癌症基因组总览概要

1、癌症基因组总览 （Cancer gene landscape）在过去的这些年中，大面积的测序的努力解开了基因组中人类癌症的面纱，对于 多种类型的癌症，这个基因组的概况包括一些小的突变（肿瘤中经常出现的那些基因 变化）和一些大的“山”（不经常出现变异的那些基因）。现在，这些研究揭示了超 过 140 个基因的变异，这些基因内的变异可以促进或者诱导肿瘤发生。一个典型的肿 瘤包括 28 个这样的基因突变；剩下的突变是一些通路上没有生长选择性的基因。促 癌基因可以被分为 12 个信号通路，这些通路调节了 3 个核心的细胞程序：细胞衰老、 细胞自救和基因组修复。对这些途径的更好的理解是癌症研究基础上必须完

2、成的程序 之一。甚至现在，我们对于癌症基因组的理解完全足够在更多的更有效的途径上解决 癌症的发生率和致死率。十年以前，对于测定癌症中所有基因的变化情况的设想好像一个传说。现在，像这 种通过外显子或全基因组测序技术对基因组范围上的分析已经传统化了。在以前的典 型的癌症外显子的研究中，测定 20 个肿瘤的价格大约至少在 1000000 一次。现在像 这种测序已经降到了 100 发廊，并且一次报道 100 个肿瘤样本的一个已知基因的测序 已经成为了标准。虽然现在能够获得大量的数据，但是对这些信息意义的破译仍然是 一种挑战。这里我们回顾一下从这些数据中获得的一些肿瘤基因组的信息，更重要的 是这些信息教

3、会我们的什么事癌症什么是癌症治理的将来。到底有多少基因在典型的人类癌症中悄悄的发生了突变？在常见的固定的肿瘤中如源于直肠、乳腺、大脑、胰腺等大约 33 到 66 个基因表现 出微妙的体细胞突变，这些突变当然可以改变他们所表达的蛋白产物，大约 95% 的这 些突变是单碱基替换（如 C-G 的替换），剩下的就是删除或者插入少数的一些碱基（如CTT变成CT）。对于这些碱基的突变，90.7%的结果是导致错义突变，7.6%是导致了无义突变， 1.7% 是导致了剪切位点或者非编码区直接变成了起始或者终止位 点。确定了的肿瘤类型表现出了比正常水平更多或者更少的突变位点，值得注意的 是，某些例外的如黑色素瘤和

4、肺癌，这两种包括超过 200 个非同义突变，这些大批量 的突变反应了这些突变机理中那些强的突变剂的不断加入（如紫外线、吸烟等等）。 因此，吸烟者的肺癌的患病概率比那些非吸烟者的要大出 10 个点。那些基于 DNA 修 复缺陷的肿瘤是两外的一种个例，例如，具有错配修复缺陷的肿瘤能够产生数以千计 的突变，甚至超过了肺癌和黑色素瘤的突变量。近些年的研究表明 DNA 聚合酶 POLE 和 POLD1 的矫正区域的基因变异也可导致大量的基因突变的产生。在这些大的突变的 背后小儿科的肿瘤和淋巴细胞瘤也储存了一些重要的突变点：大约每个肿瘤在9.6。基于这些的考虑如下：突变时间这些突变是什么时候开始的？肿瘤的

5、生长是积累了长期的大量的变异之后才发展出 来的产物，对于这个问题在结直肠癌的研究中给出了很好的验证。首先，或者说入 门，是突变提供了一个有利于表皮细胞选择性生长的机会，让它周围的细胞过渡生长 为显微镜下可见的小点，看家基因的突变经常发生在APC 基因上。由突变导致的这个小的腺体的生长是非常缓慢的，但是另外一个基因的突变如KRAS基因，就会导致又一轮的生长，使细胞的个数增加。带有APC基因突变的那些细胞仍然存在，但是相比于两个基因都突变的那些细胞的数量来看是非常稀少的。这个突变过程被一直延续下 去，接下来还有 PIK3CA/SMAD4 和 TP53 基因的突变，最终导致一个可以穿过肌层细 胞膜转

6、移进入淋巴结核较远组织如肝脏组织的恶性肿瘤。那些会使细胞像非选择性的 快速生长的突变称为促癌突变。已经被确定了的事实是这些促癌突变中的一个对细胞 无选择性生长的促进作用是非常小的，大约在 0.4% 作用于细胞的衰老和生长。经过很 多年，这些微小的增长混合一到两次 每星期，最后能变成很巨大的数量，包括上亿个 细胞。在自我更新的组织中，有一定数量的突变，这些突变与年龄直接相关。当用线性回 归分析时，这种相关性暗示了大部分体细胞突变的肿瘤出现的前期；也就是，在正常 细胞生长的同时，如胃肠道细胞的补充、泌尿生殖系统的更新、表皮细胞的换代和其 他自我更新的组织中。所有的这些肿瘤之前的突变是过路基因的突变

7、，是那些对细胞 生长过程没有作用的突变。这些结果证明了为什么一个结直肠癌的突变在90 岁患者体内是 45 岁患者体内突变的二倍。这个发现也部分的证明了为什么脑癌和胰腺癌中的突 变少于结直肠癌中的突变的原因。因为脑中的神经胶质细胞一般不会更新换代，不像 上皮细胞作为直肠的储存单位。因此，胰腺和脑癌中细胞的入门基因的突变也少于直 肠癌原始细胞中的突变。这个结果也解释了为什么小儿的癌症中的突变少于成人肿瘤 中的突变。小儿科的癌症经常出现在非自我更新的组织中，并且那些自我更新组织中 的癌症初始细胞在组织中的扩增速度也小于成人的。另外，小儿的肿瘤，像成人的白 血病和淋巴瘤，也相应的没有成人的固定肿瘤的增

8、殖快。白血病病人的基因组测序得 出一个结论即基因突变是一个随机事件在正常的原始细胞在他们得到一个原始突变之 前。当肿瘤发生时剩下的体细胞突变会发生吗？因为突变在肿瘤中出现的概率是可预期 和计算的，所以体细胞突变的数目就是一个时刻表，就像应用在进化生物学中的生物 钟一样决定了基因分开的时间。突变的数量已经在不断的在结直肠癌和胰腺癌发展的 过程中被标定。对这些数据应用进化钟模型导致了两种模糊的结论：第一，会花很长 的时间去扩增和转移肿瘤；第二，事实上所有的突变都已经先发的肿瘤细胞中出现 了。突变发生的时间与我们懂得转移的时间有关，转移是大多是癌症患者死于癌症的 标志，先发的肿瘤可以用外科手术切除，

9、但是残留的转移性的创伤经常会不可预测并 且扩散，剩余的那些具有扩散性的细胞会不断扩大直至牵连到肺脏、肝脏等器官的功 能。从基因的角度说，这看起来像突变使得原始的癌细胞变成了侵蚀性的细胞，就像 突变把正常细胞变成肿瘤细胞或者从良性变成恶性肿瘤一样。尽管加强努力，但是， 组成型基因的改变使癌症彼此分开还是从一个恶性的肿瘤转移到一个良性的肿瘤上仍 然需要研究确认。一个具有潜力的解释提出突变或者基因表型的改变是很难鉴定的，用现在的技术。 另外的解释是转移性肿瘤还没有被足够的细致的鉴定出这些基因的改变，尤其是这些 突变在自然状态下是非常混杂的。但是另外一个可能的解释是根本没有可转移的基 因。一个恶性的原

10、发肿瘤能用很长的时间转移，但是这个转移的过程完全可以用随机 的概念来解释。晚期肿瘤会向循环血中释放大量的肿瘤细胞每天，但是这些细胞的生 命周期都是正常的一半，并且只有一小部分能建立转移机制。可信的是，这些循环中 的细胞可以随机的定植在某些器官的外周血管床上为自己创造一个合适的微环境用来 增殖。原发肿瘤越大，则它的转移可能性越大。在这个过程中，原发肿瘤的不断进化 反应了现在的利益要大于长远的利益，转移部位的生长不依靠外加的基因变异的观点 也被最近的实验结果所证实，甚至在正常的细胞中，当正常的细胞放在一个适宜的环 境中的时候，例如放在淋巴结 的环境下，也能长成一个具有功能脉络系统的器官来。 肿瘤中

11、基因变异的其他类型虽然肿瘤中某一点的突变和正常细胞的突变相似，但是染色体的变异率在癌症中是 升高的。因此，大多数的固定性肿瘤在染色体上表现出扩散的变异，即缺失、倒置、 置换以及其他基因上的变异。当大部分的染色体被复制或者删除，那么在人色提上寻 找那些特异性的促进或者抑制肿瘤细胞生长的目标基因就显得非常困难。在染色体异 位、纯合子缺失、基因复制的情况下目标基因能够很容易的被找到。异位一般的融合 两个基因来创造一个致癌基因（例如，慢性髓细胞白血病BCR-ABL）,但是有一小部分情况下，异位能使抑癌基因失活通过使抑癌基因与它的启动子截断或者分离。同源 染色体的缺失经常带有一个或者几个通常以抑癌基因为

12、目标的调控基因。复制包括一 个致癌基因，这个致癌基因的蛋白产物在肿瘤细胞中为 10-100 的拷贝而在正常细胞中 只有 2 个拷贝。很多实体瘤有一大堆的异位；但是和点突变一样，这些异位大多发生 于过路基因而不是原癌基因。异位的断点大多出现在基因沙漠也就是鲜为人知的区 域，而且很多异位和同源缺失与染色体脆弱的部分相邻。癌细胞可能更容易修复这些 染色体的破碎点比正常细胞，因为他们能持续的突变使 TP53 这样的能够正常诱导细胞 凋亡进而修复DNA损伤的基因失活。现代的研究表明，可能大致有 10倍的或者更少 的基因被染色体变异所影响比那些点突变。下图表示的是基因变异的类型和影响，对 五种现有的肿瘤类

13、型中的蛋白编码基因。能够编码蛋白表达的基因大约在1.5% 左右，在非编码区的变异数量比编码区变异的数量成倍关系。大部分非编码区的变异可能是 “passenger ”，这些非编码区，像癌症中很多外部的可变因素一样，下文将讨论这些 问题。驱动基因和诱导基因的突变虽然从生理学手段鉴定一个驱动基因突变很容易（就是那些能够产生有利于癌 细胞增生的基因），但是要鉴定一个体细胞的突变是驱动基因突变还是诱导基因突变 还是很困难的。除此之外，指出到底什么是驱动基因突变和诱导基因突变是非常重要 的。驱动基因是那些带有驱动基因突变的，但是驱动基因突变也会伴随着诱导基因的 突变。例如，APC基因是一个非常典型的驱动基

14、因，但是只有那些在N端将表达出的蛋白截断的突变才是驱动基因突变。错义突变遍布整个基因，同时发生在C端1200氨基酸残基的蛋白截断突变才是诱导基因的突变。很多统计学方法应用于鉴定驱动基因的描述中。一些是基于一个独立的基因的 突变频率与其他在相关的或者相同的肿瘤中的基因相比在消除背景影响和基因大小后 得出的。其他的一些方法是基于预测突变对蛋白编码的影响，像通过生物物理学来推 断蛋白变化的方法。这些方法对那些在突变后会导致选择性有利于增殖的基因是非常 有用的。当一个基因中的突变数量非常高的时候，像TP53和KRAS,任何统计学方法都会认为这个基因是驱动基因。这些高频突变的基因被称为“山”。不幸的是，

15、不止 一个具有较少突变的基因对癌症基因组具有控制作用。在这种情况下,那些基于突变 频率和相互关联的方法就不能可靠地说明哪些是驱动基因了,因为背景频率在不同患 者和不同基因组区域的变化太大了。近期对正常细胞的研究表明,突变变化的比率在 基因组中要超过 100 个不同的突变。在癌细胞中,这种变化会更高,并且影响到整个 基因组区域的随机组合。这样,基于突变频率的方法只能更深入的去研究基因的定 义,但是不能用来判断那些突变频率低的就不是驱动基因。更复杂的事情是驱动基因有两个更深层次的意义被用于肿瘤学。驱动基因和诱 导基因理论被用来判断不同的突变,称为选择有利于增殖和其他那些非有利于增殖的 突变。根据这

16、个定义,不带有驱动基因突变的那些基因不是驱动基因。但是很多包含 少的或者不包含驱动基因突变的基因在癌症学中被定义为驱动基因。这包括那些过表 达、低表达、在肿瘤中具有外部性质的或者那些增强、抑制某方面肿瘤发生等的基 因。虽然这些基因的子集确实在增殖过程中扮演了重要的角色,但是把他们都归类为 驱动基因是很容易混淆的。为了协调驱动基因的这两种含义,我们建议将那些可能导 致肿瘤增长的基因划分到突变驱动基因或者表型驱动基因里。突变驱动基因含有足够 的驱动基因突变的数量或者类型来将他们与其他基因分开。表型驱动基因是那些在肿 瘤中表达异常但是不经常突变的,他们的变化是通过 DNA 甲基化或者染色体修饰完成

17、的。一个机遇比率的方法来鉴定和划分突变驱动基因在突变频率中,对突变的矫正,基因的长度或者其他参数,不能可靠地证明突变驱 动基因,那么什么样的方法可以呢？我们的经验是,鉴定突变驱动基因最好的方法是通过它们突变的形式而不是通过它们突变的频率。突变的类型在已经成熟的致癌基因 和抑癌基因中已经被很好的确认了，并且具有非随机性。致癌基因经常突变在同一个 氨基酸位点上，而抑癌基因通常在蛋白剪接的变化上发生突变，从而改变它自身的长 度。基于这些突变类型，我们能确定404863个突变位点中18306个突变基因为突变驱动基因，或者它们的功能是致癌基因还是抑癌基因。为了鉴定一个致癌基因，我们 简单的需要一个大于

18、20%的报道的在这个基因中的突变是高频突变位点和错义突变类 型。而鉴定一个基因是抑癌基因，则需要一个大于20%的关于这个基因突变的报道是失活突变。这个20/20的规则已经非常宽泛了，因为很多已经研究透彻的基因远远超 出了这个范围。下面的这些例子很好的证明了 20/20规则的价值。当IDH1基因的突变首次在脑瘤中被鉴定出来，他们在肿瘤发生中的角色尚未知。 之前的一些功能上的研究发现这个基因是一个抑癌基因，并且这个突变导致了它的失 活。但是，这个基因近乎所有的突变都在同一个氨基酸密码子上，用20/20规则来评定的话，IDH1基因是致癌基因的可能性要大于抑癌基因，并且这个结论最终被实验所 验证。另外

19、一个例子是 NOTCH1基因上的突变，一些功能学研究证明NOTCH1是一个致癌基因，而另外一些证明它是一个抑癌基因，这个情况可以由20/20规则来区分NOTCH1在癌症中的突变。在液态瘤中，像白血病和淋巴瘤，这些突变经常出现在同 一位点并且没有发生蛋白的截断；在鳞状细胞癌中，这些突变不是高频出现而且经常 使蛋白失活。这样，这个基因的数据很明显的暗示了NOTCH1基因在不同的癌症类型中具有不同的功能。一个基因具有完全相反的功能在不同的细胞类型中的理论在理解 细胞信号转导上非常重要。有多少突变驱动基因出现？虽然20000个蛋白编码基因已经在对 3284种肿瘤中进行了全基因范围的测序研究 评价，报道

20、的总突变数为 294881，只有125个突变驱动基因被2020规则鉴定出，其 中71个为抑癌基因，54个为致癌基因。这些基因的一个相关的重要部分是它们被全 基因组范围的测序所鉴定，其中大多数是以前就鉴定出的。至U底有多少突变驱动基因还没有被发现？我们相信我们到了一个瓶颈期，因为在不 同的肿瘤类型中一些突变驱动基因不停的被发现。例如，MLL2和MLL3突变经常在成神经管胶质瘤中发现，并且在非霍奇金淋巴瘤、前列腺癌、乳腺癌和其他类型的肿瘤 中被频频检测到。相似的，ARID1A突变在卵巢明膜细胞癌中首次被发现，但是也经常在其他几种器官的肿瘤中被发现，包括胃癌和肝癌。在近期的研究中几种类型的肺 癌，差

21、不多所有重要基因的突变都被鉴定出来了。换言之，经常突变的那些突变驱动 基因已经达到了饱和状态。更多的山将被无意的揭开，但是这将在不常见的肿瘤类型 中去深入讨论。那些新发现的突变驱动基因被全基因组范围的厕所所发现。例如大约一半以上的这些基因编码那些直接调控染色体的蛋白，通过修饰组蛋白HIST1H3B和H3F3A，同时通过调节蛋白 DNMT1 和 TET1 ，这两个蛋白共价修饰 DNA、EZH2/SETD2 和 KDM6A, 这样甲基化或者去甲基化组蛋白。这些发现的深层含义是表观遗传发生变化理解的重 要手段。在编码 mRNA 剪接因子的基因中突变的发现，例如 SF3B1 和 U2AF1 的发现也

22、非常震撼，这些基因中的变异被基于期望来引起大量的非特异性细胞的压力相对于提 起特殊的肿瘤类型来说。再有一个例子是相互作用蛋白ATRX和DAXX的突变，带有这些基因变异的肿瘤都有一个特殊的端粒延长功能，被称作“ALT” （控制端粒的长度变化），虽然ALT的表型被研究了很多年，但是它的基因型在发现这些基因变异和与 ALT 非常好的相互作用之前一直是个迷。最后的一个例子是 IDH1 和 IDH2 ，它们的突 变可以促进肿瘤的新陈代谢，并且在实验胚胎学中具有强大的吸引力。表中列出的突变驱动基因可以被微小的突变所影响：碱基的替换、基因内的插入 或者删除。根据上文所述，突变驱动基因也能够被大的变化所改变，

23、例如，异位、扩 增和大片段的缺失。和点突变相比，将这些突变引起的突变驱动基因与那些只有诱导 突变基因区分开是很困难的。那些不是点突变的基因，但是重复出现或者纯合缺失的 又或者遇到其他规则变成扩增子或者纯合子里的唯一一个基因在表中列出。这加入了 13 个突变驱动基因，其中 10 个致癌基因被扩增， 3个抑癌基因纯合子缺失。在今天发 现的 138 个驱动基因中 125 个驱动基因被微小的突变所影响。异位为驱动基因的划分提供了相似的挑战。一个重要的发现与这个相关的是染色体 变异，一个非常少见的突发事件，包括一个或者少数的几个染色体在所有的染色体中 的重排。这将使因果关系的推论变得复杂化，同样的错配修

24、复中的点突变也缺乏相应 的解释。但是，从全面来讲，在完全不同的肿瘤类型中所发现的所有的融合基因列在 了表中。事实上所有的这些基因已经被发现通过传统手段在全基因组测序之前，还有 一些例外的也在参考文献中列出。这些异位中的大多数是在液态肿瘤和间充质细胞中 发现的，并且已经开始了核型分析的鉴定。一个相对少数的重复出现的融合，非常重 要的包括ERG在内的前列腺癌和肺癌中的 ALK，已经在很多常见的肿瘤中被描述。那些倾向于癌症的从家系遗传中获得的基因的出现，但是在癌症中没有体细胞突变 出现的基因，这些基因一般不参与选择性有利于增殖的过程当它们不正常的时候，但 是它们从间接的途径促进肿瘤的生长（例如促进细

25、胞基因组的稳定性，后续会讲 到）。全面来讲，这些基因和这些基因的遗传性状和它们的功能列在表中。暗物质经典流行病学研究发现实体瘤通常需要 5 到 8 天的“加热”，现在对这个 的解释改 变了，驱动基因的出现和发展促进了肿瘤的增殖过程。这个数据与分子遗传学数据是 否相符呢？在儿科肿瘤中，如成神经管细胞瘤，驱动基因的突变数是很低的（2到 0 个），与上述讨论所预测的一样。在通常成年人的肿瘤，如胰腺、结肠、乳腺、脑癌 中驱动基因的突变数通常会增至 3 到六个，但是很多肿瘤只有一个或者两个驱动基因 的突变。怎么解释这个现象呢？给出一个大家都能接受的概念，那就是肿瘤发展和转 移需要大量的有序的遗传获得性突

26、变，通过无数年的发展？首先技术观点认为是一些“缺失突变”。全基因组测序还不完美，至少以现在的技 术来看。基因组上的一些区域没有得到很好的分析，因为测序难以扩增、捕获或者确 定的图谱这些基因组。第二，给予一个给定的基因上特殊核苷酸片段的观察太多，从 而使某些片段随机性的漏掉。最后，主要的肿瘤包含的不仅仅是增生的细胞，还有那 些冲淡了突变的碱基信号并更深的降低了突变被找到可能性的基质细胞。那是什么样的突变部分被这三种技术观念所遗忘了呢？近期对胰腺癌的一些研究对 这些问题提起了注意。 Biankin 等，用免疫组织化学和遗传学分析寻找一个被增生了的 原始肿瘤的位置。他们用高通量平行的测序来分析这些样

27、品的外显子，然后与一个之 前用 Sanger 法测序鉴定过的有希望称为原始肿瘤的胰腺癌细胞系和异种移植物的测序 数据进行比对。预期的 251 个突变驱动基因中只有 159 个被鉴定出在原始肿瘤中发生 突变，只用二代测序检测的情况下，说明假阴性率为 37% 。肿瘤中增生细胞的全基因 组分析没有仔细的评价因为它们的假阴性比率会更高。再者，这些技术性的问题使全 基因的分析比外显子的分析更加恶化，因为测序的覆盖率前者比后者更低（全基因组 为 3 重，外显子为 100 重）。概念的观点依然限制着驱动基因发现的数量。事实上所有的研究，无论是在全基因 组还是全外显子组水平，都聚焦在了编码区域上。原因是因为实

28、践，鉴定驱动基因的 突变已经非常困难了，当它们能够使表达的蛋白改变。试着探讨基因间和内含子的序 列突变会难上加难。基于对少数单基因遗传病病人的突变分析，超过 80% 的突变是由 编码区的分析得出的。但是仍然留下了某些无法鉴定的区域“暗物质”，甚至在家系 基因组的遗传层面上，这些通常比癌症的体细胞突变更易于理解。给这种暗物质一线 光明的研究最近发表出来了： TERT 基因启动子区经常发生相同的突变，这个基因编码 了端粒酶的催化亚基，这个突变表现出了能够调节其转录的能力。突变驱动基因不同于表中所列出的那些无疑的成为后续基因组水平测序研究的重 担。但是，基于这种研究趋势，大多数的突变驱动基因将成为“

29、山”，在那些不常见 的肿瘤类型或者小山在常见肿瘤类型中；这样，这些基因将不被认为是假定暗物质研 究的阻碍。其他类型的暗物质也能够被预测到。拷贝数的变化在癌症中很常见，无论 在全染色体还是亚染色质水平上。这些变化能够不明显的改变驱动基因的表达。近期 的研究认为漏掉带有一些列抑癌基因的一个拷贝的染色质都将导致肿瘤的选择性增 生。最明显的暗物质的来源是表型驱动基因。人类肿瘤包含大量的外基因改变影响 DNA 或者染色质蛋白。例如，近期对结直肠癌的研究表明超过 10% 的蛋白编码基因被不同 程度的甲基化当与正常的直肠表皮细胞相比。这些变化中的一些更像是提供了肿瘤选 择性增生。例如， CDK2NA 和 M

30、LH1 基因的沉默比突变失活更常见。但是这是一个重 要的遗传和表观遗传改变之间的不同现象。与给定基因测序不同，甲基化是具有可塑 性的，在不同的细胞类型、细胞分化阶段、病人年龄段中不同。原始细胞的甲基化水 平是否引起肿瘤的增殖目前尚未确定；这些细胞，如正常的干细胞，只是正常组织中 很小的一部分。这种相关性也说明甲基化可以在微环境条件下发生改变，如那些低营 养浓度或者不正常细胞接触相关的条件。因此想知道特定的表观遗传学的变化能否引 起癌细胞的反应比促进癌细胞增殖的变化更加困难。区分表观遗传学变化和表观遗传 学变化促进者的规则还没有制定出来。给定的表型驱动基因更倾向于构成暗物质的一 部分，更深入的研

31、究是非常必要的。遗传异质性在途中描绘的突变是无性繁殖的；它们出现在大多数的肿瘤增生细胞中。但是对亚 种突变的分析对理解肿瘤发展更加重要。四种类型的遗传异质性与肿瘤的发生发展相 关：肿瘤内部的：一个肿瘤中不同细胞间的遗传异质性。这种类型的异质性已经被 确认很多年了，例如，很少有对一个实体瘤细胞发生学的研究，因为这些细 胞都具有同一个核型。对于单独的基因来说这种现象也同样存在，近期通过 基因组水平的观察发现。这种类型的异质性肯定会出现：一个正常或者肿瘤 细胞每次分裂都会带上一些突变，这些突变可以作为将两个细胞与他们的上 级细胞区分开的标志。大的肿瘤两面的细胞是很明显的分开的，大致来说会 表现出比临

32、近细胞更多的不同之处。这种现象类似于物种形成的过程，同一 个岛屿上的物种彼此之间会比不同岛屿上的相同物种之间的相似性更大一 点。在通过全基因测序分析后的肿瘤内部异质性的分析得出大部分为遍布肿 瘤细胞的体细胞突变，这些变异来自体细胞进化树。哪些突变对这些分支的 形成是重要的呢？从医疗角度讲这些突变是无意义的，因为那些原始的肿瘤 细胞已经被外科手术切除了。有多少异质性出现在外科手术切除之前的分支 上？也许这个异质性提供了内部转移异质性的种子，这个对临床来说是具有 重大意义的。内部转移：在同一病人的不同转移系之间的异质性。大多数的癌症病人死于他 们的肿瘤在转移之前没有完全外科切除，例如肝脏、脑、肺或

33、者骨。单转移 系复发的病人可能通过外科手术和放疗能够治愈，但是单转移是规则的一个 特例。一个典型的病人在临床上会具有很多的转移系，并且肿瘤基本到了图 像可见的程度，但是很多情况下肿瘤大小小于这个程度。如果每个转移系在 单独的病人体内发现在一个细胞上出现了与众不同的基因组成，那么化学疗 法将更有可能达到治愈的效果：摧毁一个转移系子集还是一个长远的拯救计 划。有多少遗传异质性在不同的转移系之间？简单的说，很多。在一个转移系 里有 20 个拷贝的基因改变在不同的病人之间是非常常见的。因为他们在不 断的复制，这些突变通常出现在转移细胞的上级细胞；也就是说，从原始肿 瘤细胞中逃离并转移复制的那些细胞。不

34、同转移系的上级细胞在不同的距离 较远的区域出现。这个潜在的灾难性的情况被诱导突变基因的异质性所限制 而得到缓和。大多数的研究发现遗传异质性在肿瘤转移中的程序，突变驱动 基因出现在进化树的树干部分，这个推断已经被证实。这些发现与上述讨论 内容相一致，即基因上的改变对转移来说是必须的。这个数据与病人对目标 制剂的反应相一致，这个反应对大多数的转移来说是常见的。转移系内部：在相对独立转移的细胞间的异质性。任何一个转移系都起源于一 个细胞和它的上级细胞。在它生长的过程中，转移系得到了新的突变从每个 细胞的分裂中。虽然上级细胞中的突变易受靶向药物的影响，但是新得到的 突变成了产生抗药性的一个种子。与初始

35、的肿瘤不同，转移系不能被外科手 术切除，必须进行系统的治疗。而病人对目标性的治疗总是出现复发的情 况，大多数最初的转移出现复发的时间在患者中都极其相似，这种复发时间 上的相似性可以用目标性治疗之前获得的抗药性突变来解释。统计显示任何 一个在医疗图片下能观察到的转移系都有上千个细胞，它们事实上已经具备 了抵抗你所能想象的任何药物。因此，复发只是一个时间早晚得问题了，完 全可以根据已知的突变频率和肿瘤细胞生长比率来推算它复发的时间。这个 既定的事实原则上是可以用广义的药物避免的，它与一个肿瘤细胞抵抗大多 数药物在不同的靶标上是不同的。患者间：不同患者间的肿瘤的异质性。这种类型的异质性已经被所有的肿

36、瘤学 家观察到了，没有任何两个患者会使用相同的临床特征，在治疗或者尚未治 疗之前。这些不同的原因可能来自于患者的影响，比如说家系间的不同已经 决定了一半的用药原则，如患者的血管和细胞的通透性等，再有就是非遗传 的一些因素。但是，大多数的这种患者间的异质性是与体细胞突变相关的。 虽然数十个体细胞突变会出现在两个病人的乳腺癌中，但是只有少数在相同 的基因上，而且在大多数情况下这些基因是突变驱动基因，甚至在这些驱动 基因上的突变位点事实上也是不同的。突变可以改变蛋白质上不同的功能结 构域，这些改变是难以预测的，实验证实它所造成的细胞功能的改变也是难 以预测的。虽然有时候不同的突变看起来在相关联的密码

37、子上出现会有相同 的影响，但是对不同的病人进行深入研究发现这不是事实。例如， KRAS 上的Gly12 Asp12突变（G12D ）和G13D突变就有不同的临床意义。患者间 的遗传异质性通常是设计广泛的相同的癌症有效疗法的最主要障碍之一。个 体化治疗的努力必须基于患者的癌症基因组的知识和对这种遗传异质性的评 价。肿瘤中的信号通路巨大且复杂的癌症基因组综上所述使人觉得有些迷茫。毕竟一些晚期的肿瘤也没有完全的失去控制，这个被 BRAF突变和ALK突变的靶向药物的戏剧性的反应所证实。即使短暂，这些反应意味着只用一种突变基因产品就足够组织癌症的发展。那 么复杂的癌症基因组如何解释这些临床现象呢？有两个

38、观点与之相关，首先是上文所述的肿瘤变异中超过 99% 的变异是与肿瘤增 殖无关的。它们只是一些标志着成功分裂扩大的时间的标记物。正常的细胞随着它 们分裂也同样经历着遗传改变，核酸和染色体水平上都有。但是，正常细胞还经历 细胞凋亡来作为对这些变异的反应，也许是抵抗癌症的一种保护机制。于此不同的 是，癌细胞进化成了能够忍受基因组复合物上基因的突变，通过对一些基因突变的不断积累如TP53。因此，基因组复合物是造成癌症的原因之一。为了领会第二个概念，我们必须站在宏观的角度上分析，一片丛林从陆地角度看 肯定是杂乱不堪，但是如果从空中观察那么就会显得很清楚很有规则，动物们寄居 在溪流边每天在固定的时间出现

39、，所有的小溪汇聚到一条河中。当然在癌症中也有 这样的规则。在 138 个驱动基因上的突变都导致了一个后果，那就是它们都有促进 肿瘤增殖的效果，不管是直接的还是间接的。另外，它们只出现在有限的几个细胞 信号通路中来促进细胞增殖。所有已知的驱动基因可以划分到 12个通路中。这些通路中信号分子的发现是生 物化学研究的重大成就，是生物化学、细胞生物学以及癌症领域研究者的一个重要 的礼物。这些通路自己形成了三个核心的细胞程序：1 ） 细胞衰老：大量的研究证实细胞分裂和分化的关系是相反的，主宰着细胞 衰老的过程。分裂的细胞负责正常组织的细胞数量，不再进行分化。新生 的药物是基于这个区别将把已分化的细胞去分

40、化成干细胞作为基础，然后 促使这些干细胞再分化成有用的细胞类型来再次转移到患者体内。癌症中 很多遗传学变异抛弃了分化和分裂的平衡，顺利的成为了后者。这就导致 了选择性增殖，因为分化的细胞最终会死亡或者静止。行使这种功能的信 号通路包括 APC/HH/NOTCH ，这三种信号通路都是已经研究透彻的与细 胞衰老相关的信号通路，它们存在于蠕虫到哺乳动物。编码染色质修饰酶 的基因也被包括在这类通路中。在正常的发展过程中，从分裂到分化的遗 传改变不是由突变决定的，但对于癌症，相反的通过表观遗传来改变和影 响 DNA 和染色质蛋白。有没有更好的办法来颠覆这种正常的机制来控制 组织的构建而不是削弱表观修饰机

41、器本身呢？2) 细胞生存：虽然癌细胞不正常的分裂是因为细胞自主突变，如那些控制细 胞衰老它们的基质细胞很正常不会反复移动。这种不对称最明显的衍生物 是肿瘤中不正常的脉管系统，与已经安排好的正常组织中控制营养物质浓 度血管和淋巴网络相反，肿瘤中的脉管系统弯曲而缺少章法结构。正常的 细胞通常大小为 100 微米，但是癌细胞却不是，癌细胞获得了使它在有 限的营养状况下增殖的突变，茁壮的增长但是它们的姐妹们就不一样了。 这类突变的产生，例如在EGFR/HER2/FGFR2/PDGFR/TGFbetaR2/MET/KIT/RAS/RAF/PIK3CA/PTEN 中。这些基因中的一些是编码生长因子受体的基

42、因，另外一些从生长因子 那里呈递这个生长信号到细胞内部，激活后刺激细胞的增殖。举个例子， KRAS或者BRAF基因的突变赐予癌细胞在葡萄糖浓度低于正常细胞生长 浓度或者没有发生这两个基因突变的癌细胞中生长的能力。通过细胞周期 的一些细胞过程可以被细胞内的新陈代谢所控制，驱动基因直接调控细胞 周期或者凋亡，例如 CDKN2A/MYC/BCL2 ，这些基因在癌症中也时常发生 突变。另外一些基因的突变可以增强细胞生存的能力如VHL,它的蛋白产物能够通过分泌血管内皮生长因子来刺激血管再生。那么控制恶性肿瘤的 生长因子而不是单纯的让脉管系统转移的更好的办法是什么呢？3) 基因组修复：作为癌细胞定植到一个

43、新的微环境的后果，它要面对多种毒 性分子，例如活性氧。甚至在没有细胞毒素的微环境下，细胞在复制 DNA 或者分裂的时候会产生一些错误，这时候监视系统会让它停止或者 自杀。虽然对于机体来说清除这些细胞是有利的，但是肿瘤细胞可以在这 种损伤下存活，也就是被定义为有利于选择性增殖。因此，某些基因突变 废除了 这些监视机制，例如 TP53 和 ATM 在癌细胞中的突变。这些基因 的缺陷也同样能间接的给与有利于选择性增殖，通过让细胞有大量的染色 质变异趋势，如异位或者染色体增加来使其存活和分裂。类似的，控制点 突变频率的基因，如 MLH1或者MSH2，在癌细胞中均发生了突变，因为 它们加快获得了那些调控

44、细胞衰老和存活的基因的突变。那么比通过增加 突变出现的概率更好的促进癌症发展的途径是什么呢？由于调控细胞衰老、细胞存活和基因组修复的基因的蛋白产物互相作用，因此它们间有些部分是重合的，它们不像上文举例中那么相互独立。但是，将基因分 到通路中从遗传角度看起来是完美的。癌症是一种遗传性疾病，遗传学定律一定 能够应用于它的发病机理。在通过传统方法观察细菌、酵母、果蝇或者蠕虫中的 突变时，在这么多不同基因组中发现突变的期望是得到相同的表型。这些基因的 产物通常与另外的相互作用并且呈现出一个生物化学或者发展的通路来。因此， 我们不会因为不同的基因可以导致相同的肿瘤增殖效果而感到惊讶，因为这是基 因相互作

45、用的结果。在癌症通路与生物化学或者发展通路之间的相似性在其他的 机体内能够更加深入。我们大量的关于驱动基因功能的知识都来自于非人体内的 其他物种中同源体的研究。虽然某些功能与人体中的不同，但是它们是高度相关 的并且为模拟人类细胞的研究提供了一个出发点。认识这些通路能帮助我们更好的理解病人间的肿瘤异质性。一个肺癌也许会有 一个相应的生长因子受体活性的突变，使它在低浓度表皮生长因子的环境下得以 生长。第二个肺癌可能是在 KRAS 基因上有一个激活的突变，它的蛋白产物能够 正常的传递表皮生长因子和其他通路分子的信号。第三个肺癌是可能是在 NF1 基 因上有一个失活的突变，能够调控 KRAS蛋白的失活

46、。最后，第四个肺癌可能是 在BRAF基因上有一个突变，可以将 KRAS基因的信号传递给下游通路。那么有 人就会预测信号通路上的各个分子的突变之间是相互独立的，换句话说就是不会 出现在同一个肿瘤中这也被实验所验证。脱离理智的想，这些知识对于癌症的治 疗是非常重要的，下面我们将会讲到。肿瘤学中对基于基因组药物的一些观点机遇基因组测序是一个新的尝试，而且它已经对患者的临床治疗有了一定的影响。对于 特定肿瘤的认知包括驱动基因的激活突变，这些基因编码一些蛋白酶导致了小分子抑 制此类酶的药物的发展。EGFR激酶抑制剂对EGFR基因突变癌症的治疗就是一个典型 的基因药物的应用实例，还有上文中提到的退行淋巴瘤

47、激酶（ALK）抑制剂对ALK基因突变癌症的治疗和特异抑制剂对BRAF突变癌症患者的治疗。在制定用这些药物的治疗方案之前，有必要知道癌症是否对这些突变的药物靶标进行了掩护。只有一小部 分的肺癌患者具有EGFR基因突变或者ALK基因异位，并且只有这些病人药物才会有 效。对不带有这些特定突变的病人使用这些药物是有害的，在他们的肿瘤转移时这些 药物会造成另外的副作用。第二种类型的基因药物的目标是针对这些药物制剂的代谢状况而生的，而不是过分 关注于药物的靶标。目前，给患者的癌症药物的剂量是根据患者的体重和表面积来确 定的。但是肿瘤药物的治疗效率却一般较低，特别是传统的治疗药物。这些药物在循 环中的浓度的

48、小的变动都可招致肿瘤实体的侵袭和不堪的治疗效果。检测种系中那些 药物代谢酶的基因也许能够实质上解决药物剂量的问题。最好这个基因组筛查能够附 带每个病人特异的药物浓度的药学度量。检测的额外的费用要比那些价格高昂的新的 癌症治疗方案要便宜的多了，估计在 200000 到 300000 美元每生命质量年。挑战肿瘤学上对基因药物的一个挑战已经很明显的来自下面的几个机遇：所有被临床认可 的药物针对突变基因产物的那些都对准了对抗激酶活性。原因中的一个是激酶很容易 被小分子靶定到并且已经被生物化学研究透彻，其结构和生理学水平也已知。但是另 一个原因可能更加深入说明了这个问题，市场上的大部分药物是用来抑制它们

49、目标蛋 白的活性的。这种抑制的出现是由于这些药物可以使目标蛋白失活，或者与小分子的 该酶的配体结合。只有 31 个驱动基因是这种类型的酶，更多的其他的基因是参与到蛋 白复合物种包括大链接和许多弱的相互作用。用小分子药物抑制这些蛋白的功能是非 常难的，因为小分子药物只能作用于这些复合物的某些相互作用。虽然现在可以想象目前抑制非酶蛋白功能药物的发展情况，但是第二种挑战所带来 的困难更加明显：一大堆的突变诱导基因编码肿瘤抑制物。药物一般与蛋白功能相互 作用，它们不能作为那些检测到的突变的肿瘤抑制基因产物的替代品。不幸的是，肿 瘤抑制基因失活突变支配了整个致癌基因激活突变在通常的实体瘤当中：少数的肿瘤

50、 带有超过一个致癌基因的突变。肿瘤中少量致癌基因的突变是肿瘤转移间异质性的一个重要的光明，如前文所述。 围绕肿瘤靶向治疗中不可避免的阻力，貌似治疗病人只能用两种以上的药物。单个肿 瘤细胞可能在转移系中对一种药物的抗药性明显要小于对两种以上药物的抗药性。但 是，如果癌细胞没有两种以上的遗传突变，那么这种合作理论也就不可行了。实体瘤中少量致癌基因的变异，被治疗手段作为靶标的能够减轻和缓解甚至治愈比 现在这些已经实现了的短暂的缓解强的多。真正的求助者是那些信号通路，每一个肿 瘤抑制基因的失活将会导致下游生长促进信号的激活。例如PTEN 基因的突变：肿瘤抑制基因PTEN的失活能够引起 AKT激酶的激活

51、。相似的肿瘤抑制基因 CDKN2A失活 导致激酶的激活，例如细胞周期蛋白依赖性激酶4，促进细胞周期迁移。还有，肿瘤抑制基因APC的失活导致致癌基因持续性激活，如CTNNB1和CMYC。我们相信关于这些通路的更多的知识和它们的功能是必须的在癌症研究中。在这个 论题上成功的研究应该让药物在这个目标上发展，即使是间接的，也损伤了肿瘤抑制 基因。事实上，已经有这些间接靶标的例子，突变失活的肿瘤抑制基因BRCA1 或者BRCA2可以导致下游的BRCA功能下的DNA损伤修复的激活。这样，有 BRCA1或者 BRCA2基因缺陷的肿瘤细胞更易受到 DNA损伤性药物的影响，或者抑制促进 DNA损 伤修复类酶如P

52、ARP基因的药物。PRAP抑制剂在临床上应用于 BRCA基因失活突变的 病人已经得到了鼓舞人心的效果。更深层次的过程需要更多的关于信号通路的详细信息，通过那些人癌症细胞中癌基 因的功能研究或者在模式生物中。过去二十年分子生物学中的一个教训是通路的功能 是不同的，依赖于不同的机体、不同的细胞和清楚的遗传变异。一个相关的例子，使 用药物来抑制突变 BRAF激酶活性。大多数的黑色素瘤患者有 BRAF基因的突变，这些 药物戏剧性的减轻了病情，但是同样的药物在BRAF突变的结直肠癌中却没有任何疗效。这个现象应归功于 EGFR的表达，这个基因在结直肠癌中表达而在黑色素瘤中不 表达，这导致了 BRAF抑制剂

53、的生长抑制作用。想着这个例子，没有人会对一个新药 在治疗小鼠癌症成功而在治疗人癌症中失败感到奇怪，所以说机体之间是不同的，细 胞类型也是不同的，而且遗传组成也是不同的。相对于这个观点来说，那么在其他物 种中验证失败的药物也不一定对人肿瘤就没有效果，这个观点有十分的实际意义。我 们认为，如果药物活性的生物化学概念和基础理论是固定的并且这种药物对动物是安 全的，那么在人体中也得到了相应的保证，虽然可能它在小鼠中根本没有缩小或者消 除肿瘤的功能。基因药物的未来癌症基因组还能被深入的开采随着很多有效的免疫治疗的开展。就像上文所说的， 典型的实体瘤包含 30-70 个突变，这些突变改变了所在基因表达出的蛋白的氨基酸序