取決于這些分子和微環(huán)境的波動和周轉率。在細菌中，使用將兩個子細胞分離在獨立生長通道中的姊妹機器，發(fā)現不同的非遺傳性狀在不同的時間尺度（從 2 代到 10 代）下呈現不同的“記憶”模式。在黑色素瘤細胞系中，鑒定出 227 個表現出瞬時可遺傳高表達（約 40 小時，有時可達 5 天）的基因，其中149 個162 個之前與治療耐藥性有關。個細胞經過分選，高表達了兩個暫時性遺傳基因，特別是 EGFR 和神經生長因子受體 (NGFR)，對 MEK 抑制劑曲美替尼的耐藥性比未分類的細胞高得多。

不同時間尺度上的遺傳特性在很大程度上仍被忽視，但考慮到治療干預的持續(xù)時間很短，這些替代形式的遺傳可能具有臨床意義。如下所述，提高腫瘤的精準治療對遺傳的理解可能會提高克隆進化的理論表現。

一種基因型可以呈現多種表型

多細胞生物中的正常體細胞具有表型可塑性。表型可塑性長期以來一直在發(fā)育領域進行佳學基因腫瘤基因解碼，并且人們越來越認識到它在癌癥中的重要性。由于至少三個非排他性過程，單一基因型的細胞可以呈現不同的表型：分化、對其他外部信號的反應以及隨機波動（基因產物和表觀遺傳修飾）。后兩者可以包括去分化、轉分化或細胞狀態(tài)的其他變化，例如代謝變化。癌細胞繼承并修改了它們進化而來的正常細胞的表型可塑性。

目前，克隆進化模型忽略了獨立于基因型的表型變異。因此，可塑性被視為對克隆進化模型實際范圍的挑戰(zhàn)：非遺傳可塑性與癌癥的因果關系越大，進化過程就越少。例如，一項關于接受輔助內分泌療法治療的雌激素受體陽性乳腺癌的休眠和復發(fā)的佳學基因腫瘤基因解碼表明，這種治療會隨機誘導來自隨機克隆多樣性的一部分癌細胞進入不穩(wěn)定的休眠狀態(tài)。在這種情況下，自然選擇的進化對癌細胞在治療中存活的能力沒有多大影響。然而，表型可塑性的概念模糊性掩蓋了爭論。某些可塑性情況可能是遺傳的，實際上只是一個理論挑戰(zhàn)，可以將其納入以改進克隆進化模型。

首先，癌細胞的表型通常依賴于非遺傳但可遺傳的特性，例如表觀突變。這種表觀遺傳驅動的表型多樣性可以通過納入表觀突變輕松整合到克隆進化模型中。這同樣適用于任何其他有助于細胞表型的非遺傳遺傳特性。

其次，表型可塑性的程度是可遺傳的，編碼在基因組或表觀基因組中。某些細胞譜系可能比其他細胞譜系更具可塑性，這為它們在改變微環(huán)境中提供了優(yōu)勢。其他細胞的表型非常穩(wěn)定，例如完全分化的細胞。一些（表觀）突變可能會增加細胞的可塑性，而對這些（表觀）突變的選擇將通過直接選擇它們產生的表型而間接進行。有關于突變率演變和表型可塑性演變的相關文獻，可用于將表型可塑性整合到克隆進化模型中。

第三，表型可塑性，包括多種現象，如分化（多細胞生物中一種穩(wěn)健、有引導、可預測的過程）、對外部信號的反應（也是部分可預測的，盡管取決于微環(huán)境信號）和隨機波動（不可預測）。如果想要解決癌癥進化解釋的經驗局限性，這些過程之間的差異很重要。為什么需要在概念上區(qū)分這些類型的可塑性，可以通過兩個假設的對比例子來說明。首先，當治療由于其外排泵的上調而選擇干細胞時，對外排泵的選擇將維持克隆組成。這是因為所有遺傳克隆都包含癌癥干細胞，盡管根據不同克隆中癌癥干細胞的比例，克隆大小可能會發(fā)生變化。其次，當細胞周期特異性治療選擇慢周期或非增殖細胞時，如果特定微環(huán)境誘導靜止，那么恰好處于該微環(huán)境中的克隆將存活下來。這兩種情況對克隆進化模型提出了不同的挑戰(zhàn)。在第一種情況下，所有遺傳克隆的維持可能隱藏了干細胞的選擇。在第二種情況下，抗性可能被錯誤地歸因于克隆的遺傳，而正是克隆的位置導致了抗性。其他涉及可塑性的場景也可能對克隆進化模型提出挑戰(zhàn)。例如，克隆進化模型將癌癥干細胞視為選擇單位，但可能發(fā)生去分化，從而允許非干細胞為進化動力學做出貢獻。

雖然對外部刺激的反應表型可塑性代表了克隆進化實際參與的主要限制，但基于分化和基于隨機的可塑性類型代表了理論挑戰(zhàn)。只要分化保持穩(wěn)健和可預測，這種可塑性就可以納入克隆進化的數學模型中。同樣，隨機可塑性適合數學建模，可以引入癌癥進化模型中。

許多基因型可以產生相同的表型

此類現象可能是趨同進化、表型可塑性或非遺傳因素的案例。選擇壓力可能會在獨立的譜系中選擇相同的表型，這可以通過癌癥的進化模型很好地解釋。腫瘤的精準治療認為，癌癥的標志是由于自然選擇作用于無關細胞而發(fā)生的趨同進化的案例。對癌癥遺傳進化模型的挑戰(zhàn)導致了這樣的假設：腫瘤的精準治療通過關注表型的進化來獲得更清晰的認識和控制力。正如腫瘤的精準治療上面所論證的那樣，分化過程和對環(huán)境信號的反應可以導致相似的表型，而不管潛在的遺傳因素如何。還有其他非遺傳的表型決定因素可能獨立于克隆的遺傳因素。例如，癌細胞可以通過細胞外囊泡轉移蛋白質、脂質和核酸，這可能導致惡性表型。在小鼠膠質瘤模型中，EGFR 突變的癌細胞可以將截短的致癌形式 EGFRvIII 轉移到缺乏突變的癌細胞中，導致這些細胞獲得突變表型。區(qū)分可遺傳和不可遺傳的表型決定因素是關鍵，因為后者直接挑戰(zhàn)了克隆進化模型的事實范圍，盡管進化理論可以通過在表型進化模型中包括性狀的遺傳性或進化性的測量，將不可遺傳的表型決定因素解釋為一種噪聲形式。

假設 2：癌細胞譜系是一棵樹

克隆進化模型假設細胞譜系呈樹狀，其中細胞譜系分裂和死亡但不融合?？寺《x為來自單個共同祖先細胞的后代（方框 1）。遺傳是垂直的，來自親本細胞。此外，基于細胞譜系的克隆進化模型隱含地假設細胞是唯一的選擇單位。一些觀察結果質疑這些假設。

細胞融合和癌細胞繁殖方式

癌細胞可融合成有活力的繁殖細胞，從而產生克隆細胞群。癌癥中的細胞融合被認為是罕見的，并且在很大程度上被忽視了。然而，一些佳學基因腫瘤基因解碼報道了癌細胞與非癌細胞之間的融合（雜交瘤是此類融合的著名案例），或不同癌細胞之間的融合。在患者中，據報道在骨髓移植 (BMT) 的情況下造血細胞發(fā)生了融合，這為追蹤細胞融合提供了標記。例如，一位母親接受了她兒子的 BMT，后來患上了腎癌，其中一部分癌細胞既包含癌細胞的染色體改變，又包含來自她兒子細胞的 Y 染色體。另一項佳學基因腫瘤基因解碼分析了 7 名患有不同癌癥（胰腺導管腺癌、腎細胞癌、頭頸部鱗狀細胞癌和肺腺癌）的患者的腫瘤活檢樣本，發(fā)現所有樣本中都存在癌細胞與白細胞融合的證據?；诖私Y果，他們尋找胰腺癌患者中的循環(huán)雜交細胞，發(fā)現循環(huán)雜交細胞的數量與疾病晚期相關，且與預后不良有關，而非融合的循環(huán)腫瘤細胞則并非如此，這提出了融合可能增加癌癥進展風險的可能性。

細胞融合在癌細胞進化中的作用已在體外和動物模型中得到佳學基因腫瘤基因解碼。癌細胞系和巨噬細胞的雜交種一旦移植到小鼠體內，其倍增時間就比母體癌細胞系短，這表明細胞融合可以提高細胞的適應性。細胞融合還可以為癌細胞提供新的特性。例如，與巨噬細胞等造血細胞融合可以賦予融合的癌細胞遷移能力。多項佳學基因腫瘤基因解碼認為融合是達爾文克隆進化轉移解釋的一種可能的替代機制（但不互相排斥） ，根據該解釋，轉移能力是通過自然選擇進化過程獲得的。其他佳學基因腫瘤基因解碼表明，癌細胞系之間的融合可以產生比原始細胞系更惡性、對治療更具抗性的新細胞系。細胞融合也被認為是產生癌癥干細胞的一種可能機制。最后但同樣重要的是，細胞融合是一種可以通過隨后隨機丟失遺傳物質來產生多樣性的機制。

細胞融合不會破壞克隆進化的實際程度，但會增加其進化過程的復雜性，而克隆進化模型目前尚未考慮到這一點。

水平基因轉移

克隆進化模型假設遺傳與細胞分裂垂直。但已描述了幾種水平基因轉移機制，例如線粒體和 DNA 的交換。將耗盡線粒體 DNA 的肺癌細胞系與骨髓非造血細胞或皮膚成纖維細胞共培養(yǎng)，或移植耗盡線粒體 DNA 的乳腺癌細胞系，結果顯示通過線粒體轉移可挽救線粒體功能。將間充質基質細胞 (MSCs) 中的線粒體引入癌細胞可增加癌細胞的氧化磷酸化、ATP 產生、遷移和增殖。佳學基因腫瘤基因解碼表明，通過隧道納米管將線粒體從內皮細胞水平轉移到 MCF7 乳腺癌細胞可在體外提高對阿霉素的化學抗性。體外與骨髓基質細胞共培養(yǎng)或將患者或小鼠細胞系的急性髓系白血病母細胞移植后也獲得了類似的結果。膠質母細胞瘤干細胞 (GSC) 和 MSC 共培養(yǎng)也導致 GSC 的代謝重組，因為線粒體從 MSC 轉移到 GSC，GSC 中的增殖增加并對替莫唑胺產生抗性。

由于從細胞外囊泡（包括來自死亡癌細胞的凋亡小體）吸收 DNA，水平基因轉移也可發(fā)生在癌癥中。這已在體外以及小鼠實驗中得到證實，并且可以通過用 DNAses 治療來預防。佳學基因腫瘤基因解碼表明微囊泡攜帶的致癌基因（如MYC或HRAS V12）可被其他細胞吸收。癌癥中通過細胞外囊泡進行的水平基因轉移的程度和重要性仍是一個懸而未決的問題。

水平基因轉移并不與癌癥的進化模型相矛盾。相反，它增加了模型的復雜性。除了垂直遺傳之外，通過自然選擇的適應還可以通過水平轉移實現。

吞噬作用和水平轉移

除了基因轉移，表型特性還可以通過胞噬作用（一種細胞間膜片段轉移機制）水平轉移。胞噬作用是一種與癌細胞進化相關的現象，因為它允許細胞獲得獨立于其遺傳學和表觀遺傳學的新表型特性，從而導致基因型和表型不匹配。例如，在使用患者來源的異種移植瘤的結腸癌小鼠模型中，癌細胞能夠獲得淋巴細胞膜蛋白（包括淋巴細胞細胞標志物）以及免疫調節(jié)表面蛋白，從而抑制免疫細胞的激活。使用白血病小鼠模型也獲得了類似的結果，盡管在本佳學基因腫瘤基因解碼中，自然殺傷 (NK) 細胞和 CD8 + T 細胞從白血病細胞中獲得了檢查點受體程序性細胞死亡蛋白 1 (PD1)，從而抑制了 NK 細胞的抗腫瘤免疫力。吞噬作用與嵌合抗原受體 T 細胞 (CAR-T) 細胞和 CAR- NK細胞逃逸有關。吞噬作用只有在其誘導的表型能夠通過至少一次細胞分裂傳遞時才對克隆進化有意義。細胞表面物質部分通過細胞分裂得以維持，但遺傳給子細胞的對稱性以及表型在多少次分裂后消失尚不清楚。

細胞自相殘殺是另一種過程，它能賦予細胞在特定選擇壓力下改變其適應性的特性。例如，轉移性黑色素瘤細胞可以自相殘殺 T 淋巴細胞，這使它們能夠在血清缺乏的情況下存活。196類似地，乳腺癌細胞系被證實可以自相殘殺間充質基質細胞，這也通過誘導休眠狀態(tài)提高了它們在饑餓情況下的存活率。同樣，它對克隆進化的貢獻取決于這些表型的遺傳性。

由于噬菌體作用或細胞同類相食而導致的表型的水平傳遞降低了這些表型的遺傳性，從而降低了克隆進化模型的實際范圍。

細胞內微生物

盡管克隆進化指的是癌細胞的進化，但微生物（如病毒、細菌和真菌）在癌細胞內的存在可能需要從多物種的角度來看待克隆進化。病毒長期以來一直與致癌作用有關，在它們直接導致致癌作用甚至整合到癌癥基因組中的情況下，它們成為癌癥中進化的遺傳物質的一部分。最近的佳學基因腫瘤基因解碼發(fā)現，細菌和真菌不僅存在于某些癌細胞周圍，而且它們也可以寄居在癌細胞內部，甚至有佳學基因腫瘤基因解碼表明大多數腫瘤內細菌是細胞內的，寄居在癌細胞和免疫細胞內。

細胞內微生物可以改變其宿主細胞的功能特性和適應性，從而促進克隆進化。它們可以提高癌細胞的適應性，例如，在結腸直腸癌中，具核梭桿菌與致瘤性增加有關。梭桿菌陽性腫瘤在患者來源的異種移植模型中植入，而梭桿菌陰性腫瘤則不會，這種差異可以通過抗生素治療逆轉。細菌可以抑制或引發(fā)免疫反應，例如通過肽呈遞 ，也可以介導癌細胞對療法的耐藥性，例如通過將化療藥物代謝為無活性形式。人乳頭瘤病毒 ( HPV ) 會干擾多種腫瘤抑制機制并提高其感染的腫瘤細胞的適應性。

因此，細胞內微生物可能以可預測的方式促進克隆進化，這可以在克隆進化模型中實現。細胞內細菌的異質性和局部分布導致了“微生物克隆內多樣性”的概念，即同一遺傳克隆的癌細胞的不同適應性取決于細胞內細菌的存在。然而，微生物在克隆進化中的作用的整合存在理論上的挑戰(zhàn)。其中之一是這些微生物的傳播方式。它們可以垂直傳播，因此僅僅代表受感染癌細胞的亞克隆，也可以通過從一個細胞轉移到另一個細胞而水平傳播。在第二種情況下，他們質疑癌細胞間遺傳模式的樹形。此外，細菌本身可能經歷自己的進化動力學。對腫瘤內細菌代謝活動的生物信息學分析表明，細菌受到腫瘤細胞及其微環(huán)境影響而承受著自身的選擇壓力。因此，各種選擇性過程可能作用于癌細胞譜系和微生物譜系。

因此，癌細胞的進化可能不是簡單的細胞分支樹，而可能涉及分支之間的融合和傳遞（圖 3）。遺傳和非遺傳繼承可能不僅是垂直的，有時也可能是水平的。此外，克隆進化可能不僅涉及癌細胞，還涉及可能改變癌細胞適應性的細胞內細菌和真菌。這些機制挑戰(zhàn)了當前克隆進化模型的理論有效性，而不是癌細胞進化的實際參與程度。因此，它們?yōu)樘岣呖寺∵M化模型的理論效力開辟了道路。

圖 3|. 克隆進化比細胞分叉樹更為復雜。

 

改進癌癥理論

克隆進化模型的上述挑戰(zhàn)和局限性表明了改進該模型的機會。腫瘤的精準治療將重點關注克隆進化模型的四個潛在擴展：遺傳學之外的遺傳多樣性和時間尺度、表型可塑性、網狀進化模式和克隆概念。

傳承與時間尺度

遺傳是任何癌癥進化理論的核心概念。沒有某種遺傳就不可能進化。但遺傳的定義很寬泛，而且它的定義也存在爭議。

人們提出了幾種遺傳形式的分類。其中包括區(qū)分內部和外部遺傳渠道。內部遺傳包括通過細胞分裂（或細胞融合）傳遞的因素，例如遺傳和表觀遺傳。外部遺傳包含所有不通過細胞分裂傳遞的傳遞。內部遺傳可以通過細胞譜系追溯，而外部遺傳則不能。

將遺傳的遺傳模型擴展到表觀遺傳模型相對容易，至少對于隨機突變的表觀遺傳狀態(tài)而言是如此。但內部遺傳也可以超越遺傳學和表觀遺傳學。佳學基因腫瘤基因解碼非遺傳和非表觀遺傳可遺傳表型的一種方法是使用育種者方程來量化這些表型的遺傳性。通過測量癌細胞表型（體外或體內）在不同時間尺度和選擇壓力下的變化，癌癥生物學家可以量化感興趣表型的遺傳程度。這可以解釋內部和外部的遺傳方式，包括細胞質和生態(tài)位構建的非（表觀）遺傳遺傳。請注意，這些遺傳性測量取決于群體中可遺傳變異的程度。一種表型可能是可遺傳的，但如果群體中不包含編碼該表型的底物的變異，則似乎不是。

癌癥存在外部遺傳，至少是通過生態(tài)位構建實現的。生物體與它們所改變的生態(tài)位之間存在一種共同進化的形式，可以用進化的正式模型來表示。當腫瘤細胞通過激活成纖維細胞、募集免疫細胞、誘導血管生成以及以其他方式改變其微環(huán)境參與生態(tài)位構建時，它們會產生一種外部遺傳形式，從而改變自身的選擇壓力，從而改變它們自己的進化軌跡。這種外部遺傳的時間尺度可能很長。例如，即使在沒有癌細胞的情況下，活化的成纖維細胞也可以通過自分泌環(huán)、表觀遺傳改變甚至基因改變來維持其促腫瘤表型。人們開始努力將生態(tài)學融入克隆進化模型，但解釋生態(tài)位構建仍然具有挑戰(zhàn)性。

關于哪種遺傳更重要，也存在爭議。一種觀點認為，傳遞多代的因素與傳遞一代的因素之間存在因果不對稱，前者在進化中發(fā)揮著更重要的作用，因為它們可以通過自然選擇在很長一段時間內積累。然而，在癌癥中，選擇壓力的變化時間尺度卻大不相同。衰老會在幾十年內慢慢重塑選擇性景觀。癌癥的特征是轉變所必需的，必須持續(xù)到腫瘤進展的整個時間跨度，而這可能需要幾十年的時間。短期遺傳形式無法對這些長期的自然選擇進化過程做出有意義的貢獻。然而，腫瘤進展還存在其他障礙，例如轉移期間在循環(huán)中存活，這可能只需要在幾小時或幾天內克服。在這種情況下，從親本細胞或微環(huán)境（如可以安全通過血流的腫瘤細胞群）繼承一些關鍵蛋白質，可能持續(xù)足夠長的時間，將腫瘤細胞輸送到新的轉移性微環(huán)境中。同樣，放療和化療等對癌細胞施加強烈選擇壓力的治療方法通常只持續(xù)幾代細胞，類似于細胞質遺傳的時間尺度。

對遺傳克隆進化的關注只能部分捕捉進化的短時間尺度事件，有幾種途徑可以幫助改進這方面的模型。一種方法是使用各種分子鐘重建克隆進化。DNA、拷貝數變異 (CNV) 和單核苷酸變異 (SNV) 大多會隨時間而變化。233、234 CpG位點的甲基化比 SNV 具有更快的時鐘速率，盡管這些速率可能因基因組中不同位點而異。組蛋白的其他表觀遺傳修飾、或通過信號轉導改變細胞狀態(tài)以及轉變?yōu)檫z傳調控網絡中的新吸引子狀態(tài)可以快速發(fā)生，并且可能需要在克隆進化模型中使用它們自己的分子鐘。

未來的佳學基因腫瘤基因解碼應描述不同遺傳機制的時間尺度（圖 4）。任何持續(xù)時間短于細胞壽命的表型變化都不能成為克隆進化的有意義的遺傳特性。任何持續(xù)時間短于選擇壓力時間尺度的表型變化對細胞群體響應該壓力的進化影響甚微。相反，只要細胞群體存在相關變異，產生持續(xù)時間與選擇壓力一樣長或更長的表型變化的遺傳機制對群體對這些壓力的反應就很重要。有數學方法可以解開不同的遺傳形式，包括遺傳、表觀遺傳和生態(tài)遺傳。239

圖 4|. 不同時間尺度上的繼承類型。

 

表型可塑性

表型可塑性可以弱化基因型和表型之間的關系，降低表型的遺傳性，從而削弱自然選擇的影響。然而，表型可塑性本身可以是一種適應性表型，并且已經通過自然選擇多次進化。少有一個歷史理論框架支持表型可塑性對遺傳進化的貢獻：鮑德溫效應，即最初的表型適應后來通過遺傳適應得到強化的過程。

鮑德溫效應的簡化形式240,241指的是一個三步過程：首先，一些個體（在腫瘤的精準治療的例子中是癌細胞）通過表型可塑性適應環(huán)境變化。表型可塑性的這一初始階段使一些個體得以避免滅絕。其次，幸存種群中會發(fā)生一些基因（因此是可遺傳的）變化，使它們能夠在新環(huán)境中生存，而不必付出表型可塑性的代價。第三，這些基因決定的表型受到自然選擇的青睞，并最終在種群中傳播，因為它們實現了與表型可塑性個體相同或更適應的表型，而不必付出可塑性的代價，而可塑性可能是代謝要求很高的過程。因此，鮑德溫效應是一個特殊情況，其中適應最初是個體的、不可遺傳的，后來變成遺傳的和被選擇的。

多項佳學基因腫瘤基因解碼表明，初始表型適應機制是二次遺傳選擇的。例如，當暴露于 EGFR 抑制劑時，大多數EGFR突變的肺癌細胞會死亡，但少數細胞可以通過一種稱為“持續(xù)”狀態(tài)的表型適應而存活。對由單個初始EGFR突變克隆的持續(xù)性細胞發(fā)展而來的復發(fā)克隆進行測序和藥物篩選，揭示了異質性耐藥機制的二次選擇，表明存在鮑德溫效應。同樣，觀察到在某些情況下EGFR T790M耐藥突變在治療時并不存在，并且可以從持續(xù)性細胞發(fā)展而來。持續(xù)性細胞不必處于靜止狀態(tài)。短暫暴露于長春新堿可以激活保護細胞免受藥物侵害的外排泵，使它們持續(xù)處于活性狀態(tài)。這種激活通過表觀遺傳修飾5穩(wěn)定地遺傳，而表觀遺傳修飾隨后可能通過基因改變而穩(wěn)定下來。

長期以來，鮑德溫效應在進化生物學中一直被忽視，被認為是一種僅僅“爭取時間”的小現象，因此，只有在選擇壓力變化太快，傳統(tǒng)的變異和選擇過程無法產生適應性的情況下，它才會引起人們的興趣。226癌癥正是選擇壓力可能快速變化的情況之一（例如開始治療），爭取時間可能是一種關鍵的進化機制，可以納入克隆進化模型。

網狀結構、基因滲入和開放譜系

通常假設細胞譜系形成一棵樹，但如上所述，癌細胞融合可能發(fā)生，遺傳也可以是水平的，可能發(fā)生線粒體、染色體外 DNA、細胞碎片（如膜）或細胞內細菌和真菌的轉移。這些過程都違反了樹假設并影響系統(tǒng)發(fā)育重建，因為細胞樹不一定與基因樹匹配（圖3）。它還影響批量檢測的克隆反卷積，因為水平基因轉移和細胞融合違反了這些算法所基于的許多假設。一個細胞譜系中可能存在多個不一致的基因樹，反映了基因在所有這些獨立現象中的不同流動。類似的譜系違規(guī)在原核生物中很常見，從而產生了網狀進化的概念。網狀結構導致許多人認為生命之樹是一種歪曲。將進化表示為相互交錯的分支網絡可能更合適。一些人建議，在沒有明確共同祖先的情況下，用“族”代替“分支”，以避免傳統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)育術語帶來的不合理假設。這可能適用于克隆。已經開發(fā)并使用了幾種測量方法，例如一致性因子、無根樹的多樣性指數；并且已經開發(fā)了新的計算方法和統(tǒng)計數據來識別橫向轉移和分析系統(tǒng)發(fā)育網絡。總體而言，圍繞網狀進化發(fā)展起來的進化修正觀要求采用多層次視角，有時也稱為整合進化，其中多個遺傳世界對觀察到的多樣性做出了貢獻。

這些概念和計算工具為腫瘤的精準治療提供了增進對克隆進化理解的機會。鑒于水平遺傳轉移可以提供獲得功能適應（如轉移能力或多藥耐藥性）的進化捷徑，因此評估此類網狀事件對癌癥進展的影響并采用綜合克隆進化模型非常重要。

量化克隆多樣性

通過計數克隆來衡量腫瘤內異質性和癌細胞進化基于兩個隱含的假設：克隆內的細胞是同質的（克隆內同質性）并且不同于其他克?。寺￠g異質性），因此它們的數量反映了腫瘤細胞群的多樣性。但如上所述，這些假設可能是有爭議的（圖 2）。如果腫瘤的精準治療使用突變來劃分克?。▓D 2a），則有 3 個克隆，因此有 3 個具有獨特特征的相關癌細胞群。然而，使用表觀遺傳學對克隆的劃分有所不同（圖 2b），它們的整合（圖 2d）表明存在超過 3 個相關的癌細胞群。

可以測量克隆內同質性和克隆間異質性的程度。這可以通過測量克隆內和克隆間任意 2 個細胞之間的距離來獲得任何表型或基因型測量值。例如，在三種急性髓系白血病257小鼠模型中，對條形碼譜系內轉錄組多樣性的測量發(fā)現克隆明顯不均質，因為單細胞 RNA 測序通常顯示表型空間中的細胞散布，而不是緊密的簇。相比之下，另一項佳學基因腫瘤基因解碼觀察到人類黑色素瘤細胞系中條形碼譜系內的克隆內同質性很高，條形碼譜系之間的克隆間異質性很高。單細胞基因組學分析也可用于測量克隆多樣性。一項分析發(fā)現，只有少數克隆存在，克隆內變異很小，而根據兩例乳腺癌病例的拷貝數分析，克隆之間存在很大差異。相比之下，同一團隊在另外兩例乳腺癌病例中發(fā)現點突變存在大量基因組多樣性，這導致作者質疑克隆的概念，因為沒有發(fā)現兩個腫瘤細胞在基因上是相同的。

完全放棄對克隆的計數是可能的。由于它們是衡量腫瘤中遺傳多樣性結構和程度的代理，腫瘤的精準治療可以用其他表征多樣性的方法代替對克隆的計數。例如，如果可以將樣本之間的進化關系重建為一棵樹，那么有各種各樣的樹統(tǒng)計數據實際上可能比克隆的數量更敏感，更能代表遺傳多樣性。265事實上，其中一些措施提供了有關腫瘤內種群動態(tài)和選擇的信息。

佳學基因觀點

毫無疑問，體細胞經歷了進化過程，包括遺傳漂變和自然選擇。它們獲得可遺傳的改變，其中一些影響其繁殖和存活。癌細胞進化的事實在 20 世紀 50 年代就已實現，并在 21 世紀開始得到廣泛佳學基因腫瘤基因解碼。然而，進化過程在多大程度上可以解釋癌癥仍有待商榷。癌癥進化理論在解釋許多癌癥現象和開發(fā)更好的干預措施方面取得了成功，清楚地表明了該理論的實用性。然而，非進化機制也明顯導致了癌癥。該領域目前正在評估進化機制和非進化機制在癌癥中的各自作用。但如果腫瘤的精準治療不清楚進化機制和非進化機制之間的界限，就無法做到這一點。當今有許多癌癥理論和模型266，其整合極具挑戰(zhàn)性。267目前尚不清楚哪些與進化理論兼容，哪些不兼容。總體而言，其他癌癥理論，例如癌癥干細胞理論268、返祖理論269、270和無法愈合的傷口271-273 ，描述了體細胞進化的生物學限制和可供性。為了解決這個問題，腫瘤的精準治療關注進化過程的邊界，區(qū)分了兩種邊界：理論邊界和事實邊界（圖5）。癌癥進化動力學的事實邊界超出了當前理論，癌癥進化理論需要擴展以解釋表型可塑性、替代遺傳模式、水平基因轉移、細胞譜系融合和更好的克隆多樣性衡量標準。關于這些現象及其在癌癥中的相對重要性，還有更多東西有待發(fā)現。改進的癌癥進化理論應該有助于改善腫瘤的精準治療對癌癥的預測、預后和治療。

圖5|.克隆進化的解釋力。