癌症的克隆进化模型于上世纪50年代至70年代发展起来，并在21世纪成为癌症生物学的核心。然而，随着对癌症的研究不断加深，癌症进展的进化观点受到了挑战。今天，小编要和大家分享一篇2024年9月发表在Nature Reviews Cancer（IF：60.7）上的文章，来自亚利桑那州立大学的卡洛·马利（Carlo Maley）和巴黎大学索邦大学的露西·拉普兰（Lucie Laplane）对癌症进化的主流理论提出了批判，讨论了癌症进化克隆模型的实践和理论局限性，并提出了增强其相关性和准确性的方法。
添加微信
介绍
癌症是在空间和时间上具有异质性的细胞群，这种异质性的一个解释机制是克隆进化：癌细胞通过遗传和表观遗传改变的积累来实现多样化，这可以改变细胞的相对适应性，从而导致克隆通过自然扩张或收缩。然而，癌症进展的进化观点受到了挑战，研究表明，癌症内的表型异质性在很大程度上独立于克隆的遗传学。
因此，作者首先通过对历史的回顾来探索对癌细胞进化的了解。然后，通过强调其基本假设来分析克隆进化模型的理论结构。最后，作者提出了一些建议和观点，加深对癌症克隆进化的理解。
什么是克隆进化模型？
1.历史视角
在 20 世纪 50 年代，Theodor Boveri 首次提出假设，即肿瘤可能是由异常有丝分裂引起的染色体缺陷产生的，该假设预测了癌症的克隆起源。随后，TS Hauschka提到“类似于系统发育的突变选择序列”，并认为“特定的肿瘤核型具有竞争性生存价值”。之后癌症的进化生物学进入了沉默的时期。直到二十一世纪，当高通量测序开始产生大量癌症遗传数据时，研究人员发现肿瘤内异质性和克隆扩增的临床重要性，并证实治疗往往会选择那些已经存在的、带有突变基因的克隆，从而使它们对治疗产生耐药性。
2.癌细胞是如何进化的？
体细胞可以通过自然选择进行进化，因为突变会导致细胞之间的遗传多样性，并且（至少某些）可以改变细胞的适应性。然而，悬而未决的问题是它们是否以及在多大程度上通过自然选择进化。
首先，癌细胞可以通过多种机制进化，除了自然选择，还有中性进化进化、线性进化或分支进化。
其次，虽然克隆进化模型传统上关注癌症（干）细胞的进化作为选择单位，但选择可能发生在更高水平（图1a），针对细胞群而不是单个细胞，例如在癌症干细胞及其非干细胞后代的集落中进行选择，或在上皮增殖单位（例如结肠隐窝）中进行选择。癌症中的选择也可能发生在细胞以下的水平，通过转座元件或染色体外DNA 以及也许微核的进化（图1b）。
图1. 自然选择导致的癌症进化可以同时在生物组织的多个层面上发挥作用3.克隆进化模型的价值是什么？
克隆进化模型可以重建过去的进化，预测未来潜在的进化（例如，对治疗的抵抗力），解释患者中发生的现象，并为新的治疗干预措施提供基础。
该模型的主要理论价值是解释癌症如何以及为何随时间以及对治疗的反应而变化。系统发育重建可以突出暴露和突变过程随时间的变化，还有助于药物靶向（例如，靶向克隆突变而不是亚克隆突变），并有助于通过选择耐药突变（例如表皮生长因子受体EGFR的T790M突变）来预测治疗耐药的风险。克隆进化模型也已用于风险分层和预后，使用克隆进化的测量（例如肿瘤内异质性）来预测哪些癌前期倾向于进展为侵袭性疾病以及哪些癌症倾向于致命。
更根本的是，克隆进化模型产生了深刻的概念转变，将癌症视为一个动态过程。该模型预测，大多数晚期癌症往往能够逃避任何治疗。
然而，需要注意的是克隆进化模型并不能解释癌症表型的一切。将癌细胞置于不同的微环境中，它们会表现出不同的行为。一个极端的例子是，将癌细胞置于健康的环境中可以使其行为 “正常化”。肿瘤内的表型异质性可能在很大程度上与基因型无关，表型可塑性越来越被认为是导致肿瘤内异质性和治疗逃逸的重要因素。
模型假设和限制
当前的克隆进化模型中的两个基本假设是：
（1）癌细胞的表型，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
（2）癌细胞的祖先关系形成了细胞的分支树
假设1：适应性很大程度上取决于基因型
从发育生物学众所周知，相同的基因型可以在正常细胞中产生广泛不同的表型，并且这也适用于癌细胞。因此，癌细胞的适应性很大程度上取决于其遗传的假设面临着许多挑战。
1.识别关键的克隆进化基因具有挑战性
大型联盟投入了大量精力对肿瘤进行测序以鉴定癌症基因，某些突变存在的统计显着性需要根据一些背景因素来评估，例如每个核苷酸的突变率、结构变异和样品的纯度，此外还需要将癌症突变频率与非癌组织中突变频率进行比较。例如， NOTCH突变在食道癌和皮肤癌中很常见，因此人们假设它是这些癌症的驱动基因。然而，由于NOTCH1突变在正常皮肤和食道上皮中比在这些组织的癌症中更常见，因此NOTCH1突变实际上可能对皮肤癌和食道癌都具有保护作用。因此，识别驱动突变并非易事。
识别癌症基因也存在概念问题。相同的突变在一种情况下可能是中性的，甚至是有害的（有害突变），而在另一种情况下却成为驱动因素，反之亦然。癌细胞的环境在疾病的自然发展过程中发生变化，但也由于衰老、干预和其他暴露变化而变化。
2.基因并不是唯一的遗传物质
许多表观遗传特性在细胞分裂时是可遗传的，并有助于克隆进化。其中一些是随机的和可遗传的，而另一些则受到细胞的控制，并且可能会响应某种形式的信号传导而发生变化。此外，一个基因克隆内可以有多个表观遗传亚克隆。
甚至，遗传特性可能超出遗传物质及其表观遗传改变。由于细胞繁殖是通过细胞分裂进行的，子细胞继承了母细胞的部分细胞质，包括细胞器、RNA和蛋白质。它们还继承了母细胞可能已改变的微环境。这可能会产生细胞表型的短期遗传力，其时间尺度取决于这些分子和微环境的波动和周转率。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意义。
3.一种基因型可以呈现多种表型
多细胞生物中的正常体细胞具有表型可塑性。从单一基因型开始，细胞可以由于至少三个非排他性过程而呈现出不同的表型：分化、对其他外在信号的反应以及随机波动（基因产物和表观遗传修饰）。后两者可以包括去分化、转分化或细胞状态的其他变化，例如代谢变化。癌细胞继承并改变了它们进化而来的正常细胞的表型可塑性。关于表型可塑性，有几点需要注意的。
首先，癌细胞的表型通常依赖于非遗传但可遗传的特性，例如表观突变。通过结合表观突变，这种表观遗传驱动的表型多样性可以很容易地整合到克隆进化模型中。
其次，表型可塑性的程度可以是遗传的，在基因组或表观基因组中编码。
第三，表型可塑性包括多种现象，例如分化（多细胞生物中强大的、有通道的、可预测的过程）、对外在信号的反应（也部分可预测，尽管以微环境信号为条件）和随机波动（不可预测）。
4.许多基因型可以产生相同的表型
这种现象可能是趋同进化、表型可塑性或非遗传因素的情况。作者认为，癌症的标志是由于自然选择作用于无关细胞而发生的趋同进化的情况。无论潜在的遗传学如何，分化过程和对环境信号的反应都可能导致相似的表型。
图2. 定义克隆就是划分癌细胞树假设2：癌细胞谱系是一棵树
克隆进化模型呈现细胞谱系的树形，其中细胞谱系分裂并死亡但不融合。克隆是通过来自单个共同祖先细胞的血统来定义的。遗传是垂直的，来自亲代细胞。此外，基于细胞谱系的克隆进化模型隐含地假设细胞是唯一的选择单位。一些观察结果对这些假设提出了质疑。
1.细胞融合和癌细胞繁殖模式
癌细胞可以融合成活的、可繁殖的细胞，从而产生细胞克隆群。细胞融合可以提高细胞的适应性，以及使融合细胞比原始细胞系更具恶性和治疗耐药性。细胞融合也被讨论为产生癌症干细胞的可能机制。
2.水平基因转移
克隆进化模型假设遗传与细胞分裂是垂直的。然而，已经描述了水平基因转移的几种机制，例如线粒体和DNA的交换。将去除线粒体 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，或移植去除线粒体DNA （mtDNA）的乳腺癌细胞系。
此外，由于从细胞外囊泡（包括来自垂死癌细胞的凋亡小体）摄取DNA，依赖这种方式的水平基因转移也可能发生在癌症中。
3.吞噬作用和水平转移
除了基因转移之外，表型特性也可以通过胞吞作用（一种细胞间膜片段转移的机制）水平转移。Trogocytosis 是癌细胞进化的一个相关现象，因为它允许细胞获得独立于其遗传学和表观遗传学的新表型特性，从而导致基因型和表型之间的不匹配。
细胞同类相食是另一个过程，它可以为细胞提供在特定选择压力下改变其适应性的特性。例如，转移性黑色素瘤细胞可以吞噬 T 细胞，从而使它们能够在血清剥夺下生存。但是，由于吞噬作用或细胞同类相食而导致的表型水平传递降低了这些表型的遗传力，从而降低了克隆进化模型的实际范围。
4.细胞内微生物
尽管克隆进化指的是癌细胞的进化，但癌细胞内微生物（例如病毒、细菌和真菌）的存在可能需要克隆进化的多物种观点。病毒长期以来一直与癌症发生有关，在它们直接引起癌变甚至整合到癌症基因组中的情况下，它们成为癌症中正在进化的遗传物质的一部分。最近的研究发现，细菌和真菌不仅存在于某些癌细胞周围，而且还可以存在于癌细胞内部，甚至有人认为大多数肿瘤内细菌是细胞内的。
细胞内微生物可以改变其宿主细胞的功能特性和适应性，从而促进克隆进化。因此，细胞内微生物可能以可预测的方式促进克隆进化。然而，微生物在克隆进化中的作用的整合存在理论上的挑战。其中之一是这些微生物的传播方式。它们可以垂直传播，因此简单地代表受感染癌细胞的亚克隆，也可以通过从一个细胞转移到另一个细胞来水平传播。此外，细菌本身也可能经历自己的进化动态。因此，各种选择性过程可以作用于癌细胞谱系和微生物谱系。
因此，癌细胞的进化可能不是简单的细胞分支树，而是可能涉及分支之间的融合和传播（图3）。遗传和非遗传遗传可能不仅是垂直的，有时也可能是水平的。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。
图3. 克隆进化比细胞的分叉树更复杂改进癌症理论
1.遗传和时间尺度
遗传是任何癌症进化理论的核心概念。已经提出了几种遗传形式的分类。这包括内部和外部遗传的区别。内部遗传包括通过细胞分裂（或细胞融合）传递的因素，例如遗传和表观遗传。外部遗传包含所有不通过细胞分裂传递的传递。内部遗传可以通过细胞谱系追踪，而外部遗传则不能。
此外，对遗传克隆进化的关注只能部分捕获进化的短时间尺度事件，有几种途径可以帮助改进这方面的模型。一种方法涉及使用各种分子钟重建克隆进化。DNA、拷贝数变异（CNV）和单核苷酸变异（SNV）大多在几年内发生变化。CpG位点的甲基化具有比SNV更快的时钟速率。对组蛋白的其他表观遗传修饰或通过信号转导对细胞状态的改变以及向遗传调控网络中的新吸引子状态的转变可以快速发生，并且在克隆进化模型中可能需要它们自己的分子时钟。
总之，任何持续时间短于细胞寿命的表型变化都不能成为克隆进化有意义的遗传特性。任何持续时间短于选择压力时间尺度的表型变化对细胞群响应该压力的进化几乎没有影响。相比之下，只要细胞群体中存在相关变异，产生持续时间与选择压力一样长或更长的表型变化的遗传机制对于群体对这些压力的反应就很重要。
图4. 不同时间尺度的遗传类型
2.表型可塑性
表型可塑性会削弱基因型和表型之间的关系，降低表型的遗传力，从而削弱自然选择的效果。然而，表型可塑性本身可以是一种适应性表型，并且通过自然选择已经进化了多次。至少有一个历史理论框架支持表型可塑性对遗传进化的贡献：鲍德温效应（the Baldwin effect），这是一种最初的表型适应后来通过遗传适应得到加强的过程。
鲍德温效应是一个三步过程：首先，一些癌细胞通过表型可塑性适应环境变化。表型可塑性的初始阶段使一些个体能够避免灭绝。其次，幸存的种群中发生了一些遗传（因此是可遗传的）变化，使它们能够在新环境中生存，而不必付出表型可塑性的代价。第三，这些基因决定的表型受到自然选择的青睐，并最终在群体中传播，因为它们实现了与表型可塑个体相同或更适合的表型，而无需付出可塑性的成本，这可能是一个代谢要求很高的过程。因此，鲍德温效应是一种特殊情况，其中适应最初是个体的和不可遗传的，然后变得遗传和选择的。
3.网状、基因渗入和开放谱系
细胞谱系通常被假设形成一棵树，但正如“假设 2：癌细胞谱系是一棵树”部分中讨论的，癌细胞可以发生融合，遗传也可以是水平的，可能存在线粒体、染色体外 DNA 片段的转移细胞膜，或细胞内细菌和真菌。这些过程都违反了树假设并影响系统发育重建，因为细胞树不一定与基因树匹配（图3）。因此有人认为，将进化表示为交错分支的网络或网可能更合适。
4.量化克隆多样性
可以测量克隆内同质性和克隆间异质性的程度。这可以通过测量克隆内部和克隆之间的任何两个细胞之间的距离来进行任何表型或基因型测量。
结论
毫无疑问，体细胞经历进化过程，包括遗传漂变和自然选择。它们获得了可遗传的改变，其中一些影响了它们的繁殖和生存。然而，进化过程在多大程度上解释癌症仍然存在争议，以及非进化机制也会导致癌症。
癌症进化动力学的事实界限超出了当前的理论，癌症进化理论需要扩展，以解释表型可塑性、替代遗传模式、水平基因转移、细胞谱系融合和更好的克隆多样性测量。改进的癌症进化理论应该会改善我们对癌症的预测、预后和治疗。
图5. 克隆进化的解释力
添加微信
