子科生物報道：理解腫瘤的早期發(fā)生機制，對實現(xiàn)腫瘤的早期預(yù)防和治療至關(guān)重要。傳統(tǒng)的Peter Nowell克隆演化理論認為，腫瘤是由一個發(fā)生致癌突變的單一細胞引起，經(jīng)過不斷的細胞擴增和篩選，最終形成惡性腫瘤。這一理論強調(diào)腫瘤具有“單克隆起源”，即腫瘤由一個細胞起源并擴增而來。然而，對于腫瘤在更早期階段的癌前病變過程，我們的了解還非常有限。例如，在癌前病變中，是否存在多個獨立突變的細胞群體共同推動腫瘤發(fā)展（即“多克隆起源”）？目前這個問題還沒有明確答案?？傮w來說，對早期腫瘤起源和發(fā)生機制的認識不足，極大地限制了我們在腫瘤精準篩查和早期干預(yù)上的突破。

北京時間10月30日24時，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所胡政、中山大學(xué)賀雄雷和何真團隊在Nature在線發(fā)表題為“Polyclonal-to-monoclonal transition in colorectal precancerous evolution”的研究論文，首次揭示了腫瘤從多克隆向單克隆轉(zhuǎn)變的早期演化新模式，并解析了腫瘤多克隆起源的細胞間通訊與互作機制。這一發(fā)現(xiàn)不僅為腫瘤的早期發(fā)生機制提供了新的科學(xué)視角，同時也為癌癥的精準早期篩查和干預(yù)提出了新的思路。

圖1. 文章上線截圖

研究團隊首次在哺乳動物中建立了基于堿基編輯器的細胞譜系示蹤技術(shù)（稱為SMALT），實現(xiàn)了小鼠體內(nèi)單細胞分辨率的高精度譜系追蹤。SMALT技術(shù)結(jié)合了胞苷脫氨酶（AID）、人工DNA條形碼序列和Tet-On可誘導(dǎo)表達系統(tǒng)，通過AID介導(dǎo)的靶向突變和后續(xù)DNA測序，能夠大規(guī)模、高精確地重建單細胞譜系樹（圖2a）。研究團隊利用攜帶SMALT系統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因小鼠，構(gòu)建了兩種經(jīng)典的小鼠腸癌模型：炎癥誘導(dǎo)腸癌模型（AOM/DSS模型）和多發(fā)性息肉模型（ApcMin/+模型）。在譜系樹分析中，團隊發(fā)現(xiàn)大多數(shù)（66.7%）炎癥誘導(dǎo)的腸癌和所有Apc腸息肉均表現(xiàn)出多克隆起源（圖2b）。通過整合DNA條形碼突變、全基因組測序和單細胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，研究團隊進一步發(fā)現(xiàn)單克隆腫瘤（圖2c）比多克隆腫瘤具有更高的惡性程度，這表明單克隆腫瘤可能代表腫瘤進展的更“晚期”階段?；谶@些發(fā)現(xiàn)，團隊提出了腫瘤發(fā)生的“多克隆向單克隆轉(zhuǎn)變”新模型（圖2d），為早期腫瘤演化提供了新的理論框架。

研究團隊同時收集了107例人類散發(fā)性腸息肉及伴發(fā)結(jié)直腸癌的患者隊列?；蚪M測序數(shù)據(jù)顯示，大約30%的人類腸息肉是多克隆起源，且具有較低的突變負荷和拷貝數(shù)變異。病理特征也表明，相比單克隆息肉，多克隆息肉尺寸更小、惡性程度更低；相反，單克隆息肉表現(xiàn)出更多的基因組變異、較大尺寸和更高的惡性程度。這些發(fā)現(xiàn)在人體中驗證了小鼠的譜系示蹤結(jié)果，共同支持了多克隆向單克隆轉(zhuǎn)變的早期腫瘤演化模式。

       基于上述結(jié)果，研究團隊提出了早期腫瘤發(fā)生過程中多克隆-單克隆轉(zhuǎn)換的新模式（圖2d），強調(diào)了這一過程中特定基因組和微環(huán)境變化以及細胞間相互作用的重要性。這些發(fā)現(xiàn)為理解腫瘤起源提供了全新的概念框架，并提出通過靶向細胞間通訊來實現(xiàn)早期干預(yù)的腫瘤預(yù)防新策略。因此，該研究開辟了一個新的研究領(lǐng)域，即探索早期腫瘤發(fā)生中的多克隆形成機制和細胞間相互作用，為腫瘤早篩、風(fēng)險預(yù)測和早期靶向干預(yù)提供了全新的思路。

圖2. 單細胞譜系示蹤早期腫瘤從多克隆至單克隆轉(zhuǎn)變的演化新模式。

中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所胡政研究員、中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院賀雄雷教授和中山大學(xué)第六附屬醫(yī)院何真教授為本文共同通訊作者。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院助理研究員逯召蓮博士、莫珊蘭博士；中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院-澳門大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生解鐸；中山大學(xué)博士研究生翟相威、博士后鄧善俊博士為論文的共同第一作者。該項研究成果獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院、廣東省自然科學(xué)基金和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項目的資助。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08133-1

論文示意圖：

圖注：孔雀羽毛顏色從多彩逐漸向單一轉(zhuǎn)變，表達了腫瘤細胞從多克隆狀態(tài)逐漸向單克隆狀態(tài)演化的過程。

專家點評

詹啟敏（中國工程院院士，北京大學(xué)博雅講席教授，分子腫瘤學(xué)家）

胡政、賀雄雷和何真團隊在Nature上發(fā)表的這項研究，標志著對腫瘤早期演化過程的認知躍上新臺階。該研究首次提出了從多克隆到單克隆轉(zhuǎn)變的早期腫瘤演化模式，并揭示了這一過程中的細胞間通訊與微環(huán)境變化的重要作用機制。這一發(fā)現(xiàn)不僅突破了經(jīng)典的單克隆起源理論，還拓展了我們對腫瘤異質(zhì)性起源及其演化的理解，為精準醫(yī)學(xué)的早期干預(yù)策略開辟了新的方向。

腫瘤的多克隆起源現(xiàn)象在該研究中得到了首次系統(tǒng)性證實。通過高分辨率細胞譜系示蹤技術(shù)和單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，研究團隊在小鼠模型和人類癌前病變組織中觀察到，早期腫瘤病變往往具有多個獨立的細胞克隆來源，這些克隆在腫瘤發(fā)生的早期階段通過細胞間的通訊和合作共同推動病變進展。隨著腫瘤的發(fā)展，這些多克隆逐漸被一個優(yōu)勢克隆所替代，轉(zhuǎn)變?yōu)閱慰寺∧[瘤，這種動態(tài)轉(zhuǎn)變過程在基因組水平和微環(huán)境相互作用中表現(xiàn)得尤為顯著。這一機制的解析為腫瘤的分期、預(yù)測與個體化治療策略提供了新的理論基礎(chǔ)。

從精準醫(yī)學(xué)的角度來看，這一發(fā)現(xiàn)對腫瘤早期診斷和干預(yù)具有重要意義。傳統(tǒng)的早期腫瘤篩查主要依賴于檢測單一驅(qū)動突變的標志物，然而這種方法在多克隆起源的腫瘤中可能具有局限性。本研究所揭示的多克隆起源和細胞間通訊機制，提示我們需要關(guān)注多種基因突變和細胞互作網(wǎng)絡(luò)，從而識別出具有進展?jié)摿Φ亩嗫寺〔∽?。這為開發(fā)靶向多克隆階段的干預(yù)措施提供了重要依據(jù)，例如通過抑制細胞間的通訊通路以阻止腫瘤演化的策略。

總而言之，此項研究為腫瘤早篩、預(yù)防和個體化干預(yù)提供了全新思路。通過深入理解腫瘤早期演化的基因組學(xué)特征，我們有望實現(xiàn)更為精準的早期癌前病變檢測和風(fēng)險預(yù)測，推動腫瘤精準醫(yī)學(xué)向前邁進，為腫瘤防治提供科學(xué)依據(jù)。

 吳仲義（中山大學(xué)講座教授，臺灣“中央研究院”院士，前芝加哥大學(xué)進化生態(tài)系主任，前中科院北京基因組所所長）

20世紀70年代Peter Nowell首次系統(tǒng)性地提出了腫瘤的克隆演化學(xué)說（clonal evolution theory），認為腫瘤是單一起源、但發(fā)展出高度遺傳多樣性的細胞群體，是在達爾文自然選擇驅(qū)動作用下的克隆演化過程。這一理論的提出正值分子生物學(xué)和遺傳學(xué)快速發(fā)展的時期，諸如DNA測序等技術(shù)的迅速崛起，極大推動了人們對于腫瘤生物學(xué)、克隆異質(zhì)性和演化機制的深入認識。

然而，關(guān)于腫瘤演化早期的單克隆起源或者多克隆起源假說一直以來備受爭論。一方面，基因組測序似乎支持 Nowell 的單克隆起源觀點。另一方面，測序數(shù)據(jù)僅能說明，絕大多數(shù)癌細胞屬于同一克隆。在細胞競爭之下，其他克隆在腫瘤開始增長之后很難檢測到。同時 Field cancerization 的理論也提出相對的看法，即一個可以產(chǎn)生細胞克隆的微環(huán)境應(yīng)該可以產(chǎn)生不止一個細胞克隆。 2022 年，中山大學(xué)陳冰潔等Natl Sci Rev 2022 也支持這個多克隆起源的觀點。

近年來，譜系示蹤技術(shù)等新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用使得腫瘤演化研究進入了全新的階段。在這篇論文中，胡政、賀雄雷和何真聯(lián)合團隊精巧地利用了譜系追蹤的技術(shù)，從源頭開始觀察腫瘤克隆的多起源。 他們發(fā)現(xiàn)小鼠和人類早期腸癌中普遍存在多克隆起源模式。雖然過去的研究也偶爾發(fā)現(xiàn)多克隆起源，胡政等的結(jié)論是多克隆起源非常普遍。基本上大幅度擴展了Peter Nowell克隆演化理論的單一起源學(xué)說。

胡政等另一個結(jié)論是多克隆腫瘤內(nèi)細胞間似乎以相互合作為主而不是相互競爭。 這個論點可以從很多角度思考。合作在進化過程一般僅限于同一基因型。他們的觀察是否符合這個常規(guī)還不清楚。其背后的驅(qū)動機制還需進一步研究。總之，該新理論范式的提出將不僅推動體細胞演化學(xué)科的進步，更期待該研究成果為腫瘤的早期診斷和個性化治療提供新的指引。

白凡（北京大學(xué)教授，科學(xué)探索獎獲得者）

傳統(tǒng)的腫瘤克隆演化理論認為，腫瘤由單一突變細胞引發(fā)，通過連續(xù)的克隆擴增和選擇最終形成。中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院胡政、中山大學(xué)賀雄雷和何真團隊的Nature論文，該研究首次揭示了癌前病變階段存在多克隆起源的現(xiàn)象，并提出了早期腫瘤從多克隆向單克隆轉(zhuǎn)變的新模式，這一發(fā)現(xiàn)為理解腫瘤早期發(fā)生的多克隆到單克隆轉(zhuǎn)變過程提供了重要的科學(xué)突破，對深入理解腫瘤的早期動態(tài)演化具有重要意義。

研究團隊綜合運用小鼠模型中的高分辨率細胞譜系示蹤、單細胞轉(zhuǎn)錄組測序，以及人群樣本的基因組測序，從多維度對早期多克隆病變中細胞的通訊和相互作用機制進行了深入剖析。研究發(fā)現(xiàn)早期的多克隆病變在向單克隆進展過程中，細胞間的通訊逐漸減少，這種細胞間的相互作用可能是多克隆形成的重要驅(qū)動力。該發(fā)現(xiàn)不僅為腫瘤起源提供了全新的概念框架，還指出了微環(huán)境和基因組改變對腫瘤演化的關(guān)鍵作用。

該研究的科學(xué)意義在于其為早期腫瘤篩查和靶向性預(yù)防提供了新的策略。通過靶向早期癌前病變中的細胞通訊網(wǎng)絡(luò)，有望在腫瘤尚未進入單克隆階段時進行有效干預(yù)，從而阻止腫瘤的進一步惡性演化。這項研究不僅推動了基礎(chǔ)腫瘤學(xué)的前沿發(fā)展，也為精準醫(yī)學(xué)和腫瘤預(yù)防提供了實踐指導(dǎo)，將對未來的腫瘤早篩技術(shù)和風(fēng)險預(yù)測可能產(chǎn)生重要的影響。同時，該研究綜合運用了多種前沿技術(shù)手段，包括單細胞譜系示蹤及動物模型、人群隊列研究、單細胞轉(zhuǎn)錄組、腸道單隱窩測序、類器官、定量建模等等，代表了腫瘤學(xué)研究多學(xué)科交叉的新范式。

胡政團隊