【環球科技】
基因突變的演化樹不僅能揭示不同組織中致癌細胞的相互關聯性，還能揭示癌症的演化歷史。在癌症早期，某些致癌基因發生突變，似乎是導致原發性腫瘤以及轉移性腫瘤的罪魁禍首。針對早期發生突變的致癌基因研發的藥物，有可能成為癌症治療（原發性腫瘤形成早期和癌症末期）的關鍵。
未來，通過構建患者個人的基因突變演化樹，我們很可能會找到治療耐藥性癌症的策略。
1.生命之樹
長久以來，生物學家通過研究基因來了解「生命樹」的生長史。生命樹將地球上的所有生物聯繫起來——無論它們是狨（一種世界上體型最小的猴）還是微生物。我們所屬的「智人」就是這棵枝葉繁茂的演化樹上的一張葉片，在它旁邊的那些葉片則是各種類人猿。而人類的每一個個體又是由各種人體細胞構成的一個集合。
一般來說，這些細胞都共同遵守一個契約。在大約6億年前出現的第一批多細胞生物中，這一契約就已在反覆試錯的基礎上建立起來了。按照這個契約，如果多個細胞要在一起共生，就必須遵守以下基本準則：當細胞中的DNA受損時須及時進行修復；細胞是否繼續進行分裂繁殖須顧及相鄰細胞的意願；細胞須待在相應組織的特定位置。
通常情況下，那些導致細胞違反這些限制，開始不斷生長、擴散（惡性腫瘤細胞的標誌）的基因突變，可以通過細胞凋亡來消除。發生突變的細胞在發現自身問題後，會啟動自毀機制或在對身體造成危害前被免疫系統消滅。
然而在少數情況下，監測系統失靈，細胞中的基因突變不斷累積，腫瘤就會生長擴散。一棵惡性演化樹就此生根發芽。
研究人員已經知道，一些基因突變對腫瘤的發生（即原始腫瘤的形成）起著推動作用。然而，真正致命的卻是癌細胞的轉移性（即癌變細胞從原發性腫瘤中逸出，侵入健康組織，並在那裡產生新的腫瘤）。由於腫瘤學家認為，只有在細胞發生了進一步基因突變後，才會產生轉移性腫瘤，而且這些突變發生在原發性腫瘤發展階段的晚期，所以他們通常致力於尋找這些基因突變，將其作為抗癌藥物的作用對象。
2010年左右，由於技術的進步，科學家能夠以低廉的價格對人類基因組進行測序——即推斷基因組的鹼基（DNA的基本組成單位）序列。於是，多個研究機構的研究小組開始對腫瘤的基因序列進行全面研究。令人沮喪的是，研究人員發現，即使在同一個病人體內，腫瘤所包含的基因變異也多得讓人眼花繚亂。
然而，像我這樣的演化生物學家卻將多樣性視為寶貴的信息來源。我決定與耶魯大學及其他研究機構的同事一起，對這些基因突變之間的關聯性進行研究。我們對癌症病人基因組中表達的那部分（已知的、控制蛋白質表達並由此決定細胞特性的那部分DNA片段）進行了測序。我們還進一步利用這些信息，建立了與疾病相關的基因突變演化樹。該演化樹的分支向我們展示了，隨著癌症從初始的幾個腫瘤細胞發展成具有轉移性的怪物，腫瘤內部的基因在這一過程中是如何發生變化的。
2.神秘毒樹
我們的研究顯示，那些將原發性腫瘤與轉移性腫瘤聯繫在一起的枝幹，在病人的癌症樹中似乎大量地隨機出現，就像一棵神秘的毒樹的樹枝。更令人驚訝的是，演化樹的第一批分支可以出現在原始腫瘤內部。原發性腫瘤內的不同細胞，可能在初始腫瘤得到確診的多年前，就演化成更具侵略性的形式，而且發生擴散的遺傳機制也各不相同。
雖然這些發現很是駭人，但也給我們帶來了希望。這提醒癌症研究人員，與其專注於晚期突變，不如更關注原發性腫瘤（癌症樹的起源）中的早期基因突變。針對後者研發藥物，或許將增加癌症病人康復的概率。
數十年來，科學家一直使用一個線性模型來指導癌症研究。根據該模型，腫瘤的產生是由一系列特定基因的突變導致的。只有這些基因突變發生後，原發性腫瘤內部的一些細胞才會進一步發生一個或多個突變，獲得轉移的能力。如果我們能針對這些基因突變構建一棵演化樹，那麼這棵樹的形狀將有點像草：又高又直，只有一根主幹，葉片和種子生長在主幹上接近頂部的位置。
該理論與演化生物學家深諳的生物演化史並不相同。不間斷的基因突變與選擇，促使生物物種出現分化，產生儘可能多樣的遺傳品系，而非單一的均質種群。實際上，英國倫敦癌症研究所的馬可·格爾林根及其他研究者的早期研究顯示，即使在原發性腫瘤中，不同區域的腫瘤細胞都具有不同的基因序列。
2010年，我與我的實驗室成員（作者在美國耶魯大學公共衛生學院），及耶魯大學醫學院的病理學家戴維·裡姆、遺傳學家理察·利夫頓和藥物學家約瑟夫·施勒辛格一起，致力於回答在研究過程中發現的3個問題。第一，癌症的轉移是否需要一個或多個特定的基因突變，這些突變是否出現在所有病人中？第二，能否在多數基因突變累積起來之前，在原發性腫瘤發生的相對早期階段，就將轉移性品系從中分離出來？第三，如果在原發性腫瘤和轉移性腫瘤中發現多種突變，我們能否利用演化樹來估計突變發生的時間？回答出這些問題，我們就可以描繪出導致原發性腫瘤產生以及引起腫瘤轉移的遺傳軌跡。
3.毒樹之果
當時，我們並不知道，我們的演化學工具將會發揮多大的作用。裡姆從40位死於13種癌症的患者的原發性腫瘤、繼發性腫瘤及相鄰健康組織中提取了樣本。對於每一份樣本的基因組，只要是我們知道的在任何組織、任何時間表達過的基因片段，我們都會測定它的序列。我們在一個或多個癌變組織中，發現了數十至數千種異於病人體內正常基因序列（即生殖細胞系的序列，來自於最初的受精卵）的基因突變。
為了了解這些樣本之間的關聯性，我們實驗室的博士後研究員趙子銘（音譯，Zi-Ming Zhao）為它們構建了分子演化樹。這種樹狀圖原本是用來釐清人類與黑猩猩、大猩猩及紅毛猩猩之間的親緣關係，以及猿與其他哺乳動物、哺乳動物與鳥類及其他動物、動物與真菌、植物和細菌之間的關係。科學家通過比較這些物種在生物性狀（或其DNA序列）上的差異，將它們放置在演化樹上的不同位置。
然而，將這些技術應用於癌症並不簡單。通常，我們僅使用現有物種的基因序列來推測其祖先的相關信息。而在癌症演化樹中，我們知道癌細胞祖先的基因序列：它是從健康組織中獲得的生殖細胞系序列。如果不做任何改變，按照傳統的做法，應該把正常序列看作是一個「後代」種系，那麼由此構建的演化樹將不會反映我們所感興趣的歷史。於是，我們對這一經典方法做了一些改變，將健康組織的基因序列作為原發性和轉移性腫瘤細胞系的祖先，並據此構建出最可能解釋這一系列變化的演化樹。
重新調整過的演化樹給我們帶來了一些驚人發現。根據存在已久的線性模型，所有的轉移性腫瘤細胞都源自一個從原發性腫瘤中逸出，並擴散到其他部位的細胞系。如果轉移性腫瘤確實是這樣形成（即源自一系列DNA突變的最後一個突變）的，那麼，與原發性腫瘤的基因序列相比，繼發性腫瘤的基因序列應該與其他繼發性腫瘤更接近。
但我們觀察到的事實卻並非如此。當我們開始研究癌症演化樹時，我們發現，有些病人的原發性腫瘤與一些轉移性腫瘤的親緣關係較近，而與另一些轉移性腫瘤的親緣關係卻較遠。這一發現表明，在某一時間，原發性腫瘤內部變成轉移性腫瘤的細胞系有多個而非一個。實際上，在我們構建的高解析度的演化樹中，這種模式出現的概率超過了1/3。
4.演化樹與時間樹
經典的線性模型與實際數據不符，這讓我們感到很驚訝。我們的證據顯示，誘發癌症轉移的並非單一的罕發事件，早期發生的、導致腫瘤增殖的基因突變，也會提升腫瘤細胞系的轉移能力。
而且，對那些變成轉移性腫瘤的細胞系，我們無法將其轉移性歸因於任何單一的基因突變。除了那些已知的驅動腫瘤產生的主要基因（例如，幾乎在所有胰腺癌病人的原發性腫瘤中，KRAS基因都發生了突變），多名病人的轉移性腫瘤中並沒有發生特定的基因突變。實際上，在那些指向繼發性腫瘤的分支中發現的基因變異，與那些從未離開過原發性腫瘤的細胞系中的基因變異，並沒有顯著不同。在原發性腫瘤細胞中，基因突變之外的其他因素（如表觀遺傳變化，即DNA序列不發生變化但基因表達卻發生了可遺傳的改變），或細胞的微環境發生了變化，更有可能導致癌症轉移。
原發性腫瘤細胞中發生的表觀遺傳修飾（例如偶然接觸致癌物質導致的變化），可能增加細胞發生轉移的概率。細胞所處的位置也會影響它們的轉移性。例如，一些腫瘤細胞可能因為正好接近血管或淋巴管，就更容易擴散到全身，而其他具有相同基因突變的腫瘤細胞，則可能由於所處位置離血管或淋巴管較遠，而不容易發生擴散。這些可能影響腫瘤轉移的因素，或許與後期出現在我們的癌症演化樹上的基因突變關係不大。
搞清楚原發性腫瘤有時會產生不同的轉移性腫瘤後，接下來我們想知道，到底早在什麼時候，這些轉移性的腫瘤細胞系就開始出現差異了。我們的分子演化樹無法回答這個問題：這些分支的長短對應的並非實際時間，而是用以區分癌症各部分（如原發性腫瘤和轉移性腫瘤）的基因突變的數量。所以，演化樹不會告訴我們，一個腫瘤產生新的腫瘤所需的時間長短。
於是我們就想，是否可以使用演化生物學的另一項技術——時間樹，來了解人體內癌症的發展過程。不同於分子演化樹，時間樹中的分支長度對應著一個生物物種演化形成另一物種所耗費的時間。構建時間樹的原理是，先對比相關特性（如基因序列），然後將這些特徵與時間信息（如突變率）聯繫起來，進而讓科學家可以推測重要突變發生的時間。這種技術已用於化石數據的分析，比如，確定「寒武紀生命大爆發」（Cambrian explosion，指5.5億年前各種多細胞生物突然大量出現）的發生時間。
雖然我們沒有化石來校正個體一生中癌症的演化過程，但我們卻擁有更好的研究材料。在很多情況下，我們擁有屍檢之前的各種原始組織。我們還有每個病例的醫療記錄，能提供病人出生、診斷、活檢、腫瘤取出以及屍檢的日期，而這些日期則可以作為時間校正點。例如，癌症不可能發生在個體出生之前，而原發性腫瘤在確診之前就已存在於身體中。活檢及腫瘤取出時所採集的組織樣本，則給我們提供了癌症演化過程中各時期的快照。這些日期能讓我們推算出發生突變的速率。此外，我們還能找到放射科醫生發表的關於原發性腫瘤細胞分裂速度的數據（放射科醫生收集這些信息是為了估計放射療法中殺死腫瘤細胞所需使用的輻射強度）。
我們實驗室的另一位博士後研究員阿蒂拉·伊阿瑪裡諾利用所有這些信息，將分子演化樹變成了時間樹。我們第一次看到了，癌症是如何循著病人的生命軌跡演化的，還看到病人接受治療的時間長短是如何影響癌症演化的。據此，我們可以估算致癌基因突變發生的時間。對年輕病人來說，細胞癌變通常發生在確診之前的幾年內；而對年紀較大的病人來說中，這種突變則可能發生在幾十年前。
5.尋找突破口
通常，在癌症確診的多年前（有時甚至是數十年前），讓腫瘤組織有別於正常組織的第一個基因突變就已經發生了。同樣令人不安的是，我們在研究中發現，90%的病人在確診時體內就已存在至少一個轉移性腫瘤細胞系。在70%的病例中，這種惡性腫瘤的分支從主幹中分出來的時間，離原發性腫瘤產生的時間更近，而距離病人死亡的時間還有很遠。
得到這樣的結果，我們非常吃驚，因為這實在太重要了。那些後來變成轉移性腫瘤的細胞，與原發性腫瘤中其他細胞的基因差異，在癌症早期（無論是就演化階段還是時間而言）就已顯現出來了。實際上，這些基因差異往往早在原發性腫瘤得以確診前，就已經出現了。
我們本來希望找出誘發腫瘤轉移性的關鍵基因突變，作為藥物幹預的作用目標，但是，因為轉移性腫瘤細胞系的基因突變並無特異性，我們便把注意力從轉移性腫瘤轉向原始腫瘤的演化史。我們想知道，演化樹的主幹，也就是原發性腫瘤細胞的基因序列，是否在癌症的形成中起著特殊的作用。為了回答這一問題，我們決定弄清楚，發生在病人原發性腫瘤細胞中的基因突變，是否改變了某些與癌症相關的基因的功能。
結果確如所料。例如，著名的腫瘤抑制基因p53（抑制細胞增殖），就在很多病人的腫瘤演化早期發生了突變。原癌基因（proto-oncogene）KRAS也是這樣［原癌基因一旦發生突變就會變成促使細胞不斷分裂的致癌基因（oncogene）］。幾乎所有的胰腺癌患者都在KRAS基因的第12位點上發生了早期突變。
這類關鍵基因在癌症演化樹的根部頻繁出現，暗示著它們在腫瘤的發生及轉移過程中起著重要作用。我們推測，隨著與腫瘤發生相關的突變越來越多，腫瘤發生轉移的可能性就成了一個數字遊戲：癌細胞數量越多，它們就有更大的概率找到便於擴散的位點，或者發生表觀遺傳改變，從而獲得轉移性。
要弄清楚這些關鍵基因是如何影響腫瘤的形成和轉移概率，還需要進一步研究。即便如此，早期的誘發因素還是值得我們投入更多關注，因為針對它們研發的藥物，可能成為癌症治療的關鍵——不管是對於早期的原發性腫瘤，還是晚期癌症，都是如此。
6.清除癌症樹
最新臨床試驗已經證實，人類有可能利用自身免疫系統來殺死癌細胞。然而，腫瘤似乎針對藥物療法和免疫療法演化出了相應的耐受機制。癌細胞的耐受性是否像原發性腫瘤一樣，源於特定的基因突變？或者像轉移性腫瘤一樣，受微環境和其他因素的影響？目前，我們尚不知曉答案，但是癌細胞的演化樹將有助於我們弄清這一問題。
通過對時間樹進行研究，我們的發現，一些不那麼有名的、可能引發癌症的基因也發生了突變，但這些基因突變往往是在癌症後期發生的。也就是說，這些基因突變並不處於癌症樹的主幹，而處於分支位置，因此這些突變通常只出現在某些病人的腫瘤中，而在另一些病人的腫瘤中則不存在。所以，針對這類突變的療法雖然能消滅這些分支突變，但癌症樹的其他部分卻會繼續繁殖，危及病人的生命。我們相信，如果醫生能在使用這類藥物的同時，輔以殺死其他種類的癌細胞的療法，就能事半功倍。
從另一方面來講，如果一種藥物針對的是一個存在於所有腫瘤的早期突變，隨著含有特定新突變的癌細胞增殖，癌症可能會對該藥物產生耐受性。美國耶魯大學醫學院的病理學家凱特琳娜·波利蒂及同事發現，發生在EGFR基因［另一主要的致癌（特別是肺癌）基因］上的突變，對癌症耐藥性的產生起著重要作用。為了搞清楚癌症病人在接受治療時，癌細胞為什麼以及如何產生耐受性，我們的研究小組再次使用了演化生物學技術。我們構建了病人的癌症樹，尋找導致耐藥性腫瘤（復發性腫瘤）的基因突變。令人鼓舞的是，我們的初步研究顯示，耐藥性的產生似乎的確是由病人接受治療導致的基因突變引起的。
現在，每年都會有許多新的針對特定基因突變的抗癌藥物上市，傳統化療、放療和免疫療法相結合的複合療法也表現出了越來越大的潛力。腫瘤學家不再將一種癌症看作是可以一概而論的疾病。而是認為，每一個病例都有其自身的特點。研究病人個體的基因組，將會對未來的癌症治療產生巨大影響。為了更好地利用這些新工具，腫瘤學家必須成為真正的演化生物學家，只有這樣，才能通過檢測每位病人癌組織中的基因突變，制定有效策略，摧毀癌症樹的根源和分支。
（作者：傑弗裡·P·湯森，系美國耶魯大學公共衛生學院生物統計學副教授和耶魯大學的生態學及演化生物學副教授 翻譯：趙瑾）
（本版由《環球科學》雜誌社供稿）