【編者按】海量的遺傳變異「淹沒了」腫瘤治療之效，引發了腫瘤遺傳異質性形成的達爾文選擇和隨機突變之爭；由於具有海量的突變，即使經過積極的治療，極少數的腫瘤細胞能夠生存下來的概率是很高的，這些細胞可以增殖形成新的耐藥性腫瘤克隆；理論上講所有的靶向藥最終都會產生耐藥！免疫治療方面，現在已經有研究證明患者外周血總T淋巴細胞庫的多樣性（亞兵種的種類）與癌症接受免疫檢查點抑制劑的臨床效果密切相關（J Immunother Cancer 2015）；相比於單靶點，多靶點的免疫治療理論上可以降低腫瘤細胞的免疫逃逸！
來源：中國科學院北京基因組研究所
圖：通過蜂窩式取樣、超高深度測序和分型，精確的突變探測，研究團隊解析出腫瘤的空間克隆結構如右圖（左下圖為展開的克隆結構）。通過群體遺傳學方法的分析，研究團隊發現腫瘤內部遺傳異質性（ITGH）符合非達爾文過程（左上圖）的預測。
中科院北京基因組所PNAS發表史上最深度腫瘤基因組測序研究成果：發現海量的遺傳變異「淹沒了」腫瘤治療之效，引發腫瘤遺傳異質性形成的達爾文選擇和隨機突變之爭。
癌症及其治療的研究經歷了漫長的歷史，尤其是近幾十年在腫瘤生物學、診斷技術、藥物研發、基因組指導的個性化醫學等方面取得的進展，使部分癌症的治療和控制有了一定的成效。然而，2014年的調查表明癌症仍舊沒有得到有效控制。必須面對的現實是：我們對癌症的基本生物學問題還沒有足夠的認識，這其中包括腫瘤內部的異質性。雖然已經有大量的研究從基因變異、基因表達、表觀遺傳、細胞形態和行為等多層面闡述腫瘤異質性，對癌症的分型、臨床治療產生了很大影響。但由於無法全面解析腫瘤的異質性和亞克隆結構，一個具有百萬以上細胞數量的腫瘤的內部異質性和頑強性往往是被低估的，加上治療後容易產生抗藥性和發生轉移，給治療提出極大的挑戰。
在自然群體中，突變、遺傳漂變、遷移和自然選擇這幾種進化驅動力決定了自然群體的遺傳多樣性水平； 著名學者Peter Nowell於1976刊登在Science上的文章提出：正如自然群體一樣，腫瘤發生是受到以上幾種進化驅動力作用的體細胞群體演化過程。這使得腫瘤內部遺傳異質性（Intratumoral Genetic Heterogenetity：ITGH）的形成遵從經典的達爾文過程成為40年以來癌症生物學領域根深蒂固的觀點。更多的研究表明腫瘤內部的異質性會與患者的預後或生存相關似乎也表明ITGH很有可能受到自然選擇的作用。由於腫瘤群體演化過程中有很多問題很難回答：如從單個細胞祖先到具有106以上的後代腫瘤細胞群體，突變是如何積累的？腫瘤內部多樣性和克隆組成分布如何？為什麼治療之後復發或抗藥會經常發生？腫瘤轉移的速率大小如何，有沒有受到進化驅動力的作用等。研究ITGH形成的歷史過程和進化機制則變得難上加難。
中國科學院北京基因組研究所（簡稱：基因組所）的研究人員通過在一個肝癌切片上切取近300個樣品和近2000倍覆蓋度的基因組測序分析，揭示了腫瘤細胞中遺傳多樣性水平遠遠大於預期：一個直徑約3.5釐米的腫瘤中攜帶了上億個基因編碼區的突變，幾千倍於以往的估算值。由於高度的遺傳多樣性分布在10億甚至更多的腫瘤細胞群體中，成百上千的突變存在於較大克隆中（大於10000個細胞的克隆），而大部分的突變只在小於100個細胞的小克隆中出現。正如項目負責人吳仲義研究員所強調的：「由於具有這麼多的突變，即使經過積極的治療，極少數的腫瘤細胞能夠生存下來的概率是很高的，這些細胞可以增殖形成新的耐藥性腫瘤克隆。」該成果於2015年11月11日發表在美國國家科學院院刊。這項研究是對腫瘤內部多樣性程度最深入和徹底地探測，不但第一次刻畫了腫瘤的空間克隆結構，同時通過建立腫瘤細胞群體遺傳理論第一次對腫瘤的遺傳異質性水平進行估算（如圖一）。值得注意的是，這項研究還揭示了巨大的多樣性在群體中如此迅速和大量的產生，遠遠超出了達爾文進化過程（Darwinian process）的估計。這使得在進化領域從20世紀80年代開始、並持續了30年的選擇理論與中立理論的辯論「突然變得與醫學相關」。
日本遺傳學家木村資生在1968年提出進化生物學中著名的自然選擇-中性理論的爭論，他指出達爾文自然選擇對物種內部高度的遺傳多樣性作用甚微。事實上，即使是達爾文自己也對在自然群體中觀察到的多樣性表示疑惑。達爾文好奇的是：如果遊戲的規則是適者生存（適應性差的會減少），那麼為什麼在同一個物種中仍然存在這麼多不同的類型。木村資生提出了「分子進化的中性理論（Neutral theory或Non-Darwinian process）」。在非達爾文進化中，突變的隨機出現、散布或消失服從簡單的數學法則。中性主義可能強調最幸運者生存，但並沒有否認自然選擇的作用。好的突變是可能隨時出現的；而一旦出現，它會像野火般「燃遍」整個群體。燎原之後，只見燃跡，不見烽火（遺傳多樣性）。基因組所呂雪梅研究員表示ITGH形成的非達爾文過程並沒有完全否認達爾文選擇力在細胞水平上的作用，她們研究團隊甚至已經發現同一器官不同腫瘤之間的遺傳異質性形成過程受到自然選擇的作用。
文章的第一作者凌少平博士表示：「由於主流的腫瘤基因組研究過程中存在腫瘤組織取樣數目較少、所取樣品太大和測序深度太低、突變探測不準等缺陷，加之腫瘤細胞群體遺傳模型尚未系統地建立，科學家們很難真正估算ITGH水平和刻畫克隆空間分布，更無從推斷其是否受到自然選擇的作用。」他提到：能發現ITGH形成符合非達爾文過程是非常幸運的，這當然跟他們運用的蜂窩式取樣、極高深度測序、準確的體細胞變異探測和精細的群體遺傳學分析是分不開的。他感到更幸運的是該研究成果第一次使得ITGH變得在理論上是可計算的，同時也有可能使得非達爾文過程成為人們未來在研究腫瘤內部遺傳異質性的零假設」。
吳仲義研究員還強調：「這項研究所估算出的腫瘤的高度遺傳異質性也對腫瘤的臨床治療策略提出了明確的指示：高度的遺傳異質性表明腫瘤細胞群體中存在抗性突變的概率很高。因此，通常為迅速清除腫瘤細胞所採用的化療、放療等殺傷性很強的策略，不但可能失效，甚至由於主要克隆被滅活反而會助長抗性克隆的膨脹和發展。」腫瘤的發生本質上是體細胞進化過程，進化遺傳學和臨床醫學的交叉，無疑會給醫學問題帶來更多的啟示和解答。該項目的主要負責人吳仲義研究員和呂雪梅研究員都表示，以此為基礎進一步展開的理論或實驗上的研究，將會對臨床有非常重要的影響；同時他們也特別感謝這一次參與到這項研究中的北大腫瘤醫院的兩位臨床研究人員：田秀雲和郝純毅博士。基因組所胡正博士、楊祖玉博士和楊芳博士對此研究都付出了卓絕的努力，同時該研究得到了基因組所的測序中心、生物信息室和超算中心的鼎力支持。芝加哥大學、中山大學和臺灣遺傳多樣性研究中心都參與到這項研究當中。值得一提的是進化學界泰鬥李文雄院士對此研究提出了很多有益的建議並多次修改。該研究得到了國家自然與科學基金委重大研究計劃、中國科學院先導項目、科技部973項目的支持。
參考文獻：
Extremely high genetic diversity in a single tumor points to prevalence of non-Darwinian cell evolution, PNAS, http://www.pnas.org/content/early/2015/11/11/1519556112
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