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Nature致命的转移性前列腺癌进化史

更新:2015年05月25日 阅读次数: 【字体:

癌症的发生发展符合达尔文进化论过程,单一原发肿瘤内往往有多个有竞争性的亚克隆。这种进化过程经过累积后可以形成转移,是90%癌症相关死亡的原因。尽管这在临床上很重要,但对这种癌细胞远处转移的基本理论知之甚少。

之前流行的假说是每个转移都起源于同一癌细胞。但近期对于小鼠癌症模型的研究证实多克隆转移和多个亚克隆间有协作关系。芬兰Bova教授等人尝试在人类恶性肿瘤寻找明确证据支持多克隆种植转移,探索转移性去势抵抗性前列腺癌(mCRPC)的不同转移亚克隆间的关系,相关研究发表在近期的Nature杂志上。

为了鉴定mCRPC亚克隆的结构,研究者对10例患者的51处不同转移部位的多个转移灶进行了全基因组测序(WGS);采集了5例患者的原发前列腺癌的病理标本,对标本进行了一系列高可信度的基因替代、插入/缺失、基因重排和拷贝数改变的检测。

为了便于描述每个患者的癌细胞突变,采用n-维Bayesian Dirichlet划分克隆和亚克隆突变(突变是存在于一个标本的所有癌细胞中还是部分癌细胞中),计算携带每种突变的癌细胞比重、肿瘤纯度、局部复制数量。

每份标本中突变以固定比例存在于单一群体的细胞里,这种突变就属于独立的亚克隆,是一种遗传学上不同的细胞群体。通过绘制配对标本中突变癌细胞的比例,确定每个标本中成分性亚克隆的关系,寻找转移灶多克隆种植的证据,其中最典型的结果来自A22病人的标本(图1)。

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图1. 显示A22病人的多克隆种植转移。

图1中,的每个图在(1,1)坐标处都包含一簇主干突变,这类突变存在于二处转移灶的大多数的共同前体细胞中,但在许多图中还存在符合亚克隆比率的附加簇。例如图1a中以紫色环显示的突变簇存在于A22-G的40%细胞中,A22-H的62%细胞中,A22-J的37%细胞中,A22-K的92%细胞中。

单个细胞种植产生的转移灶中,所有肿瘤细胞携带一系列相同的突变,在某些病例中,这些突变是原发肿瘤的亚克隆改变;存在于二个或多个标本中的多个亚克隆突变簇则只能是二个或多个遗传学上不同的细胞克隆种植的结果。

图1b显示的是A22病人10个标本的克隆和亚克隆细胞簇。在某处转移中一个亚克隆和另一个亚克隆相比,细胞比例相同或更低,按照抽屉原理这个亚克隆以嵌套椭圆表示。如果癌细胞比例簇在不同标本中发生改变,那么就称为分支克隆,以不相连椭圆表示。亚克隆间的线性关系以进化树形式描绘,其分支长度与相关克隆数量成比例(图1c)。

5个病例中(A34, A22, A31, A32, A24)发现多个突变簇在多个转移灶中以亚克隆存在,意味着在转移性前列腺癌中不同组织器官中多克隆种植是常见现象(图2)。从这些簇中选择出来的突变通过深度测序进一步证实。

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图2. 10例转移性致死性前列腺癌的亚克隆结构。

对亚克隆中已知的驱动事件进行分析为前列腺癌治疗中多克隆传播提供了重要信息。雄激素剥夺治疗(ADT)是转移性前列腺癌的标准治疗,能够在大部分病人中诱导肿瘤退缩,但ADT不可避免的导致多种机制的治疗拮抗,包括雄激素受体(AR)扩增、突变导致AR敏感性增加,AR磷酸化以及AR旁路途径。

现在不清楚去势治疗拮抗是单一事件获得的还是在多个细胞中独立出现所致。A22病人中,与多克隆种植密切相关的二个亚克隆携带不同的原癌基因改变,都与ADT拮抗有关,说明克隆扩增是由不同拮抗机制驱动:紫色簇中的MYC扩增和淡蓝色簇中的AR基因替代。

总之5个伴有多克隆种植的病例中,亚克隆或是携带AR改变,或是存在AR信号途径的基因改变,或是存在其它去势治疗拮抗机制如MYC扩增和CTNNB1突变,在再次转移的多个位点中都可以发现。这说明具有生存优势的肿瘤细胞群不会受组织器官位置界限的局限,能成功的传播并种植于其它位置(图2)。

转移位置间的精确关系揭示了转移-转移的种植模式,对前列腺肿瘤测序的病例显示,多处转移灶相互之间的关系更密切,远超过转移灶与原发肿瘤的关系(图2)。同一组织中的转移关系密切,生理位置相近的转移相似。这就产生了问题:同一组织转移的相似性是位置相近的结果还是组织特异性种植的结果?

为了进一步探讨各个肿瘤标本间的关系,决定进一步明确突变的获得顺序。从最近的祖代细胞开始,观察代表系列选择性剔除突变的附加簇的累积。进化树可以清楚显示事件发生的顺序,以干图形式表示一个位置到另一个位置克隆的出现和移动(图3)。

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图3. 转移 - 转移的种植模式以线性传播或是以分支传播。

不同位置发现的亚克隆表现能够解释二种不同模式的传播:线性或分支传播。A22病例证实二种模式共存(图3a)。红色和淡绿色亚克隆存在于所有转移灶中,显示从前列腺到精囊的线性传播,并从精囊到其它转移灶。其它位置亚克隆的传播模式比较复杂,出现分支系,并证实每个转移灶都是转移-转移的传播种植模式。

A21中克隆性突变的逐步累积显示了单一线性模式的转移-转移的传播种植(图3b)。A24在经过转移-转移的传播种植后,在多个转移灶中出现平行的多个亚克隆种植(图3c)。这种从一处转移传至下一处的转移种植模式在10名病人中的8名病人都存在,但尚不能除外其它解释。

在4份病例中,前列腺肿瘤中发现的亚克隆突变在所有转移灶中却是克隆性改变,这说明是转移性亚克隆,进化树重构显示转移来源于一个小的亚克隆,占肿瘤细胞不足50%。在3份病例中,原发肿瘤中一个以上的亚克隆存在于转移种植中,显示多个亚克隆获得了转移潜能。

在2份病例中,驱动性改变赋予转移性亚克隆的选择优势(图2),其中A32例中,TP53的二个拷贝及PTEN、RB1、CDKN1B21的一个拷贝在肿瘤进展早期失活(图2)。其它畸变分别发生在紫色和淡蓝色亚克隆,获得了上述肿瘤抑制基因的同源性失活,这种失活是通过独立机制获得的。

在另一份A31病例中,PPP2R5A缺失或AR重复突变发生在转移性亚克隆中(紫色或桔色),有趣的是粉色簇未显示转移传播证据,尽管粉色簇存在许多重要的原癌基因改变如影响TP53和MLL3的事件(图2)。

对进化树上原癌基因的解释能够明确一些原癌基因事件的发生顺序,这些事件发生在ADT治疗时发生转移性进展期间。除了A34病人,每个病人的肿瘤细胞分享共同的克隆起源(图2,灰色簇),祖代克隆代表着突变的最大簇,包含大部分驱动突变(图2、4a、4b)。
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图4. 驱动肿瘤发生的突变是主干突变, 而驱动去势治疗拮抗的突变表现为进化趋同。

相反导致AR信号损害的原癌基因改变很少出现在主干突变簇上。所有病人都至少有一个直接影响AR位点的改变,或是AR信号途径有关基因的改变,但异质性相当大,同一病人的多个标本中还可观察到进化趋同。

大部分病例中,AR信号途径畸变看起来发生在转移性传播之后,只有A21和A24病例除外。前者所有标本中存在包括AR位点在内的大的冗长复制,说明这是一个早期事件。后者具有主干性T878A突变,在二个附加转移中也可检测到。

有趣的是染色体2和X间的一系列复杂重排导致AR扩增在这些标本中并没有检测到(图4c)。因为ADT对这种扩增可能具有选择性,从镰状韧带至右腋淋巴结的传播可能发生在ADT后,ADT是在死亡前的2年9个月时开始使用(图3c)。

在所有队列中,17个AR扩增中只有一个是主干性扩增,其余的只存在于部分转移灶中,而且5名病人中AR拷贝数在同一病人的标本中不只一次增高(图4c),这说明AR途径持续存在选择性压力。

这项研究前所未有的阐明了转移性前列腺癌的基因组进化,从最初的肿瘤发生到获得转移性潜能到出现去势拮抗。所有的肿瘤细胞享有共同的遗传物质,从一个位置传播到另一个位置时仍保留先祖的遗传特质。在最近的完全性的选择剔除发生前,转移通常在远处位置间发生传播,而不是原发肿瘤的再次侵袭。

这个观察结果支持“种子与土壤”假说,该假说认为在原发肿瘤中罕见形成具有转移潜能的亚克隆组。从一个位置到另一个位置的细胞转化相对常见,或是单克隆转移-转移种植或是多克隆种植。克隆多样化驱动不同的亚克隆朝向治疗拮抗的共同途径发展,但具有拮抗性的亚克隆不只局限于单一宿主位置。多个肿瘤克隆在宿主中竞争优势位置贯穿始终。

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