白凡、謝曉亮團隊與張寧團隊揭示循環腫瘤細胞基因組特徵與癌症轉移機制

撰文 白凡課題組

2017年5月9日國際專業基因組學研究刊物Genome Research在線發表了北京大學白凡、謝曉亮團隊與天津醫科大學張寧團隊合作研究成果。作者團隊使用單細胞測序技術對來自同一病人的循環腫瘤細胞和單個原發灶癌細胞的拷貝數變異進行分析，揭示了在腫瘤轉移過程中基因拷貝數變異的演化過程。作者團隊進一步對來自結直腸癌、乳腺癌、胃癌、前列腺癌多個癌種的病人外周血循環腫瘤細胞進行分析，研究了不同癌種的循環腫瘤細胞基因組特徵與差異，具有重要的科學意義和臨床應用價值。

癌症是世界範圍內嚴重威脅人類健康的疾病。在中國，癌症的發病率、死亡率也一直居高不下。腫瘤的轉移是導致癌症病人死亡的主要原因。早在1869年，澳大利亞籍醫生 Ashworth 首次在癌症病人血液樣品中觀察到循環腫瘤細胞（CTC）的存在。在腫瘤轉移過程中，癌細胞從原發腫瘤脫落，進入血液或淋巴循環系統，其中一些具有高度轉移潛能的腫瘤細胞在循環系統中存活下來，成為循環腫瘤細胞，並進一步發展為遠端器官轉移腫瘤。循環腫瘤細胞是腫瘤發生遠處轉移的必經步驟，因此在外周血中檢測到腫瘤細胞預示著有發生腫瘤轉移的可能。對於循環腫瘤細胞的研究一直是癌症研究中的熱點。

原發灶腫瘤細胞侵襲血管，形成循環腫瘤細胞

在本研究中，通過對一例結直腸癌病人原發灶腫瘤組織的單細胞，單個循環腫瘤細胞以及轉移灶腫瘤組織基因組分析，作者團隊發現原發灶腫瘤細胞的拷貝數變異經歷不同的中間狀態逐步積累，最終趨於在單個循環腫瘤細胞和轉移灶組織觀察到的相同的拷貝數變異模式。針對局部關鍵基因拷貝數變化的分析揭示，腫瘤轉移伴隨著抑癌基因PTEN的拷貝數逐步缺失及癌基因MYC的拷貝數逐步擴增。這個現象提示腫瘤的轉移過程存在基因組拷貝數變化的趨同選擇，同時有力地支持了腫瘤轉移過程並非隨機發生而是存在較強選擇的假說。

結直腸癌病人原發灶腫瘤單細胞，循環腫瘤細胞和轉移灶癌組織基因組拷貝數模式以及PTEN，MYC基因拷貝數變化

為了進一步闡述腫瘤細胞基因拷貝數異常形成的機制，作者團隊對該病人癌基因MYC所在的8號染色體的4個拷貝數增加區域進行了單鹼基水平的單細胞結構變異分析，並提出一個形成多區間拷貝數變異的兩步模型:首先在DNA複製過程中由於一系列的複製叉停頓和模板轉位（FoSTeS）形成多區間拷貝數增加；隨後通過同源重組（Homologous Recombination, HR）進一步將該區域擴增到較高的拷貝數，最終形成腫瘤細胞中異常的拷貝數模式。

腫瘤細胞形成多區間拷貝數變異的機制模型

鑒於基因拷貝數變異在癌症發展與轉移中的重要作用，作者團隊對來自結直腸癌、乳腺癌、 胃癌、前列腺癌多個癌種的病人大量外周血循環腫瘤細胞進行分析。多癌種循環腫瘤細胞分析揭示同一個病人的不同 CTC 都展現出高度一致的全基因組拷貝數變化模式。這種現象在多個癌種的病人中都得到了驗證，與作者團隊早期在肺癌上的研究結果一致(Niet al.,PNAS, 2013)。但是在不同的癌種中，不同病人間 CTC 的 CNA 模式相似性存在較大的差異。例如在胃癌中，來自不同病人的 CTC 的 CNA 模式高度相似；而在乳腺癌中，來自不同病人的. CTC 的 CNA 模式差異明顯。

多癌種單循環腫瘤細胞中關鍵癌基因與抑癌基因變異情況

通過對單細胞測序數據的生物信息學分析，作者團隊展示在多個癌種中可以從單個循環腫瘤細胞準確獲取病人關鍵癌基因與抑癌基因的變異情況，如靶向治療的靶點基因及導致耐葯的基因變異等個體化治療相關的重要信息。以CTCs檢測為代表的癌症「液體活檢」技術，可以避免反覆穿刺給病人帶來的傷害和痛苦,能動態反映病人的疾病進程以及治療過程中的療效和預後，具有重大的臨床應用價值。

北京大學生命科學院生物動態光學成像中心白凡研究員、謝曉亮教授以及天津醫科大學張寧教授為該論文的共同通訊作者。北大博士生高妍、蘇哲、哈佛大學博士後倪曉暉博士、天津醫科大學腫瘤醫院郭華博士、巴一教授是這篇論文的並列第一作者。該項研究得到了科技部863計劃，973計劃，精準醫學重大專項，國家傑出青年基金以及北京市科委、青年千人計劃科研啟動經費的支持。

論文信息

標題Single-cell sequencing deciphers a convergent evolution of copy numberalterations from primary to circulating tumour cells」

日期Received October 4, 2016. Accepted May 3, 2017.

摘要Copy number alteration (CNA) is a major contributor to genome instability, a hallmark of cancer. Here we studied genomic alterations in single primary tumour cells and circulating tumour cells (CTCs) from the same patient. Single-nucleotide variations (SNVs) in single cells from both samples occurred sporadically, whereas CNAs among primary tumour cells emerged accumulatively rather than abruptly, converging toward that of CTCs. Focal CNAs affecting MYC gene and PTEN gene were observed only in a minor portion of primary tumour cells but were present in all CTCs, suggesting a strong selection toward metastasis. Single-cell structural variation (SV) analyses revealed a two-step mechanism, a complex rearrangement followed by gene amplification, for the simultaneous formation of anomalous CNAs in multiple chromosome regions. Integrative CNA analyses of 97 CTCs from 23 patients confirmed the convergence of CNAs and revealed single, concurrent, and mutually exclusive CNAs that could be the driving events in cancer metastasis.

鏈接http://genome.cshlp.org/content/early/2017/05/08/gr.216788.116.abstract

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