肿瘤的“过去”和“现在”都是有迹可循的，解析这些痕迹可以帮助我们掌握它们的“未来“。正常体细胞转化为恶性肿瘤是一个进化的过程，而这一过程经常伴随着越来越复杂的染色体变异，包括染色体拷贝数变化和重组。这些染色体变异并非完全随机，背后有着一定规律和生物学机制，这一规律一直是临床医生、科研人员甚至肿瘤患者追求的真相。我们越接近这些真相，就越能清晰地解释肿瘤的生物学现象并准确地做出治疗方面的预测。
广泛存在于肿瘤中的染色体变异通常归因于染色体的不稳定结构，但是具有不稳定结构的染色体如何导致染色体的变异和进化，以及推动细胞癌变，都是尚未解决的问题。
近日，来自哈佛大学医学院/丹娜-法伯癌症研究所数据科学部的Cheng-ZhongZhang团队（鲍春旸博士是论文的唯一第一作者，并负责生物信息学分析以及数据解读）和来自加州大学旧金山分校病理学系的MatthewStachler团队在NatureCommunications发表了题为GenomicsignaturesofpastandpresentchromosomalinstabilityinBarrett’sesophagusandearlyesophagealadenocarcinoma的学术论文。在该论文中，研究人员分析了从癌前病灶巴雷特食管(Barrett’sesophagus，简称BE)到早期食管腺癌(esophagealadenocarcinoma，简称EAC)的过程中单倍型特异DNA拷贝数(haplotype-specificDNAcopynumbers)的变化，发现了在食管腺癌中DNA拷贝数变异的复杂性和异质性始于癌前细胞基因组的不稳定性。该项研究首次在临床样本中将单倍型特异DNA拷贝数变异模式与基因组不稳定性相关的生物学机制联系起来，并详细地阐明了基因组不稳定性是如何驱动肿瘤进化的。
该研究结合了病理学分析和细胞基因组分析，并且将细胞生物学实验中获取的染色体演变的机制用于解释癌细胞和癌前细胞中观察到的染色体变异。在对内镜下切除的BE样本进行病理学检查的过程中，MatthewStachler意外地发现含有侵袭性腺癌的微小病灶。这一发现使得研究人员可以通过分析微小病灶和临近癌前组织之间的染色体突变来揭示它们的联系。Matthew带领他的团队利用激光捕获显微切割(lasercapturemicrodissection)分离每例样本中处于不同病理阶段的区域，再对每个区域的DNA进行全基因组测序(whole-genomesequencing)。针对该样本队列的测序数据，鲍春旸博士开发了一种新的方法用来分析同源染色体在不同样本中的拷贝数差异，并结合在实体细胞和实验中观察到的染色体断点的演变模式来推测相关的分子生物学机制。这些分析显示常见的细胞分裂或者细胞核的异常，包括染色体桥(chromatinbridge)和微细胞核(micronuclei)等，都可能直接导致食管癌的进化过程中染色体变异。
食管癌的多区域全基因组测序：利用激光捕获显微切割分离每例样本中处于不同病理阶段的区域，再对每个区域的DNA进行全基因组测序肿瘤的进化过程中会出现肿瘤内部异质性——不同肿瘤细胞间的差异。这种异质性究竟在肿瘤进化早期就已经显现，还是只在晚期的恶性肿瘤中才衍生仍存争议。这项研究表明，来自同一位患者的不同癌症和癌前病灶间已呈现出明显的差异，而不同的癌症病灶很可能独立地从同一食管黏膜上皮区域内不同的癌前细胞转化而来。因此，癌细胞之间的差异性在进化早期就已经孕育，而这种差异性正是促进细胞演化，包括获取驱动癌症基因突变的根本原因。这一机制也显示即便在癌变的早期，很多癌前细胞都可能独立演化成恶性肿瘤。也就是说，癌变过程是并行的而非线性的——平行进化。作者还利用内窥镜细胞刮片分离巴雷特食管的单细胞，并在单细胞水平上直接观测到了癌前细胞的多样性和平行进化。
癌前病灶的平行进化
癌细胞的多样性和平行进化：利用内窥镜细胞刮片分离巴雷特食管的单细胞，并在单细胞水平上直接观测到了癌前细胞的多样性和平行进化尽管对染色体不稳定性及其相关的生物学机制已有相当多的研究，但这些机制如何影响肿瘤进化，目前了解甚少。在这项研究中，作者观察到了一个很特别的突变：在7号染色体的长臂(7q)末端，一个食管癌样本中的DNA扩增片段(包含癌基因MET)竟然与临近癌前样本中的DNA缺失片段共享同一个拷贝数变异断点。这种互补的DNA拷贝数变异直接重现了两个子细胞核间的断桥染色体的结果——仅在这种多区域的全基因组测序中可见。根据这一发现，作者可以追溯这两个样本的分支进化：这一进化过程始于两个由双着丝粒染色体连接子细胞核。在有丝分裂后，两个子细胞各自继承一个双着丝粒染色体断裂后的片段，然后分别形成两个克隆，其中一个最后发生恶性转化成为早期癌症病灶。
癌前病灶的分支进化：在有丝分裂后，两个由双着丝粒染色体连接子细胞核各自继承一个双着丝粒染色体断裂后的片段，然后分别形成两个克隆，其中一个最后发生恶性转化成为早期癌症病灶前文所述的平行进化和分支进化都体现了肿瘤演变的“过去时”，而肿瘤演变的“现在时”则藏匿于微妙的拷贝数变异之中。如果断裂的染色体在后续的有丝分裂中仍然不稳定，则断裂的末端会因连续的不完全复制而在后代中产生不同长度的DNA缺失，从而形成斜坡式DNA拷贝数变异(sloppingcopynumbersvariation)。作者观测到，在一个癌前样本中9号染色体的短臂(9p)末端出现了斜坡式DNA拷贝数缺失，有趣的是在临近的食管癌样本中这个区域出现了DNA拷贝数缺失片段(包含癌基因CDKN2A)的断点。此外，作者也在已发表的纵向时间队列中观察到在早期样本中出现的斜坡式DNA拷贝数变异和在晚期样本的同一区域中出现的DNA拷贝数断点。上述多区域样本和时间序列样本中的这些结果提示，在食管腺癌前病变中不稳定的基因组处于持续性进化的过程中，进一步证实了染色体不稳定性在食管癌演变中的重要作用。由于斜坡式拷贝数变异先于克隆性拷贝数变异(整数倍断点)出现，它最终可能作为判断食管腺癌前病变进程或基因组不稳定性状态的预后标志。
癌前病灶的持续性进化：斜坡式DNA拷贝数变异的产生机制(A)及其在多区域样本(B)和纵向时间队列(C)中的例证每一个肿瘤样本都经历过独一无二的进化轨迹，这也是肿瘤个体化治疗的基石。将该研究的分析思路延伸至其他肿瘤类型，可以帮助人们解释更多进化现象并做出相应的预测，从而产生更多的对于诊断和治疗方面有重要意义的。
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