综述精读 | 癌症的进化理论：挑战与潜在解决方案

Basic Information

• 英文标题： The evolutionary theory of cancer: challenges and potential solutions
• 中文标题：癌症的进化理论：挑战与潜在解决方案
• 发表日期：10 September 2024
• 文章类型：Perspective
• 所属期刊：Nature Reviews Cancer
• 文章作者：Lucie Laplane | Carlo C. Maley
• 文章链接：https://www.nature.com/articles/s41568-024-00734-2

Abstract

Para_01

1. 癌症的克隆进化模型在20世纪50至70年代发展起来，并在21世纪成为癌症生物学的核心，这主要得益于癌症遗传学的研究。
2. 尽管它已经证明了其价值，但其结构受到了表型可塑性、非遗传形式的继承、克隆适应度的非遗传决定因素以及基因的非树状传递等观察结果的挑战。
3. 甚至对于克隆的定义也存在混淆，这是我们旨在解决的问题。
4. 克隆进化模型的性能和价值取决于进化过程在癌症中的实证程度，以及其在理论上解释这些进化过程的能力。
5. 在这里，我们识别了克隆进化模型在理论性能上的局限性，并提供了克服这些局限性的解决方案。
6. 尽管我们不认为克隆进化可以解释癌症的所有方面，但我们展示了如何将许多在癌症动态中识别出的复杂性整合到模型中，以改善我们对癌症的当前理解。

Introduction

Para_01

1. 癌症是由在空间和随时间异质性的细胞群体组成的。
2. 这种多样性目前是一个主要的临床问题，限制了大多数癌症治疗的有效性，因为通常存在一小部分细胞对正在使用的任何治疗都有抗性。
3. 这种多样性还限制了预后判断的准确性以及我们预测其对干预反应的能力，因为活检可能无法代表整个肿瘤，并且其随时间变化具有强烈的随机性。
4. 因此，迫切需要更好地理解导致这种多样化的机制，以便更好地管理癌症。
5. 在21世纪获得认可的细胞多样化解释机制是克隆进化：癌细胞通过积累遗传和表观遗传变异而多样化，这些变异可以改变细胞的相对适应性，并因此通过自然选择导致克隆的扩张或收缩。
6. 进化原理和群体遗传学工具可以并且已经成功地应用于癌细胞。
7. 然而，癌症进展的进化观点受到了挑战，并且已经显示癌症内的表型异质性在很大程度上可以独立于克隆的遗传学。
8. 鉴于自然选择作用于表型并依赖于其遗传性，这些数据质疑了克隆进化模型的相关性。
9. 现在是时候评估克隆进化模型的优点、缺点以及改进的机会了。

Para_02

1. 为了实现这一目标，我们首先探讨了关于癌细胞演化的已知信息，通过历史和当代文献的回顾。
2. 然后，我们通过强调其潜在假设来分析克隆演化模型的理论结构。
3. 通过这样做，我们旨在定位当前模型固有的理论和概念上的紧张和困难。
4. 最后，我们提出了建议和视角，以帮助解决一些问题并增强克隆演化在癌症解释中的相关性。

What is the clonal evolution model?

Historical perspective

历史视角

Para_01

1. 克隆进化模型是一个描述患者体内癌细胞进化的抽象模型。
2. 它通常归功于彼得·诺维尔，但诺维尔本人总是明确表示他是在总结社区发展出的想法。
3. 观察到肿瘤内异质性，以及癌细胞进化的理念在1976年之前已经存在，其成功则发生在之后。

Para_02

1. 在20世纪50年代，进化的概念经常被用于肿瘤学中描述癌症的进展（例如，参见参考文献8,9），尽管并不总是暗示一个达尔文过程10。
2. 在这一时期，对癌细胞核型的研宄支持了西奥多·博韦里首次提出的假设，即肿瘤可能源于由异常有丝分裂引起的染色体缺陷，这一假设预测了癌症的克隆起源11。
3. 核型分析还导致了观察到癌细胞所含染色体数量的变化，并且作为一种单细胞全基因组检测方法，在揭示癌细胞进化中发挥了关键作用。
4. 核型观察直接提出了一个问题，即肿瘤是由多种具有固定染色体数量的细胞株组成，还是肿瘤细胞的核型可以改变（例如，参见参考文献12,13），如果是这样，这些变化是随机的还是可遗传且被选择的（例如，参见参考文献14,15）。
5. T. S. 豪施卡直接提到了"类似于系统发生的突变-选择序列"，并认为"特定的肿瘤核型具有竞争性生存价值"15。
6. 为了解决癌症克隆起源的问题，使用了多种技术，包括费城染色体的发现16，女性中葡萄糖-6-磷酸脱氢酶酶的两个等位基因之一的随机体细胞失活17,18，或免疫球蛋白重链重排19,20。

Para_03

1. 所有这些实验都趋向于癌症克隆起源的假设，肿瘤内异质性源于后续的变异，这些变异可能经历选择。
2. 在这些论文中，大多数将进化概念置于背景中，但有些直接讨论了应用于癌症的进化原理。
3. 英国细胞遗传学家C. E. Ford专门撰写了一篇关于健康、受辐射或癌变体细胞中选择压力的论文，支持"不平衡的核型变化会影响生存和增殖的概率"这一假设，并因此认为"细胞群体的核型结构将是选择力量在其内部产生的变异上运作的结果"。
4. J. Lejeune认为选择假设对于克隆进化模型的连贯性是必要的，并明确提到使用核型来重建"克隆的自然历史"，将这种重建比作"古生物学家从形态到形态重建门类历史"的方法。

Para_04

1. 在诺埃尔对癌症进化模型的优雅总结之后，我们得到了……沉默。
2. 癌症的进化生物学在几十年里一直处于沉寂状态，只有少数科学家在诺埃尔的框架上继续研究。
3. 直到21世纪，这个领域才获得了动力。
4. 这可能不是一个巧合，当高通量测序开始从癌症中生成大量遗传数据时，对癌症进化的兴趣加速了。
5. 随后观察到了肿瘤内异质性的临床重要性，以及克隆扩张的确认。
6. 同时，还确认了治疗通常会选择那些预先存在的、具有抗治疗突变的克隆。
7. 尽管临床影响仍然有限，但进一步的研究表明，采用进化方法治疗癌症可以显著改善进展时间和总体生存率。
8. 在这期间，关于如何将进化生物学和生态学有效地应用于癌症的综述可能为未来的进步奠定了基础。

How do cancer cells evolve?

癌细胞是如何进化的？

Para_01

1. 任何具有多样性可遗传特性的实体群体，如果这些特性能够在实体之间导致不同的适应性，那么它们可以通过自然选择进化。
2. 体细胞就是这样一种实体，并且可以通过自然选择进化，因为突变会导致细胞之间的可遗传多样性，并且（至少有一些）突变可以改变细胞的适应性。
3. 一个开放的问题是它们是否以及多大程度上通过自然选择进化，这是一个科学家和哲学家们一直争论的问题。

Para_02

1. 认识到癌细胞可以通过多种机制进化是很重要的。
2. 尽管它们可以通过自然选择进化，但有些肿瘤几乎没有自然选择的证据，似乎主要是通过中性进化来进化的。
3. 一个数学中性进化模型与大约三分之一实体瘤的遗传数据一致，也适用于多发性骨髓瘤和慢性粒单核细胞白血病。
4. 另一项泛分析还强调，在种系中占主导地位的负选择在癌症和体细胞进化中几乎不存在。
5. 尽管克隆进化最初被认为是连续的渐进过程，但已经表明，突发的变化也可以发生。
6. 克隆进化可以通过静态、渐进或间断的方式发生，不同的分子时钟以不同的速度运行，并且可以通过线性进化或分支进化进行。
7. 存在多种过程支撑着癌细胞的克隆进化。

Para_03

1. 此外，尽管传统的克隆进化模型主要关注癌症（干细胞）细胞的进化作为选择单位，但选择也可能发生在更高层次上（图1a），即在细胞群体而非单个细胞上。
2. 例如，关于是否存在转移之间的自然选择存在争议，每个转移作为一个繁殖实体，生成进一步的次级转移。
3. 高层选择也可能在癌症干细胞群体及其非干细胞后代之间进行选择，或在诸如结肠隐窝等上皮增殖单位之间进行选择，这些单位可能会分裂和死亡。
4. 癌症中的选择也可能发生在细胞以下层次，通过转座元件的进化，或通过染色体外DNA，以及可能通过微核，如果它们能够独立于细胞复制进行复制（图1b）。
5. 选择可能在细胞以上和以下的额外层次上起作用，这一事实并不违反克隆进化模型。
6. 它增加了模型的复杂性，就像多层次选择在生物体以上和以下的层次上并不违反进化论，而是增加了其复杂性一样。

Fig. 1: Cancer evolution by natural selection can operate at multiple levels of biological organization at once.

• 可能存在对细胞群体的自然选择，这里展示的是干细胞及其非干细胞后代。在这个例子中，蓝色的非干细胞具有一种特性（标记为‘+’），这种特性保护它们的干细胞不被淋巴细胞破坏，并允许蓝色细胞群复制。黄色的后代缺乏（−）这些特性，导致黄色群体被淋巴细胞破坏。
• 在细胞水平以下，染色体外DNA（ecDNA）可能会独立于染色体增加癌症相关基因（例如，MYC）的拷贝数。同样，基因组中的转座元件（TE1和TE2）也可能在基因组内复制。

What is the value of the clonal evolution model?

克隆进化模型的价值是什么？

Para_01

1. 克隆进化模型整合了当前关于癌细胞进化的知识。
2. 它是一个高度理论性的框架。
3. 它的目标不仅仅是描述，还包括重建过去的进化过程，预测潜在的未来进化（例如，对治疗的抵抗），解释患者中发生的现象，并为新的治疗干预提供基础。
4. 我们将这些属性称为克隆进化模型的理论价值。

Para_02

1. 该模型的主要理论价值在于解释癌症如何以及为何随时间变化以及对治疗的反应。
2. 系统发育重建提供了癌症自然历史的描述。
3. 例如，克隆突变（也称为‘主干’突变）往往与亚克隆突变（也称为仅在‘分支’上出现的突变）不同。
4. 系统发育重建可以突出显示随时间变化的暴露和突变过程，例如非洲移民在到达法国后几年内肝细胞癌中黄曲霉毒素B1相关突变特征的丧失。
5. 它还表明，与预期相反，转移可以在癌变早期发生。
6. 从这些系统发育重建中吸取的教训也有助于药物靶向（例如，靶向克隆突变而非亚克隆突变），并通过选择耐药突变来预测治疗耐药的风险，例如表皮生长因子受体（EGFR）的T790M突变会导致肺癌对第一代EGFR抑制剂的耐药。
7. 许多突变已被发现与治疗耐药相关，这使得临床医生现在能够更好地决定应用哪种治疗。
8. 克隆进化模型也已用于风险分层和预后，使用克隆进化的度量，如肿瘤内异质性，来预测哪些癌前病变倾向于进展为侵袭性疾病，以及哪些癌症倾向于致命。

Para_03

1. 克隆进化模型预测，不同的环境将改变突变克隆的扩张能力。
2. 例如，在造血系统中，突变克隆随着年龄的增长而出现，这一过程被称为克隆造血。
3. 不同的环境变化可能导致克隆造血，如衰老、化疗、感染和吸烟。
4. 然而，每种环境倾向于选择不同类型的突变。
5. 克隆造血还伴随着各种突变和随年龄变化的多种动态。
6. 这也助于解释癌症的晚期发生，因为随着年龄增长健康细胞适应性的下降，为突变克隆的选择提供了较弱的竞争者。
7. 请注意，促进理论有时被认为与体细胞突变理论相对立，但在这两种理论在克隆进化的背景下是兼容的，因为适应性取决于细胞的内在属性和外在属性。

Para_04

1. 从根本上说，克隆进化模型引发了一种深刻的概念转变，将癌症视为一个动态过程。
2. 因此，它有助于推翻寻找神奇子弹的治疗策略，并要求改变研究和治疗实践。
3. 该模型预测，大多数晚期癌症往往能够逃脱任何治疗。
4. 这导致提出了基于进化原理开发疗法的各种建议，例如药物假期、随时间更换药物以及适应性疗法，这些疗法通过管理克隆动态来防止治疗耐药克隆失控。

Para_05

1. 多年的观察和实验测试了克隆进化模型的各个方面，支持了其理论价值。
2. 然而，它并不能解释癌症表型的所有方面。
3. 将癌细胞置于不同的微环境中，会使它们表现出不同的行为。
4. 一个极端的例子是，将癌细胞置于健康环境中可以‘正常化’它们的行为。
5. 肿瘤内表型异质性可能在很大程度上独立于基因型，表型可塑性越来越被认为是对肿瘤内异质性和治疗逃逸的重要贡献者。

Model assumptions and limitations

Para_01

1. 克隆进化模型的性能取决于两个不同的方面，一个是事实性的，即进化过程对癌症的贡献程度，另一个是理论性的，即当前克隆进化模型捕捉这些过程的程度。
2. 该模型的前提是，进化过程在癌症中确实有作用。
3. 这一点得到了数十年的证据支持。
4. 然而，模型的重要性仍是一个开放性问题。
5. 进化过程对癌症的影响越大，克隆进化模型的相关性就越强。
6. 克隆进化模型的理论性能是另一个问题。
7. 当前模型可能只部分捕捉了进化过程在癌症中的实际参与情况。
8. 将事实性进化过程参与相关的挑战与模型理论性能相关的挑战区分开来是很重要的。
9. 后者可以通过扩展当前模型来解决。

Para_02

1. 我们在当前的克隆进化模型中看到了两个重要但值得质疑的潜在假设：（1）癌细胞的表现型，特别是它们的适应性，被认为在很大程度上依赖于它们的基因型（克隆进化的研究历史上一直以遗传学方法为主导）；
2. （2）癌细胞之间的祖先关系被认为形成了一个分支状的细胞树，但实际上这两个假设对于系统的进化都不是必要的。
3. 我们将详细分析这两个假设，寻找该模型的限制和批评，并区分哪些是对进化理论解释癌症程度的真实限制（事实上的限制），哪些是改进当前克隆进化模型的邀请（理论上的限制）。

Assumption 1: fitness relies largely on genotype

假设1：适应性在很大程度上依赖于基因型

Para_01

1. 克隆进化模型借鉴了现代进化综合理论，这是一种量化的达尔文进化遗传理论，将进化定义为基因变异在种群中随时间和空间频率的变化。
2. 作为一个数学和理论框架，它需要一些简化的假设，特别是将生物体简化为其遗传学。
3. 在肿瘤学中，已经识别并表征了特定的遗传改变，这些改变在疾病的发展和进化中起着关键功能作用，这导致了20世纪80年代癌基因和肿瘤抑制基因概念的成功。
4. 然而，从发育生物学的角度来看，众所周知，相同的基因型可以在正常细胞中产生截然不同的表型，这也适用于癌细胞。
5. 认为癌细胞适应性主要依赖于其遗传学的假设面临许多挑战。

Identifying key clonal evolution genes is challenging

识别关键克隆演化基因是一项挑战

Para_01

1. 大型联合体已经投入大量努力在测序肿瘤以识别癌症基因，并且已经确定了几种混杂因素，例如基因的大小及其在脆弱位点的位置。
2. 某些突变的存在统计显著性需要根据一些背景因素进行评估，例如每个核苷酸的突变率、结构变异和样本的纯度。
3. 鉴于典型癌症驱动基因的突变存在于体细胞健康组织中，比较癌症中突变频率与非癌组织中突变频率也显得至关重要。
4. 例如，NOTCH1突变在食管癌和皮肤癌中常见，导致人们认为它是这些癌症的驱动基因。
5. 然而，由于NOTCH1突变在正常皮肤和食管上皮中比这些组织的癌症中更常见，NOTCH1突变实际上可能对皮肤癌和食管癌具有保护作用。
6. 因此，识别驱动突变并非易事。

Para_02

1. 在识别癌症基因方面也存在一个概念性问题。
2. 相同的突变在一个背景下可能是中性的甚至是有害的（有害突变），而在另一个背景下可能成为驱动因素，反之亦然。
3. 起源细胞的概念说明了这一现象：相同的突变可能因其发生的细胞不同而有不同的影响。
4. 同样，治疗改变了细胞的环境，可以选择具有特定耐药突变的克隆，这些克隆在治疗期间扩展，在治疗停止后消退。
5. 治疗诱导剧烈而迅速的选择压力，但较慢的变化也是可能的，并且有相同的后果。
6. 例如，衰老会改变细胞的适应性景观，以至于一个突变在年轻人中可能是中性的甚至是有害的，但在衰老的背景下可能是有利的（有利突变）。
7. 适应性本质上总是相对于特定环境而言的。
8. 癌细胞的环境会随着疾病的自然发展而变化，但也由于衰老、干预和其他暴露变化而变化。
9. 识别驱动突变的困难使得基于驱动突变定义克隆的努力变得复杂（见框1）。

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Genes are not the only inherited material

基因不是唯一的遗传物质

Para_01

1. 现在人们已经普遍认识到，许多表观遗传特性在细胞分裂过程中是可遗传的，并且可以促进克隆进化，包括转移的进化和对药物的抵抗。
2. 然而，表观遗传学涵盖了一系列广泛的现象，其中一些是随机且可遗传的，而另一些则受细胞控制，可能会对某种形式的信号作出反应，例如在分化过程中。
3. 这些可遗传的变异可以作为表观突变整合到克隆进化中。
4. 研究发现遗传和表观遗传克隆进化之间存在一致性，这是有道理的，因为癌细胞有一个统一的谱系。
5. 此外，一个遗传克隆中可能存在多个表观遗传亚克隆，反之亦然。
6. 这再次引发了如何使用信息来界定和计数克隆的问题（见图2和框1）。
7. 当克隆进化模型仅依赖于遗传突变时，表观遗传变异对其理论准确性提出了挑战，但不挑战其事实范围。

Fig. 2: Defining clones is a matter of dividing up the cancer cell tree.

• a, 通过驱动突变识别的克隆标记的癌细胞树（用星号标记）。识别出三个克隆：第一个克隆（白色）携带所有转化细胞所具有的突变，第二个克隆（蓝色）标记了由蓝色星号指示的突变的发生，第三个克隆（青绿色）指示了由青绿色星号标记的另一个突变。
• b, 通过表观遗传改变识别的克隆标记的癌细胞树。识别出三个克隆：第一个克隆（白色）指示第一个转化细胞的表观遗传状态，第二个克隆（红色）指示由可遗传的表观遗传改变介导的表观遗传状态（由红色菱形指示），第三个克隆（黄色）标记具有不同表观遗传改变的细胞（黄色菱形）。它们与遗传克隆不同。
• c, 表型克隆。当仅考虑表型特征时，有两个克隆出现，由灰色阴影区域标记。
• d, 癌细胞树，叠加了遗传、表观遗传和表型信息。遗传、表观遗传或表型进化可能在不同的时间尺度上同时进行。青绿色遗传克隆是混合的，包含两种细胞类型，而白色和蓝色遗传克隆包含不同的细胞类型。黄色表观遗传克隆是混合的，而红色和白色表观遗传克隆包含相同的细胞类型。有三个、五个还是更多克隆？请注意，这些不同形式的进化在不同阶段或位置也可能或多或少显著。

Para_02

1. 可遗传的属性可能超出了遗传物质及其表观遗传改变的范围。
2. 随着细胞通过细胞分裂进行繁殖，子细胞继承了母细胞的一部分细胞质，包括细胞器、RNA和蛋白质。
3. 它们还继承了母细胞可能已经改变的微环境。
4. 这可能导致细胞表型的短期遗传性，其时间尺度取决于这些分子和微环境的波动和周转率。
5. 在细菌中，使用‘姐妹机器’将两个子细胞分离到独立的生长通道中，揭示了不同的非遗传特征在不同时间尺度下表现出不同的‘记忆’模式，从两代到十代。
6. 在一个黑色素瘤细胞系中，鉴定出227个表现出短暂可遗传高表达的基因（约40小时，有时达到5天），其中162个基因先前与抗治疗相关。
7. 对其中两个短暂可遗传基因高表达的细胞进行筛选，特别是EGFR和神经生长因子受体（NGFR），结果显示这些细胞对MEK抑制剂trametinib的抵抗水平远高于未筛选细胞。

Para_03

1. 不同时间尺度上的属性遗传在很大程度上被忽视了；然而，鉴于治疗干预的持续时间较短，这些替代形式的遗传可能具有临床相关性。
2. 正如将在‘遗传与时间尺度’部分中所讨论的，提高我们对遗传的理解可能会提高克隆进化的理论性能。

One genotype can take on many phenotypes

一种基因型可以表现出多种表型

Para_01

1. 多细胞生物中的正常体细胞具有表型可塑性。
2. 表型可塑性在发育领域早已被研究，并且越来越被认为在癌症中也很重要。
3. 从一个单一的基因型，细胞可以通过至少三种非排他性过程表现出不同的表型：分化、对外部信号的响应以及随机波动（基因产物和表观遗传修饰的波动）。
4. 后两者可以包括去分化、转分化或细胞状态的其他变化，如代谢变化。
5. 癌细胞继承并修饰了它们所演化自的正常细胞的表型可塑性。

Para_02

1. 目前，与基因型无关的表型变异在克隆进化模型中被忽视。
2. 因此，可塑性被视为对克隆进化模型实际范围的挑战：非遗传性可塑性在癌症中的因果作用越大，进化过程的作用就越小。
3. 例如，一项关于雌激素受体阳性乳腺癌在接受辅助内分泌治疗后的休眠和复发的研究表明，治疗随机诱导了一种不稳定的休眠状态，出现在一部分来自随机多样性克隆的癌细胞中。
4. 在这种情况下，自然选择进化在癌细胞存活治疗能力中的作用不大。
5. 然而，关于表型可塑性的概念模糊性掩盖了这场辩论。
6. 某些可塑性案例可能是可遗传的，实际上只是对克隆进化模型的理论挑战，可能会被纳入以改进该模型。

Para_03

1. 首先，癌细胞的表现型通常依赖于非遗传但可遗传的特性，例如表观突变。
2. 这种由表观遗传驱动的表现型多样性可以通过纳入表观突变轻松地整合到克隆进化模型中。
3. 同样的方法也应适用于任何其他对细胞表现型有贡献的非遗传可遗传特性。

Para_04

1. 其次，表型可塑性的程度可以是可遗传的，编码在基因组或表观基因组中（见参考文献154综述）。
2. 某些细胞谱系可能比其他细胞谱系更具可塑性，这使它们在变化的微环境中具有优势。
3. 其他细胞具有非常稳定的表型，例如完全分化的细胞。
4. 一些（表观）突变可能会增加细胞可塑性，对这些（表观）突变的选择将通过对其产生的表型的直接选择间接进行。
5. 有关突变率进化155,156,157,158和表型可塑性进化159,160,161的相关文献，可以用来将表型可塑性整合到克隆进化模型中。

Para_05

1. 第三，表型可塑性包括多种现象，如分化（在多细胞生物中是一个稳健、定向、可预测的过程）、对外部信号的响应（也部分可预测，尽管依赖于微环境信号）和随机波动（不可预测）。
2. 这些过程之间的差异很重要，如果想要解决癌症进化理论的实证局限性。
3. 需要对这些类型的可塑性进行概念区分的原因可以通过两个假设的对比示例来说明。
4. 首先，当一种治疗因干细胞上调外排泵而选择干细胞时，对外排泵的选择将维持克隆组成。
5. 这是因为所有遗传克隆都包含癌症干细胞，尽管不同克隆中癌症干细胞的比例可能会导致克隆大小的变化。
6. 其次，当一种特定细胞周期治疗选择慢周期或非增殖细胞，并且如果静止状态是由特定微环境诱导的，那么恰好处于该微环境中的克隆将存活。
7. 这两种情况对克隆进化模型提出了不同的挑战。
8. 在第一种情况下，所有遗传克隆的维持可能掩盖了对干细胞的选择。
9. 在第二种情况下，耐药性可能错误地归因于克隆的遗传特性，而实际上是它的位置导致了耐药性。
10. 涉及可塑性的其他情景也可能挑战克隆进化模型。
11. 例如，克隆进化模型认为癌症干细胞是选择单位，但可能发生去分化，允许非干细胞对进化动态做出贡献。

Para_06

1. 尽管对外部刺激的表型可塑性代表了克隆进化的实际参与的主要限制，但基于分化和基于随机性的可塑性类型则代表了理论上的挑战。
2. 只要分化保持稳健和可预测，这种类型的可塑性可以被纳入克隆进化的数学模型中。
3. 同样，随机可塑性也适用于可以引入癌症进化模型的数学建模。

Many genotypes can produce the same phenotype

许多基因型可以产生相同的表型

Para_01

1. 这类现象可能是趋同进化、表型可塑性或非遗传因素的例子。
2. 选择压力可能在独立谱系中选择相同的表型，这一点由癌症的进化模型很好地解释了。
3. 我们曾论证，癌症的标志是趋同进化的例子，这是由于自然选择作用于无关细胞所致。
4. 这一对癌症遗传进化模型的挑战导致了这样的假设：通过聚焦于表型的进化，我们可以获得更多的清晰度和控制力。
5. 正如我们上文所论证的，分化过程和对环境信号的响应可以导致相似的表型，而不管其潜在的遗传因素如何。
6. 还有其他非遗传性的表型决定因素，这些可能与克隆的遗传学无关。
7. 例如，癌细胞可以通过细胞外囊泡转移蛋白质、脂类和核酸，这有助于恶性表型的形成。
8. 在一个胶质瘤的小鼠模型中，研究表明带有突变EGFR的癌细胞可以将截短的致癌形式EGFRvIII转移给缺乏该突变的癌细胞，导致这些细胞获得突变表型。
9. 区分遗传性和非遗传性表型决定因素是关键，因为后者直接挑战了克隆进化模型的事实范围，尽管进化理论可以通过在表型进化模型中包含遗传性或可进化性特征的度量来解释非遗传性表型决定因素作为一种噪声。

Assumption 2: a cancer cell lineage is a tree

假设2：一个癌细胞谱系是一棵树

Para_01

1. 克隆进化模型假设细胞谱系呈树状结构，其中细胞谱系分裂和死亡，但不融合。
2. 克隆是由单一共同祖先细胞（框1）的后代定义的。
3. 遗传是垂直的，来自亲本细胞。
4. 此外，将克隆进化模型基于细胞谱系隐含地假设细胞是唯一的筛选单位。
5. 一些观察结果对这些假设提出了质疑。

Cell fusion and cancer cell modes of reproduction

细胞融合与癌细胞繁殖模式

Para_01

1. 癌细胞可以融合成具有生存能力和繁殖能力的细胞，这些细胞能够产生克隆细胞群。
2. 在癌症中，细胞融合被认为是罕见的，并且很大程度上被忽视了。
3. 然而，有几项研究报告了癌细胞与非癌细胞（杂交瘤是这种融合的著名案例）之间的融合，或者不同癌细胞之间的融合。
4. 在患者中，有报道称在骨髓移植的背景下，癌细胞与造血细胞发生了融合，这提供了追踪细胞融合的标记。
5. 例如，一位接受儿子骨髓移植的母亲后来发展成了肾细胞癌，其中一部分癌细胞既含有癌细胞的染色体变异，又含有来自她儿子细胞的Y染色体。
6. 另一项研究分析了七名患有各种癌症（胰腺导管腺癌、肾细胞癌、头颈部鳞状细胞癌和肺腺癌）患者的肿瘤活检样本，发现所有样本中都存在癌细胞与白细胞融合的证据。
7. 基于这一结果，研究人员在胰腺癌患者中寻找循环杂交细胞，发现循环杂交细胞的数量与晚期疾病相关，并且与预后不良有关，而非融合的循环肿瘤细胞则不然，这引发了融合可能增加癌症进展风险的可能性。

Para_02

1. 细胞融合在癌细胞演化中的作用已在体外和动物模型中得到研究。
2. 将癌细胞系和巨噬细胞的杂交体移植到小鼠体内后，其倍增时间比母体癌细胞系更短，这表明细胞融合可以增加细胞的适应性。
3. 细胞融合还可以为癌细胞提供新特性。
4. 例如，与造血细胞（如巨噬细胞）融合可以使融合后的癌细胞获得迁移能力。
5. 多项研究表明，融合可能是作为达尔文克隆演化解释转移的一种替代机制（但不相互排斥），根据这一理论，转移能力是通过自然选择的演化过程获得的。
6. 其他研究显示，癌细胞系之间的融合可以产生新的细胞系，这些细胞系比原始细胞系更具恶性和治疗抗性。
7. 细胞融合也被讨论为一种可能产生癌症干细胞的机制。
8. 最后但同样重要的是，细胞融合是一种可以通过随后随机丢失遗传物质来产生多样性的机制。

Para_03

1. 细胞融合并不会削弱克隆进化的实际程度，但增加了一个关于其进化过程中涉及的复杂性层次，这是目前克隆进化模型所未考虑的。

Horizontal gene transfer

水平基因转移

Para_01

1. 克隆进化模型假设遗传是通过细胞分裂垂直进行的。
2. 然而，已经描述了几种水平基因转移的机制，例如线粒体和DNA的交换。
3. 将耗尽线粒体DNA（mtDNA）的肺癌细胞系与骨髓非造血细胞或皮肤成纤维细胞共培养，或移植耗尽mtDNA的乳腺癌细胞系，显示通过线粒体转移挽救了线粒体功能。
4. 将间充质干细胞（MSCs）的线粒体引入癌细胞，导致氧化磷酸化增加，ATP产生增加，以及癌细胞的迁移和增殖。
5. 通过内皮细胞到MCF7乳腺癌细胞的隧道纳米管进行线粒体水平转移，显示在体外提高了对多柔比星的化疗耐药性。
6. 通过在体外与骨髓基质细胞共培养，或在患者或细胞系的急性髓系白血病原始细胞移植到小鼠体内后，也获得了相似的结果。
7. 胶质母细胞瘤干细胞（GSCs）和MSCs的共培养也导致GSCs在MSCs向GSCs转移线粒体后的代谢重编程，结果使GSCs的增殖增加并对替莫唑胺产生耐药性。

Para_02

1. 水平基因转移也可以在癌症中发生，这是由于摄取了来自细胞外囊泡的DNA，包括来自死亡癌细胞的凋亡小体。
2. 这一点已在体外实验中得到证实，并且在小鼠实验中也得到了验证，可以通过DNase处理来预防。
3. 微囊泡已被证明携带致癌基因，如MYC或HRASV12，这些基因可以被其他细胞摄取。
4. 通过细胞外囊泡在癌症中水平基因转移的程度和重要性仍是一个未解之谜。

Para_03

1. 水平基因转移并不与癌症的进化模型相矛盾。
2. 相反，它增加了模型的复杂性。
3. 通过自然选择的适应可以通过水平转移和垂直遗传来实现。

Trogocytosis and horizontal transfer

胞啃作用和水平转移

Para_01

1. 除了基因转移，表型特性也可以通过胞吞作用水平转移，这是一种细胞间膜片段转移的机制。
2. 胞吞作用是癌细胞进化中的一个相关现象，因为它允许细胞独立于其遗传和表观遗传学获得新的表型特性，导致基因型和表型之间的不匹配。
3. 例如，在利用患者来源的异种移植建立的结肠癌小鼠模型中，癌细胞能够获得淋巴细胞膜蛋白，包括淋巴细胞细胞标记物以及免疫调节表面蛋白，这些蛋白能够抑制免疫细胞的激活。
4. 在使用白血病小鼠模型的类似研究中，也获得了相似的结果，尽管在这项研究中，自然杀伤（NK）细胞和CD8+ T细胞从白血病细胞中获得了检查点受体程序性细胞死亡蛋白1（PD1），这导致了NK细胞抗肿瘤免疫的抑制。
5. 胞吞作用被认为与嵌合抗原受体-T（CAR-T）细胞和CAR-NK细胞的逃逸有关。
6. 胞吞作用只有在它诱导的表型能够通过至少一次细胞分裂传递时，才对克隆进化有意义。
7. 细胞表面物质部分通过细胞分裂得以维持，但遗传给子细胞的对称性以及表型在多少次分裂后丢失都是未知的。

Para_02

1. 细胞自噬是另一个可以赋予细胞在特定选择压力下改变其适应性的过程。
2. 例如，转移性黑色素瘤细胞可以吞噬T细胞，这使得它们在血清剥夺的情况下得以生存。
3. 同样，一项研究表明，乳腺癌细胞系可以吞噬间充质基质细胞，这也通过诱导休眠状态增强了它们在饥饿环境下的生存能力。
4. 再次强调，其对克隆进化的贡献取决于这些表型的遗传性。

Para_03

1. 由于细胞吞噬或细胞自相残食导致的表型水平传播降低了这些表型的遗传性，从而减少了克隆进化模型的实际范围

Intracellular microorganisms

细胞内微生物

Para_01

1. 尽管克隆进化指的是癌细胞的进化，但癌细胞内存在微生物（如病毒、细菌和真菌）可能需要从多物种视角来看待克隆进化。
2. 病毒长期以来被认为与致癌有关，在它们直接导致致癌甚至整合到癌基因组中的情况下，它们成为癌症中进化的遗传物质的一部分。
3. 近期研究表明，细菌和真菌不仅存在于一些癌细胞周围，它们还能寄居在癌细胞内。
4. 甚至有研究表明，大多数肿瘤内细菌是细胞内的，存在于癌细胞和免疫细胞中。

Para_02

1. 细胞内微生物可以改变其宿主细胞的功能属性和适应性，从而有助于克隆进化。
2. 它们可以增加癌细胞的适应性；例如，在结直肠癌中，梭杆菌属细菌与增加的致癌性有关。
3. 梭杆菌阳性的肿瘤能够在患者来源的异种移植模型中植入，而梭杆菌阴性的肿瘤则不能，这种差异可以通过抗生素治疗逆转。
4. 细菌可以通过肽呈现等方式抑制或引发免疫反应，并且还可以介导癌细胞对治疗的抵抗，例如，通过将化疗药物代谢成无活性形式。
5. 人乳头瘤病毒干扰多种肿瘤抑制机制，并增加其所感染的新生细胞的适应性。

Para_03

1. 因此，细胞内微生物可能以可预测的方式促进克隆进化，这些方式可以纳入克隆进化模型。
2. 细胞内细菌的异质性和局灶性分布导致了‘微生物克隆内多样性’的概念，即同一遗传克隆的癌细胞的不同适应性依赖于细胞内细菌的存在。
3. 然而，将微生物在克隆进化中的作用整合起来存在理论上的挑战。
4. 其中之一是这些微生物的传播方式。
5. 它们可能通过垂直传播，因此仅代表受感染的癌细胞的一个亚克隆，也可能通过水平传播从一个细胞转移到另一个细胞。
6. 在后一种情况下，它们对癌细胞之间的树状遗传模式提出了质疑。
7. 此外，细菌本身可能经历其自身的进化动态。
8. 对肿瘤内细菌代谢活动的生物信息学分析表明，细菌受到肿瘤细胞及其微环境塑造的自身选择压力。
9. 因此，各种选择过程可能作用于癌细胞谱系和微生物谱系。

Para_04

1. 因此，癌细胞的进化可能不仅仅是一个简单的分支树状结构，而可能涉及分支之间的融合和传递（图3）。
2. 遗传和非遗传继承可能不仅仅是垂直的，有时也可能是水平的。
3. 此外，克隆进化可能不仅涉及癌细胞，还涉及可能改变癌细胞适应性的细胞内细菌和真菌。
4. 这些机制挑战了当前克隆进化模型的理论有效性，而不是癌细胞进化实际涉及的范围。
5. 因此，它们为提高克隆进化模型的理论能力开辟了途径。

Fig. 3: Clonal evolution is more complex than a bifurcating tree of cells.

• 克隆可以通过水平基因转移（虚线箭头）来传递可遗传信息，从而打破垂直遗传的假设。
• 紫色的豆形细胞代表细胞内微生物，它们会进化并拥有自己的谱系，由紫色虚线表示。
• 细胞元素也可以通过水平方式从细胞传递，包括从非恶性细胞到癌细胞，通过吸收细胞外囊泡、隧道纳米管、胞吞作用或细胞吞噬作用，这表现为细胞表面受体从蓝色细胞（例如，淋巴细胞）转移到灰色癌细胞。

Improving the theory of cancer

Para_01

1. ‘模型假设和局限性’部分讨论的克隆进化模型的挑战和局限性表明了改进模型的机会。
2. 我们将重点关注克隆进化模型的四个潜在扩展：遗传之外的多样性和时间尺度、表型可塑性、网状进化模式以及克隆的概念。

Inheritance and timescale

继承和时间尺度

Para_01

1. 遗传是任何癌症进化理论的核心概念。
2. 没有某种形式的遗传，就不可能有进化。
3. 然而，遗传的定义较为宽泛，且其定义存在争议。

Para_02