隨著時間的推移，癌細胞通過進化對治療有抵抗力，從而變得更具侵襲性和轉移性---能夠擴散到身體的其他部位並形成新的腫瘤。癌症進化出的這些特徵越多，它的致命性就越大。科學家們希望了解癌症如何進化出這些特徵，以預防和治療致命的癌症，但是當癌症在患者身上被發現時，它通常已經存在了幾年甚至幾十年。關鍵的進化時刻已經到來，卻沒有被觀察到。
在一項新的研究中，懷特黑德研究所成員Jonathan Weissman及其合作者們開發出一種方法來跟蹤癌細胞的世代，使得人們能夠跟蹤它們的進化歷史。這種譜系追蹤方法使用CRISPR技術，在每個癌細胞中嵌入一個可遺傳和可進化的DNA條形碼。每次細胞分裂時，它的條形碼都會被稍微修改。當這些作者最終獲得原始細胞的後代時，他們可以比較這些細胞的條形碼來重建每個癌細胞的家族樹，就像重建相關物種的進化樹一樣。隨後，他們可以利用這些細胞的關係來重建癌細胞如何以及何時進化出重要特徵。他們使用了類似的方法來跟蹤導致起COVID-19的冠狀病毒SARS-CoV-2的進化，以便追蹤令人擔憂的變體的起源。相關研究結果於2022年5月5日在線發表在Cell期刊上，論文標題為「Lineage tracing reveals the phylodynamics, plasticity, and paths of tumor evolution」。
Weissman及其合作者們之前已使用他們的譜系追蹤方法研究了轉移性癌症如何在整個身體內擴散。在這項新的研究中，Weissman、麻省理工學院生物學教授Tyler Jacks以及加州大學伯克利分校計算機科學家Nir Yosef記錄了他們迄今為止最全面的癌細胞歷史。這項研究從致癌突變的首次激活開始追蹤肺癌細胞。這一詳細的腫瘤歷史揭示了對肺癌如何進展和轉移的新見解，展示了譜系追蹤所能提供的豐富理解。
Weissman說，「這是一種以更高的解析度觀察癌症進化的新方法。在此之前，導致腫瘤成為威脅生命的關鍵事件是不透明的，因為它們消失在腫瘤的遙遠過去，但這給了我們一個了解這段歷史的窗口。」
為了從一開始就追蹤癌症，這些作者開發了一種方法來同時觸發細胞中的致癌突變並開始記錄細胞的歷史。他們對小鼠進行改造，使得它們的肺部細胞暴露於一種特製的病毒，這種暴露激活了Kras基因中的致癌突變，並使細胞中的抑癌基因Trp53失活，同時也激活了這種譜系追蹤技術。Jacks驗室開發的這種小鼠模型也是經過改造的，使得肺癌在它身上的發展與在人類身上的發展非常相似。
Jacks說，「在這種模型中，癌細胞由正常細胞發展而來，腫瘤進展在它的天然環境中經歷了很長一段時間。這密切地重現了患者身上發生的情況。」事實上，這些作者的發現與肺癌患者身上的疾病進展數據非常一致。
這些作者在收穫癌細胞之前讓它們進化了幾個月。然後，他們使用之前研究工作中開發的一種計算方法，從它們出現修改的DNA條形碼中重建這些細胞的家族樹。他們還使用RNA測序法測量細胞中的基因表達，以描述每個細胞的狀態。有了這些信息，他們開始拼湊出這種類型的肺癌如何變得具有侵襲性和轉移性。
Yosef說，「揭示腫瘤中細胞之間的關係是理解它們的基因表達譜和深入了解侵襲性狀態出現的關鍵。」
腫瘤內的競爭
這些研究結果顯示，同一腫瘤內的不同細胞亞群之間存在明顯的多樣性。在這種小鼠模型中，癌細胞主要是通過它們的基因表達的可遺傳變化而不是通過基因突變來進化的。某些癌細胞亞群進化得更適合生長和生存，並且更具侵襲性，隨著時間的推移，它們在腫瘤中占主導地位。這些作者發現，在最適合的癌細胞中普遍表達的基因在未來研究中可能成為良好的候選治療靶標。他們還發現，轉移只來源於這些占據主導地位的細胞亞群，而且只在它們的進化後期發生。這與針對其他一些癌症所提出的情況不同，在後者中，細胞可能在其進化的早期就獲得了轉移的能力。這一新見解可能對癌症治療很重要：轉移往往是癌症變得致命的時候，如果人們知道哪些類型的癌症以這種逐步的方式獲得轉移的能力，他們就可以設計干預措施來阻止疾病進展。
論文共同第一作者、Weissman實驗室博士後研究員Dian Yang說，「為了開發更好的療法，了解腫瘤產生所採取的基本原則非常重要。未來，我們希望能夠在患者到來的時候看到癌細胞的狀態，並能夠預測該癌症將如何進化，風險是什麼，以及阻止這種進化的最佳治療方法是什麼。」
這些作者還弄清了癌細胞亞群變得更適合生存和具有侵襲性的進化路徑的重要細節。癌細胞通過不同的狀態進行進化，這些狀態由細胞在某個時間點所具有的關鍵特徵來確定。在這種小鼠癌症模型中，他們發現，在早期，腫瘤中的細胞迅速多樣化，在許多不同的狀態之間切換。然而，一旦一個細胞亞群落到了一個特別適合生存和具有侵襲性的狀態，它就會停留在這種狀態，並在這種穩定的狀態下在腫瘤中占據主導地位。此外，這些最終占主導地位的癌細胞似乎在不同的細胞狀態中遵循兩條不同的路徑之一。這些路徑中的任何一條都可能導致進一步的進展，使癌症進入侵襲性的與轉移有關的「間質（mesenchymal）」細胞狀態。
在這些作者徹底繪製了這些癌細胞的進化路徑後，他們想知道如果細胞經歷了額外的與癌症有關的突變，這些路徑會受到怎樣的影響，因此他們讓另外兩個腫瘤抑制基因中的一個失活。其中的一個腫瘤抑制基因影響了細胞穩定的狀態，而另一個腫瘤抑制基因導致細胞遵循一個全新的進化路徑來適合生存。
這些作者希望其他人能夠利用他們的方法來研究有關癌症進化的各種問題，而且他們自己已提出了一些問題。一個目標是通過觀察癌症對不同治療的反應，來研究治療抵抗性的進化。另一個目標是研究癌細胞的局部環境如何塑造它們的進化。
論文共同第一作者、Weissman實驗室研究生和Yosef 實驗室研究生Matthew Jones說，「這種方法的優勢在於，它讓我們能夠精細地研究癌症的進化。每當一項技術或一種方法從整體分析轉變為單細胞分析時，都會極大地拓寬我們可以獲得的生物學見解的範圍，我認為我們在這項研究中看到的就是這樣的情況。」（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
1. Dian Yang et al. Lineage tracing reveals the phylodynamics, plasticity, and paths of tumor evolution. Cell, 2022, doi:10.1016/j.cell.2022.04.015.
2. Tracing a cancer's family tree to its roots reveals how tumors grow
https://medicalxpress.com/news/2022-05-cancer-family-tree-roots-reveals.html