【佳學(xué)基因檢測】腫瘤是怎么發(fā)生的，什么時候會遺傳？

佳學(xué)基因?qū)?a href='http://www.hyjhsj.com/cp/zhongliu/' target='_blank'>癌癥的全面認(rèn)識 

癌癥是跨空間和跨時間異質(zhì)性的細(xì)胞群。這種多樣性目前是一個主要的臨床問題，限制了大多數(shù)癌癥治療的效率，因為通常存在一個對任何治療都具有抗性的細(xì)胞亞群。這種多樣性還限制了預(yù)后的準(zhǔn)確性和腫瘤的精準(zhǔn)治療預(yù)測其對干預(yù)如何反應(yīng)的能力，因為活檢可能不能代表整個腫瘤，并且其隨時間變化的方式具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。因此，迫切需要更好地了解這種多樣化所涉及的機(jī)制，以更好地管理癌癥。在 21 世紀(jì)，一種細(xì)胞多樣化的解釋機(jī)制得到了關(guān)注，那就是克隆進(jìn)化：癌細(xì)胞通過遺傳和表觀遺傳變異的積累而多樣化，這可以改變細(xì)胞的相對適應(yīng)性，從而導(dǎo)致克隆通過自然選擇而擴(kuò)張或收縮。進(jìn)化的原理和群體遺傳學(xué)工具可以并已經(jīng)成功地應(yīng)用于癌細(xì)胞。然而，癌癥進(jìn)展的進(jìn)化觀受到了挑戰(zhàn)，佳學(xué)基因腫瘤基因解碼表明，癌癥內(nèi)的表型異質(zhì)性在很大程度上可以獨立于克隆的遺傳學(xué)。鑒于自然選擇的進(jìn)化作用于表型并依賴于其遺傳性，這些數(shù)據(jù)質(zhì)疑了克隆進(jìn)化模型的相關(guān)性?，F(xiàn)在是時候評估克隆進(jìn)化模型的優(yōu)勢、劣勢和改進(jìn)機(jī)會了。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，腫瘤的精準(zhǔn)治療首先通過對歷史和當(dāng)代文獻(xiàn)的回顧，探索有關(guān)癌細(xì)胞進(jìn)化的已知知識。然后，腫瘤的精準(zhǔn)治療通過強(qiáng)調(diào)其基本假設(shè)來分析克隆進(jìn)化模型的理論結(jié)構(gòu)。通過這樣做，腫瘤的精準(zhǔn)治療打算找出當(dāng)前模型固有的理論和概念張力和困難。最后，腫瘤的精準(zhǔn)治療提出了一些建議和觀點，這些建議和觀點可以幫助解決一些問題并增強(qiáng)克隆進(jìn)化在癌癥中的解釋相關(guān)性。

克隆進(jìn)化模型是怎樣的？

歷史視角

克隆進(jìn)化模型是一個抽象模型，描述了患者體內(nèi)癌細(xì)胞的進(jìn)化。這個模型通常被認(rèn)為是 Peter Nowell 提出的，但 Nowell 本人一直明確表示，他只是在總結(jié)社區(qū)發(fā)展起來的思想。對腫瘤內(nèi)異質(zhì)性的觀察以及癌細(xì)胞進(jìn)化的思想早在 1976 年之前就已存在，而它的成功則發(fā)生在后來。

20 世紀(jì) 50 年代，進(jìn)化的概念經(jīng)常在腫瘤學(xué)中使用，以描述癌癥進(jìn)展，盡管并不總是意味著達(dá)爾文式的過程。在此期間，對癌細(xì)胞核型的佳學(xué)基因腫瘤基因解碼支持了 Theodor Boveri 首次提出的假設(shè)，即腫瘤可能由有絲分裂異常導(dǎo)致的染色體缺陷引起，這預(yù)示了癌癥的克隆起源。核型分析還可以觀察到癌細(xì)胞所含染色體數(shù)量的變化，并且作為單細(xì)胞全基因組分析，在揭示癌細(xì)胞的進(jìn)化中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。核型觀察直接提出了這樣的問題：腫瘤是否由多種細(xì)胞株組成，每種細(xì)胞株都有固定數(shù)量的染色體，或者腫瘤細(xì)胞的核型是否可以改變，如果是，這種變化是隨機(jī)的還是可遺傳和選擇的。TS Hauschka 直接提到“類似于系統(tǒng)發(fā)育的突變選擇序列”，并認(rèn)為“特定的腫瘤核型具有競爭性生存價值”。許多技術(shù)被用于解決癌癥克隆起源的問題，包括費(fèi)城染色體的發(fā)現(xiàn)、女性葡萄糖-6-磷酸脫氫酶兩個等位基因之一的隨機(jī)體細(xì)胞失活或免疫球蛋白重鏈重排。

所有這些實驗都趨向于癌癥克隆起源的假說，腫瘤內(nèi)的異質(zhì)性源自可能經(jīng)歷選擇的后續(xù)變異。在大多數(shù)這些論文中，進(jìn)化概念都處于背景中，但有些論文直接討論了應(yīng)用于癌癥的進(jìn)化原理。英國細(xì)胞遺傳學(xué)家 CE Ford 發(fā)表了一篇論文，專門討論健康、受輻射或癌變體細(xì)胞中的選擇壓力，捍衛(wèi)了以下假說：“不平衡的核型變化會影響存活和增殖的概率”，因此“細(xì)胞群的核型結(jié)構(gòu)將是選擇力對其內(nèi)部產(chǎn)生的變異性作用的結(jié)果”。 ”  J. Lejeune 認(rèn)為選擇假設(shè)對于克隆進(jìn)化模型的連貫性是必要的，并明確提到使用核型來重建“克隆的自然歷史”，將這種重建與“古生物學(xué)家從一個形式到另一個形式重建門的歷史的方法” 。

在諾維爾對癌癥進(jìn)化模型進(jìn)行優(yōu)雅總結(jié)之后，腫瘤的精準(zhǔn)治療得到的卻是一片沉寂。癌癥的進(jìn)化生物學(xué)沉寂了幾十年，只有少數(shù)科學(xué)家在諾維爾的框架基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建。直到 21 世紀(jì)，這個領(lǐng)域才開始發(fā)展。當(dāng)高通量測序開始生成大量癌癥基因數(shù)據(jù)時，人們對癌癥進(jìn)化的興趣加速增長，這可能并非巧合。隨后，人們很快觀察到腫瘤內(nèi)異質(zhì)性和克隆擴(kuò)增 的臨床重要性，同時證實了療法通常會選擇預(yù)先存在的帶有突變的克隆，這些克隆會使它們對療法產(chǎn)生抗藥性。 盡管臨床影響仍然有限，但進(jìn)一步的佳學(xué)基因腫瘤基因解碼表明，癌癥治療的進(jìn)化方法可以顯著縮短進(jìn)展時間和總體生存率。在所有這一切中，關(guān)于進(jìn)化生物學(xué)和生態(tài)學(xué)如何有效應(yīng)用于癌癥的佳學(xué)基因腫瘤基因解碼的評論可能有助于為未來的進(jìn)展奠定基礎(chǔ)。

癌細(xì)胞如何進(jìn)化？

任何具有多種可遺傳特性的實體群體都可以通過自然選擇進(jìn)化，這些特性可能導(dǎo)致實體之間的適應(yīng)度差異。體細(xì)胞就是這樣的實體，可以通過自然選擇進(jìn)化，因為突變會導(dǎo)致細(xì)胞之間的遺傳多樣性，并且（至少是一些）可以改變細(xì)胞的適應(yīng)度。懸而未決的問題是它們是否以及在多大程度上通過自然選擇進(jìn)化，這個問題一直受到科學(xué)家和哲學(xué)家的爭論。

重要的是要認(rèn)識到癌細(xì)胞可以通過多種機(jī)制進(jìn)化。雖然它們可以通過自然選擇進(jìn)化，但有些腫瘤幾乎沒有自然選擇的證據(jù)，似乎主要通過中性進(jìn)化進(jìn)化。數(shù)學(xué)中性進(jìn)化模型與大約三分之一的實體瘤、多發(fā)性骨髓瘤和慢性粒單核細(xì)胞白血病的遺傳數(shù)據(jù)一致。另一項泛分析也強(qiáng)調(diào)，在生殖系中占主導(dǎo)地位的負(fù)選擇在癌癥和體細(xì)胞進(jìn)化中幾乎不存在。雖然克隆進(jìn)化最初被認(rèn)為是一個連續(xù)漸進(jìn)的過程，但事實證明也可能發(fā)生突發(fā)性變化。克隆進(jìn)化可以通過停滯、漸進(jìn)或間斷的方式發(fā)生，不同的分子鐘以不同的速度滴答作響，并且可以通過線性進(jìn)化或分支進(jìn)化進(jìn)行。癌細(xì)胞克隆進(jìn)化的過程多種多樣。

此外，盡管克隆進(jìn)化模型傳統(tǒng)上側(cè)重于癌癥（干細(xì)胞）細(xì)胞作為選擇單位的進(jìn)化，選擇可能發(fā)生在更高水平（圖 1a ），即細(xì)胞群體而非單個細(xì)胞上。例如，關(guān)于轉(zhuǎn)移瘤之間是否存在自然選擇的進(jìn)化存在爭議，每個轉(zhuǎn)移瘤都算作一個生殖實體，從而產(chǎn)生進(jìn)一步的繼發(fā)性轉(zhuǎn)移瘤。更高水平的選擇也可以在癌癥干細(xì)胞群落及其非干細(xì)胞子代中選擇，也可以在可能分裂和死亡的上皮增殖單位（如結(jié)腸隱窩）中進(jìn)行選擇。癌癥的選擇也可能發(fā)生在細(xì)胞以下的水平，通過轉(zhuǎn)座因子或染色體外 DNA以及可能的微核的進(jìn)化進(jìn)行，前提是它們能夠獨立于細(xì)胞復(fù)制而進(jìn)行復(fù)制（圖 1b）。選擇可能在細(xì)胞之上和之下的其他層面上起作用，這一事實并不違背克隆進(jìn)化模型。它增加了該模型的復(fù)雜性，就像有機(jī)體之上和之下的多層次選擇并不違背進(jìn)化論，而是增加了該模型的復(fù)雜性一樣。

 

 

克隆進(jìn)化模型有什么價值？

克隆進(jìn)化模型整合了有關(guān)癌細(xì)胞進(jìn)化的現(xiàn)有知識。這是一個高度理論化的框架。它不僅旨在描述，還旨在重建過去的進(jìn)化，預(yù)測潛在的未來進(jìn)化（例如對治療的抵抗力），解釋患者身上發(fā)生的現(xiàn)象，并為新的治療干預(yù)提供基礎(chǔ)。腫瘤的精準(zhǔn)治療將這些特性稱為克隆進(jìn)化模型的理論價值。

該模型的主要理論價值是解釋癌癥隨時間推移和對治療的反應(yīng)如何變化以及原因。系統(tǒng)發(fā)育重建描述了癌癥的自然史。例如，克隆突變（也稱為“截短突變”）往往不同于亞克隆突變（也稱為僅出現(xiàn)在“分支”上的突變）。系統(tǒng)發(fā)育重建可以突出顯示暴露和突變過程隨時間的變化，例如，患有肝細(xì)胞癌的非洲移民在抵達(dá)法國后的幾年內(nèi)失去了黃曲霉毒素 B1 相關(guān)突變特征。它還表明，與預(yù)期相反，轉(zhuǎn)移可以在致癌早期發(fā)生。從這些系統(tǒng)發(fā)育重建中獲得的經(jīng)驗教訓(xùn)還有助于藥物靶向（例如，靶向克隆突變而不是亞克隆突變），并通過選擇耐藥突變幫助預(yù)測治療耐藥的風(fēng)險，例如表皮生長因子受體 (EGFR) 的 T790M 突變導(dǎo)致肺癌對第一代 EGFR 抑制劑產(chǎn)生耐藥性。許多突變與治療耐藥性有關(guān)，現(xiàn)在臨床醫(yī)生可以更好地決定應(yīng)用哪種治療方法?？寺∵M(jìn)化模型也用于風(fēng)險分層和預(yù)后，使用克隆進(jìn)化的指標(biāo)，如腫瘤內(nèi)異質(zhì)性，來預(yù)測哪些癌前病變可能發(fā)展為侵襲性疾病，哪些癌癥可能致命。

克隆進(jìn)化模型預(yù)測，不同的環(huán)境將改變突變克隆的擴(kuò)增能力。例如，在造血系統(tǒng)中，突變克隆會隨著衰老而出現(xiàn)，這一過程稱為克隆造血。不同的環(huán)境變化可能導(dǎo)致克隆造血，例如衰老、化療、感染、吸煙。但每種變化都傾向于選擇不同類型的突變?？寺≡煅舶殡S著各種突變，以及隨著年齡增長而產(chǎn)生的各種動態(tài)。這也有助于解釋癌癥的晚期發(fā)生，因為隨著年齡增長，健康細(xì)胞適應(yīng)度的下降為突變克隆的選擇提供了較弱的競爭對手。請注意，促進(jìn)理論有時被認(rèn)為與體細(xì)胞突變理論相反，但這兩種理論在克隆進(jìn)化的背景下是兼容的，因為適應(yīng)度取決于細(xì)胞的內(nèi)在屬性和外在屬性。

更根本的是，克隆進(jìn)化模型產(chǎn)生了一個深刻的概念轉(zhuǎn)變，將癌癥視為一個動態(tài)過程。因此，它導(dǎo)致尋找靈丹妙藥的治療策略失去信譽(yù)，并要求改變佳學(xué)基因腫瘤基因解碼和治療實踐。該模型預(yù)測，大多數(shù)晚期癌癥可能能夠逃避任何治療。這導(dǎo)致了各種關(guān)于如何基于進(jìn)化原則開發(fā)療法的主張，例如藥物假期、隨時間改變藥物以及管理克隆動態(tài)的適應(yīng)性療法，以防止對治療有抗性的克隆失控擴(kuò)張。

多年來對克隆進(jìn)化模型各方面進(jìn)行的觀察和實驗證實了其理論價值。然而，它并不能解釋癌癥表型的一切。將癌細(xì)胞置于不同的微環(huán)境中會使它們表現(xiàn)出不同的行為。一個極端的例子是將癌細(xì)胞置于健康環(huán)境中可以使其行為正?；?。表型腫瘤內(nèi)異質(zhì)性可能在很大程度上與基因型6無關(guān)，表型可塑性越來越被認(rèn)為是腫瘤內(nèi)異質(zhì)性和治療逃避的重要因素。

模型假設(shè)和局限性

克隆進(jìn)化模型的性能取決于兩個不同的方面，一個是事實上的，即進(jìn)化過程對癌癥的貢獻(xiàn)程度，一個是理論上的，即當(dāng)前克隆進(jìn)化模型捕捉這些過程的程度。該模型的前提是進(jìn)化過程確實在癌癥中發(fā)揮著作用。數(shù)十年的證據(jù)支持這一點。然而，該模型的重要性仍是一個懸而未決的問題。進(jìn)化過程對癌癥的影響越大，克隆進(jìn)化模型就越有意義?？寺∵M(jìn)化模型的理論性能是另一個問題。當(dāng)前模型可能僅部分捕捉到進(jìn)化過程在癌癥中的實際參與。重要的是將與進(jìn)化過程的事實參與相關(guān)的挑戰(zhàn)與與模型理論性能相關(guān)的挑戰(zhàn)分開。后者可以通過擴(kuò)展當(dāng)前模型來解決。

腫瘤的精準(zhǔn)治療發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前克隆進(jìn)化模型中存在兩個重要但值得懷疑的潛在假設(shè)：（1）癌細(xì)胞的表型，尤其是其適應(yīng)度，被認(rèn)為在很大程度上取決于其基因型（克隆進(jìn)化佳學(xué)基因腫瘤基因解碼歷來以遺傳學(xué)方法為主）；（2）癌細(xì)胞之間的祖先關(guān)系被認(rèn)為形成一個細(xì)胞分支樹，而這兩者實際上都不是系統(tǒng)進(jìn)化所必需的。腫瘤的精準(zhǔn)治療將詳細(xì)分析這兩個假設(shè)，尋找該模型的局限性和批評，并區(qū)分哪些是進(jìn)化理論對癌癥解釋程度的真正限制（事實范圍），哪些是改進(jìn)當(dāng)前克隆進(jìn)化模型的邀請（理論局限性）。

假設(shè) 1：適應(yīng)度很大程度上取決于基因型

克隆進(jìn)化模型源自現(xiàn)代進(jìn)化綜合理論，這是達(dá)爾文進(jìn)化論的一種數(shù)量遺傳理論，將進(jìn)化定義為一個群體中遺傳變異頻率隨空間和時間的變化。作為一個數(shù)學(xué)和理論框架，它需要一些簡化的假設(shè)，特別是將生物體簡化為其遺傳學(xué)。在腫瘤學(xué)中，特定的基因變異已被鑒定并描述了它們在疾病的發(fā)展和演變中的關(guān)鍵功能作用，這導(dǎo)致了 20 世紀(jì) 80 年代致癌基因和腫瘤抑制基因概念的成功。然而，從發(fā)育生物學(xué)中眾所周知，相同的基因型可以在正常細(xì)胞中產(chǎn)生截然不同的表型，這也適用于癌細(xì)胞。癌細(xì)胞的適應(yīng)性很大程度上依賴于其基因的假設(shè)面臨著許多挑戰(zhàn)。

識別關(guān)鍵的克隆進(jìn)化基因具有挑戰(zhàn)性

大型聯(lián)盟已投入大量精力對腫瘤進(jìn)行測序以識別癌癥基因，并且已識別出一些混雜因素，例如基因的大小及其在脆性部位的位置。某些突變存在的統(tǒng)計學(xué)意義需要根據(jù)一些背景因素進(jìn)行評估，例如每個核苷酸的突變率、結(jié)構(gòu)變異和樣本純度。鑒于典型的癌癥驅(qū)動基因的突變存在于體細(xì)胞健康組織中，將癌癥中的突變頻率與非癌組織中的突變頻率進(jìn)行比較似乎也至關(guān)重要。例如，NOTCH1突變在食道癌和皮膚癌中很常見，這導(dǎo)致人們假設(shè)它是這些癌癥的驅(qū)動基因。然而，由于NOTCH1突變在正常皮膚和食道上皮中比在這些組織的癌癥中更常見，因此 NOTCH1 突變實際上可能對皮膚癌和食道癌起到保護(hù)作用。因此，識別驅(qū)動突變并非易事。

在識別癌癥基因時還存在概念問題。相同的突變在一種情況下可能是中性的甚至是有害的，而在另一種情況下卻成為驅(qū)動因素，反之亦然。起源細(xì)胞的概念說明了這一現(xiàn)象：相同的突變可能產(chǎn)生不同的影響，具體取決于它發(fā)生在哪個細(xì)胞中。同樣，治療方法會改變細(xì)胞的環(huán)境，細(xì)胞可以選擇具有特定抗性突變的克隆，這些克隆在治療期間擴(kuò)增，在停止治療時消退。126治療會產(chǎn)生劇烈而快速的選擇壓力，但也可能出現(xiàn)較慢的變化，但后果相同。例如，衰老會改變細(xì)胞的適應(yīng)度狀況，因此突變對年輕人來說可能是中性的甚至是有害的，但在衰老的情況下卻是有利的。適應(yīng)度從定義上來說總是與特定環(huán)境有關(guān)。癌細(xì)胞的環(huán)境會在疾病的自然發(fā)展過程中發(fā)生變化，但也會因衰老、干預(yù)和其他暴露變化而發(fā)生變化。識別驅(qū)動突變的困難使基于驅(qū)動突變定義克隆的努力變得復(fù)雜（見框 1）。

框 1 |. 什么是克隆？

克隆進(jìn)化模型基于對不同克隆細(xì)胞在時間和空間上的分析。因此，克隆的概念至關(guān)重要，但很少得到明確定義。人們普遍認(rèn)為，癌癥克隆是一群從共同祖先那里遺傳下來的具有共同身份的細(xì)胞。但人們用來識別克隆的改變因佳學(xué)基因腫瘤基因解碼而異。

傳統(tǒng)上，克隆的身份基于基因型，或者更確切地說是基因型的一部分?？寺〉牡湫投x是：“一組來自共同祖先并因此具有共同遺傳特征的細(xì)胞”。出于實際原因，克隆進(jìn)化佳學(xué)基因腫瘤基因解碼通?；隍?qū)動突變。一些佳學(xué)基因腫瘤基因解碼使用允許更廣泛分析基因組的技術(shù)，例如全外顯子組測序，甚至全基因組測序，這些技術(shù)不依賴于哪些突變與癌癥有關(guān)的先驗知識。最后，一些佳學(xué)基因腫瘤基因解碼傾向于使用中性突變作為追蹤克隆進(jìn)化的無偏方法。

在克隆的識別中，還有一個更基本的本體論和認(rèn)識論挑戰(zhàn)?？寺∵M(jìn)化模型依賴于從不完整信息中重建克?。耗[瘤的精準(zhǔn)治療既無法獲得所有癌細(xì)胞，也無法獲得每個單細(xì)胞的所有遺傳特性。這可能導(dǎo)致克隆幻覺，因為活檢只在亞克隆內(nèi)進(jìn)行，所以亞克隆突變似乎是克隆的。它還依賴于佳學(xué)基因腫瘤基因解碼人員的選擇，即哪些改變與定義克隆相關(guān)，哪些可以忽略。更改被認(rèn)為相關(guān)并因此用于重建克隆進(jìn)化的突變列表會影響重建。例如，識別出的克隆數(shù)量將取決于佳學(xué)基因腫瘤基因解碼的基因數(shù)量以及測序深度。作為這個問題的一個極端例證，人們可以將克隆定義為基因組相同的一組細(xì)胞。然而，單細(xì)胞水平的全基因組測序可能會揭示每個癌細(xì)胞都是獨一無二的，因此可以算作一個新的克隆，從而使克隆的概念變得毫無用處?？寺∵M(jìn)化模型的歷史表明，這些關(guān)于應(yīng)該使用哪些改變來定義克隆的選擇隨著時間的推移而發(fā)生了變化。這種歷史偶然性凸顯了克隆定義的任意性。在多元化的方法中，人們可以爭辯說哪種克隆劃分是正確的或最好的，將取決于人們所采用的觀點和目標(biāo)?？寺澐质欠袷且粋€問題以及在多大程度上是一個問題，很大程度上取決于對克隆進(jìn)化模型的期望。例如，對于任何通過計數(shù)克隆來量化腫瘤內(nèi)異質(zhì)性的佳學(xué)基因腫瘤基因解碼來說，這都是一個問題。對于那些可能想要重建各種癌細(xì)胞之間（例如不同位置的轉(zhuǎn)移之間）的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的人來說，這不是什么問題。

對于克隆身份，存在一些不同的觀點：目前已有多項佳學(xué)基因腫瘤基因解碼使用表觀遺傳學(xué)重建癌癥進(jìn)化。少數(shù)佳學(xué)基因腫瘤基因解碼支持表型或功能性克隆身份。例如，克隆被定義為“具有相同表型的一組細(xì)胞，這些細(xì)胞自最近的共同祖先以來一直表現(xiàn)出該表型”。如果一組干細(xì)胞具有相同的表型并具有最近的共同祖先，則該定義可能將其稱為克隆，但會排除細(xì)胞譜系樹上同一分支的所有非干細(xì)胞。相比之下，在發(fā)育生物學(xué)中，克隆被定義為“單個祖先細(xì)胞的體內(nèi)后代”，相當(dāng)于系統(tǒng)發(fā)育中的單系分支。

每種癌癥下都有一棵細(xì)胞譜系樹，描述癌癥內(nèi)細(xì)胞的關(guān)系和歷史。定義克隆就是劃分進(jìn)化樹的問題（圖 2）。

基因并不是唯一的遺傳物質(zhì)

現(xiàn)在人們已經(jīng)充分認(rèn)識到許多表觀遺傳特性在細(xì)胞分裂時是可遺傳的，并可促進(jìn)克隆進(jìn)化，包括轉(zhuǎn)移的進(jìn)化和對藥物的耐藥性。然而，表觀遺傳學(xué)涵蓋了廣泛的現(xiàn)象，其中一些是隨機(jī)的和可遺傳的，而另一些則受細(xì)胞控制，可能因某種形式的信號而發(fā)生變化，例如在分化過程中。可遺傳的改變可以作為表觀突變整合到克隆進(jìn)化中。佳學(xué)基因腫瘤基因解碼發(fā)現(xiàn)遺傳和表觀遺傳克隆進(jìn)化之間存在一致性，這是有道理的，因為癌細(xì)胞有一個統(tǒng)一的譜系。此外，一個遺傳克隆內(nèi)可以有多個表觀遺傳亞克隆，反之亦然。這又提出了一個問題：使用什么信息來描繪和計數(shù)克?。?1，圖 2）。當(dāng)模型僅依賴于基因突變時，表觀遺傳改變會挑戰(zhàn)克隆進(jìn)化模型的理論準(zhǔn)確性，但不會挑戰(zhàn)其事實范圍。

可遺傳特性可能超出遺傳物質(zhì)及其表觀遺傳改變的范圍。當(dāng)細(xì)胞通過細(xì)胞分裂繁殖時，子細(xì)胞會繼承母細(xì)胞的一部分細(xì)胞質(zhì)，包括細(xì)胞器、RNA、蛋白質(zhì)。它們還繼承了母細(xì)胞可能已經(jīng)改變的微環(huán)境。這可能會產(chǎn)生細(xì)胞表型的短期遺傳性，時間尺度取決于這些分子和微環(huán)境的波動和周轉(zhuǎn)率。在細(xì)菌中，使用將兩個子細(xì)胞分離在獨立生長通道中的姊妹機(jī)器，發(fā)現(xiàn)不同的非遺傳性狀在不同的時間尺度（從 2 代到 10 代）下呈現(xiàn)不同的“記憶”模式。在黑色素瘤細(xì)胞系中，鑒定出 227 個表現(xiàn)出瞬時可遺傳高表達(dá)（約 40 小時，有時可達(dá) 5 天）的基因，其中149 個162 個之前與治療耐藥性有關(guān)。個細(xì)胞經(jīng)過分選，高表達(dá)了兩個暫時性遺傳基因，特別是 EGFR 和神經(jīng)生長因子受體 (NGFR)，對 MEK 抑制劑曲美替尼的耐藥性比未分類的細(xì)胞高得多。

不同時間尺度上的遺傳特性在很大程度上仍被忽視，但考慮到治療干預(yù)的持續(xù)時間很短，這些替代形式的遺傳可能具有臨床意義。如下所述，提高腫瘤的精準(zhǔn)治療對遺傳的理解可能會提高克隆進(jìn)化的理論表現(xiàn)。

一種基因型可以呈現(xiàn)多種表型

多細(xì)胞生物中的正常體細(xì)胞具有表型可塑性。表型可塑性長期以來一直在發(fā)育領(lǐng)域進(jìn)行佳學(xué)基因腫瘤基因解碼，并且人們越來越認(rèn)識到它在癌癥中的重要性。由于至少三個非排他性過程，單一基因型的細(xì)胞可以呈現(xiàn)不同的表型：分化、對其他外部信號的反應(yīng)以及隨機(jī)波動（基因產(chǎn)物和表觀遺傳修飾）。后兩者可以包括去分化、轉(zhuǎn)分化或細(xì)胞狀態(tài)的其他變化，例如代謝變化。癌細(xì)胞繼承并修改了它們進(jìn)化而來的正常細(xì)胞的表型可塑性。

目前，克隆進(jìn)化模型忽略了獨立于基因型的表型變異。因此，可塑性被視為對克隆進(jìn)化模型實際范圍的挑戰(zhàn)：非遺傳可塑性與癌癥的因果關(guān)系越大，進(jìn)化過程就越少。例如，一項關(guān)于接受輔助內(nèi)分泌療法治療的雌激素受體陽性乳腺癌的休眠和復(fù)發(fā)的佳學(xué)基因腫瘤基因解碼表明，這種治療會隨機(jī)誘導(dǎo)來自隨機(jī)克隆多樣性的一部分癌細(xì)胞進(jìn)入不穩(wěn)定的休眠狀態(tài)。在這種情況下，自然選擇的進(jìn)化對癌細(xì)胞在治療中存活的能力沒有多大影響。然而，表型可塑性的概念模糊性掩蓋了爭論。某些可塑性情況可能是遺傳的，實際上只是一個理論挑戰(zhàn)，可以將其納入以改進(jìn)克隆進(jìn)化模型。

首先，癌細(xì)胞的表型通常依賴于非遺傳但可遺傳的特性，例如表觀突變。這種表觀遺傳驅(qū)動的表型多樣性可以通過納入表觀突變輕松整合到克隆進(jìn)化模型中。這同樣適用于任何其他有助于細(xì)胞表型的非遺傳遺傳特性。

其次，表型可塑性的程度是可遺傳的，編碼在基因組或表觀基因組中。某些細(xì)胞譜系可能比其他細(xì)胞譜系更具可塑性，這為它們在改變微環(huán)境中提供了優(yōu)勢。其他細(xì)胞的表型非常穩(wěn)定，例如完全分化的細(xì)胞。一些（表觀）突變可能會增加細(xì)胞的可塑性，而對這些（表觀）突變的選擇將通過直接選擇它們產(chǎn)生的表型而間接進(jìn)行。有關(guān)于突變率演變和表型可塑性演變的相關(guān)文獻(xiàn)，可用于將表型可塑性整合到克隆進(jìn)化模型中。

第三，表型可塑性，包括多種現(xiàn)象，如分化（多細(xì)胞生物中一種穩(wěn)健、有引導(dǎo)、可預(yù)測的過程）、對外部信號的反應(yīng)（也是部分可預(yù)測的，盡管取決于微環(huán)境信號）和隨機(jī)波動（不可預(yù)測）。如果想要解決癌癥進(jìn)化解釋的經(jīng)驗局限性，這些過程之間的差異很重要。為什么需要在概念上區(qū)分這些類型的可塑性，可以通過兩個假設(shè)的對比例子來說明。首先，當(dāng)治療由于其外排泵的上調(diào)而選擇干細(xì)胞時，對外排泵的選擇將維持克隆組成。這是因為所有遺傳克隆都包含癌癥干細(xì)胞，盡管根據(jù)不同克隆中癌癥干細(xì)胞的比例，克隆大小可能會發(fā)生變化。其次，當(dāng)細(xì)胞周期特異性治療選擇慢周期或非增殖細(xì)胞時，如果特定微環(huán)境誘導(dǎo)靜止，那么恰好處于該微環(huán)境中的克隆將存活下來。這兩種情況對克隆進(jìn)化模型提出了不同的挑戰(zhàn)。在第一種情況下，所有遺傳克隆的維持可能隱藏了干細(xì)胞的選擇。在第二種情況下，抗性可能被錯誤地歸因于克隆的遺傳，而正是克隆的位置導(dǎo)致了抗性。其他涉及可塑性的場景也可能對克隆進(jìn)化模型提出挑戰(zhàn)。例如，克隆進(jìn)化模型將癌癥干細(xì)胞視為選擇單位，但可能發(fā)生去分化，從而允許非干細(xì)胞為進(jìn)化動力學(xué)做出貢獻(xiàn)。

雖然對外部刺激的反應(yīng)表型可塑性代表了克隆進(jìn)化實際參與的主要限制，但基于分化和基于隨機(jī)的可塑性類型代表了理論挑戰(zhàn)。只要分化保持穩(wěn)健和可預(yù)測，這種可塑性就可以納入克隆進(jìn)化的數(shù)學(xué)模型中。同樣，隨機(jī)可塑性適合數(shù)學(xué)建模，可以引入癌癥進(jìn)化模型中。

許多基因型可以產(chǎn)生相同的表型

此類現(xiàn)象可能是趨同進(jìn)化、表型可塑性或非遺傳因素的案例。選擇壓力可能會在獨立的譜系中選擇相同的表型，這可以通過癌癥的進(jìn)化模型很好地解釋。腫瘤的精準(zhǔn)治療認(rèn)為，癌癥的標(biāo)志是由于自然選擇作用于無關(guān)細(xì)胞而發(fā)生的趨同進(jìn)化的案例。對癌癥遺傳進(jìn)化模型的挑戰(zhàn)導(dǎo)致了這樣的假設(shè)：腫瘤的精準(zhǔn)治療通過關(guān)注表型的進(jìn)化來獲得更清晰的認(rèn)識和控制力。正如腫瘤的精準(zhǔn)治療上面所論證的那樣，分化過程和對環(huán)境信號的反應(yīng)可以導(dǎo)致相似的表型，而不管潛在的遺傳因素如何。還有其他非遺傳的表型決定因素可能獨立于克隆的遺傳因素。例如，癌細(xì)胞可以通過細(xì)胞外囊泡轉(zhuǎn)移蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸，這可能導(dǎo)致惡性表型。在小鼠膠質(zhì)瘤模型中，EGFR 突變的癌細(xì)胞可以將截短的致癌形式 EGFRvIII 轉(zhuǎn)移到缺乏突變的癌細(xì)胞中，導(dǎo)致這些細(xì)胞獲得突變表型。區(qū)分可遺傳和不可遺傳的表型決定因素是關(guān)鍵，因為后者直接挑戰(zhàn)了克隆進(jìn)化模型的事實范圍，盡管進(jìn)化理論可以通過在表型進(jìn)化模型中包括性狀的遺傳性或進(jìn)化性的測量，將不可遺傳的表型決定因素解釋為一種噪聲形式。

假設(shè) 2：癌細(xì)胞譜系是一棵樹

克隆進(jìn)化模型假設(shè)細(xì)胞譜系呈樹狀，其中細(xì)胞譜系分裂和死亡但不融合。克隆定義為來自單個共同祖先細(xì)胞的后代（方框 1）。遺傳是垂直的，來自親本細(xì)胞。此外，基于細(xì)胞譜系的克隆進(jìn)化模型隱含地假設(shè)細(xì)胞是唯一的選擇單位。一些觀察結(jié)果質(zhì)疑這些假設(shè)。

細(xì)胞融合和癌細(xì)胞繁殖方式

癌細(xì)胞可融合成有活力的繁殖細(xì)胞，從而產(chǎn)生克隆細(xì)胞群。癌癥中的細(xì)胞融合被認(rèn)為是罕見的，并且在很大程度上被忽視了。然而，一些佳學(xué)基因腫瘤基因解碼報道了癌細(xì)胞與非癌細(xì)胞之間的融合（雜交瘤是此類融合的著名案例），或不同癌細(xì)胞之間的融合。在患者中，據(jù)報道在骨髓移植 (BMT) 的情況下造血細(xì)胞發(fā)生了融合，這為追蹤細(xì)胞融合提供了標(biāo)記。例如，一位母親接受了她兒子的 BMT，后來患上了腎癌，其中一部分癌細(xì)胞既包含癌細(xì)胞的染色體改變，又包含來自她兒子細(xì)胞的 Y 染色體。另一項佳學(xué)基因腫瘤基因解碼分析了 7 名患有不同癌癥（胰腺導(dǎo)管腺癌、腎細(xì)胞癌、頭頸部鱗狀細(xì)胞癌和肺腺癌）的患者的腫瘤活檢樣本，發(fā)現(xiàn)所有樣本中都存在癌細(xì)胞與白細(xì)胞融合的證據(jù)?；诖私Y(jié)果，他們尋找胰腺癌患者中的循環(huán)雜交細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)循環(huán)雜交細(xì)胞的數(shù)量與疾病晚期相關(guān)，且與預(yù)后不良有關(guān)，而非融合的循環(huán)腫瘤細(xì)胞則并非如此，這提出了融合可能增加癌癥進(jìn)展風(fēng)險的可能性。

細(xì)胞融合在癌細(xì)胞進(jìn)化中的作用已在體外和動物模型中得到佳學(xué)基因腫瘤基因解碼。癌細(xì)胞系和巨噬細(xì)胞的雜交種一旦移植到小鼠體內(nèi)，其倍增時間就比母體癌細(xì)胞系短，這表明細(xì)胞融合可以提高細(xì)胞的適應(yīng)性。細(xì)胞融合還可以為癌細(xì)胞提供新的特性。例如，與巨噬細(xì)胞等造血細(xì)胞融合可以賦予融合的癌細(xì)胞遷移能力。多項佳學(xué)基因腫瘤基因解碼認(rèn)為融合是達(dá)爾文克隆進(jìn)化轉(zhuǎn)移解釋的一種可能的替代機(jī)制（但不互相排斥） ，根據(jù)該解釋，轉(zhuǎn)移能力是通過自然選擇進(jìn)化過程獲得的。其他佳學(xué)基因腫瘤基因解碼表明，癌細(xì)胞系之間的融合可以產(chǎn)生比原始細(xì)胞系更惡性、對治療更具抗性的新細(xì)胞系。細(xì)胞融合也被認(rèn)為是產(chǎn)生癌癥干細(xì)胞的一種可能機(jī)制。最后但同樣重要的是，細(xì)胞融合是一種可以通過隨后隨機(jī)丟失遺傳物質(zhì)來產(chǎn)生多樣性的機(jī)制。

細(xì)胞融合不會破壞克隆進(jìn)化的實際程度，但會增加其進(jìn)化過程的復(fù)雜性，而克隆進(jìn)化模型目前尚未考慮到這一點。

水平基因轉(zhuǎn)移

克隆進(jìn)化模型假設(shè)遺傳與細(xì)胞分裂垂直。但已描述了幾種水平基因轉(zhuǎn)移機(jī)制，例如線粒體和 DNA 的交換。將耗盡線粒體 DNA 的肺癌細(xì)胞系與骨髓非造血細(xì)胞或皮膚成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)，或移植耗盡線粒體 DNA 的乳腺癌細(xì)胞系，結(jié)果顯示通過線粒體轉(zhuǎn)移可挽救線粒體功能。將間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞 (MSCs) 中的線粒體引入癌細(xì)胞可增加癌細(xì)胞的氧化磷酸化、ATP 產(chǎn)生、遷移和增殖。佳學(xué)基因腫瘤基因解碼表明，通過隧道納米管將線粒體從內(nèi)皮細(xì)胞水平轉(zhuǎn)移到 MCF7 乳腺癌細(xì)胞可在體外提高對阿霉素的化學(xué)抗性。體外與骨髓基質(zhì)細(xì)胞共培養(yǎng)或?qū)⒒颊呋蛐∈蠹?xì)胞系的急性髓系白血病母細(xì)胞移植后也獲得了類似的結(jié)果。膠質(zhì)母細(xì)胞瘤干細(xì)胞 (GSC) 和 MSC 共培養(yǎng)也導(dǎo)致 GSC 的代謝重組，因為線粒體從 MSC 轉(zhuǎn)移到 GSC，GSC 中的增殖增加并對替莫唑胺產(chǎn)生抗性。

由于從細(xì)胞外囊泡（包括來自死亡癌細(xì)胞的凋亡小體）吸收 DNA，水平基因轉(zhuǎn)移也可發(fā)生在癌癥中。這已在體外以及小鼠實驗中得到證實，并且可以通過用 DNAses 治療來預(yù)防。佳學(xué)基因腫瘤基因解碼表明微囊泡攜帶的致癌基因（如MYC或HRAS V12）可被其他細(xì)胞吸收。癌癥中通過細(xì)胞外囊泡進(jìn)行的水平基因轉(zhuǎn)移的程度和重要性仍是一個懸而未決的問題。

水平基因轉(zhuǎn)移并不與癌癥的進(jìn)化模型相矛盾。相反，它增加了模型的復(fù)雜性。除了垂直遺傳之外，通過自然選擇的適應(yīng)還可以通過水平轉(zhuǎn)移實現(xiàn)。

吞噬作用和水平轉(zhuǎn)移

除了基因轉(zhuǎn)移，表型特性還可以通過胞噬作用（一種細(xì)胞間膜片段轉(zhuǎn)移機(jī)制）水平轉(zhuǎn)移。胞噬作用是一種與癌細(xì)胞進(jìn)化相關(guān)的現(xiàn)象，因為它允許細(xì)胞獲得獨立于其遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)的新表型特性，從而導(dǎo)致基因型和表型不匹配。例如，在使用患者來源的異種移植瘤的結(jié)腸癌小鼠模型中，癌細(xì)胞能夠獲得淋巴細(xì)胞膜蛋白（包括淋巴細(xì)胞細(xì)胞標(biāo)志物）以及免疫調(diào)節(jié)表面蛋白，從而抑制免疫細(xì)胞的激活。使用白血病小鼠模型也獲得了類似的結(jié)果，盡管在本佳學(xué)基因腫瘤基因解碼中，自然殺傷 (NK) 細(xì)胞和 CD8 + T 細(xì)胞從白血病細(xì)胞中獲得了檢查點受體程序性細(xì)胞死亡蛋白 1 (PD1)，從而抑制了 NK 細(xì)胞的抗腫瘤免疫力。吞噬作用與嵌合抗原受體 T 細(xì)胞 (CAR-T) 細(xì)胞和 CAR- NK細(xì)胞逃逸有關(guān)。吞噬作用只有在其誘導(dǎo)的表型能夠通過至少一次細(xì)胞分裂傳遞時才對克隆進(jìn)化有意義。細(xì)胞表面物質(zhì)部分通過細(xì)胞分裂得以維持，但遺傳給子細(xì)胞的對稱性以及表型在多少次分裂后消失尚不清楚。

細(xì)胞自相殘殺是另一種過程，它能賦予細(xì)胞在特定選擇壓力下改變其適應(yīng)性的特性。例如，轉(zhuǎn)移性黑色素瘤細(xì)胞可以自相殘殺 T 淋巴細(xì)胞，這使它們能夠在血清缺乏的情況下存活。196類似地，乳腺癌細(xì)胞系被證實可以自相殘殺間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞，這也通過誘導(dǎo)休眠狀態(tài)提高了它們在饑餓情況下的存活率。同樣，它對克隆進(jìn)化的貢獻(xiàn)取決于這些表型的遺傳性。

由于噬菌體作用或細(xì)胞同類相食而導(dǎo)致的表型的水平傳遞降低了這些表型的遺傳性，從而降低了克隆進(jìn)化模型的實際范圍。

細(xì)胞內(nèi)微生物

盡管克隆進(jìn)化指的是癌細(xì)胞的進(jìn)化，但微生物（如病毒、細(xì)菌和真菌）在癌細(xì)胞內(nèi)的存在可能需要從多物種的角度來看待克隆進(jìn)化。病毒長期以來一直與致癌作用有關(guān)，在它們直接導(dǎo)致致癌作用甚至整合到癌癥基因組中的情況下，它們成為癌癥中進(jìn)化的遺傳物質(zhì)的一部分。最近的佳學(xué)基因腫瘤基因解碼發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌和真菌不僅存在于某些癌細(xì)胞周圍，而且它們也可以寄居在癌細(xì)胞內(nèi)部，甚至有佳學(xué)基因腫瘤基因解碼表明大多數(shù)腫瘤內(nèi)細(xì)菌是細(xì)胞內(nèi)的，寄居在癌細(xì)胞和免疫細(xì)胞內(nèi)。

細(xì)胞內(nèi)微生物可以改變其宿主細(xì)胞的功能特性和適應(yīng)性，從而促進(jìn)克隆進(jìn)化。它們可以提高癌細(xì)胞的適應(yīng)性，例如，在結(jié)腸直腸癌中，具核梭桿菌與致瘤性增加有關(guān)。梭桿菌陽性腫瘤在患者來源的異種移植模型中植入，而梭桿菌陰性腫瘤則不會，這種差異可以通過抗生素治療逆轉(zhuǎn)。細(xì)菌可以抑制或引發(fā)免疫反應(yīng)，例如通過肽呈遞 ，也可以介導(dǎo)癌細(xì)胞對療法的耐藥性，例如通過將化療藥物代謝為無活性形式。人乳頭瘤病毒 ( HPV ) 會干擾多種腫瘤抑制機(jī)制并提高其感染的腫瘤細(xì)胞的適應(yīng)性。

因此，細(xì)胞內(nèi)微生物可能以可預(yù)測的方式促進(jìn)克隆進(jìn)化，這可以在克隆進(jìn)化模型中實現(xiàn)。細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌的異質(zhì)性和局部分布導(dǎo)致了“微生物克隆內(nèi)多樣性”的概念，即同一遺傳克隆的癌細(xì)胞的不同適應(yīng)性取決于細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌的存在。然而，微生物在克隆進(jìn)化中的作用的整合存在理論上的挑戰(zhàn)。其中之一是這些微生物的傳播方式。它們可以垂直傳播，因此僅僅代表受感染癌細(xì)胞的亞克隆，也可以通過從一個細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一個細(xì)胞而水平傳播。在第二種情況下，他們質(zhì)疑癌細(xì)胞間遺傳模式的樹形。此外，細(xì)菌本身可能經(jīng)歷自己的進(jìn)化動力學(xué)。對腫瘤內(nèi)細(xì)菌代謝活動的生物信息學(xué)分析表明，細(xì)菌受到腫瘤細(xì)胞及其微環(huán)境影響而承受著自身的選擇壓力。因此，各種選擇性過程可能作用于癌細(xì)胞譜系和微生物譜系。

因此，癌細(xì)胞的進(jìn)化可能不是簡單的細(xì)胞分支樹，而可能涉及分支之間的融合和傳遞（圖 3）。遺傳和非遺傳繼承可能不僅是垂直的，有時也可能是水平的。此外，克隆進(jìn)化可能不僅涉及癌細(xì)胞，還涉及可能改變癌細(xì)胞適應(yīng)性的細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌和真菌。這些機(jī)制挑戰(zhàn)了當(dāng)前克隆進(jìn)化模型的理論有效性，而不是癌細(xì)胞進(jìn)化的實際參與程度。因此，它們?yōu)樘岣呖寺∵M(jìn)化模型的理論效力開辟了道路。

圖 3|. 克隆進(jìn)化比細(xì)胞分叉樹更為復(fù)雜。

 

改進(jìn)癌癥理論

克隆進(jìn)化模型的上述挑戰(zhàn)和局限性表明了改進(jìn)該模型的機(jī)會。腫瘤的精準(zhǔn)治療將重點關(guān)注克隆進(jìn)化模型的四個潛在擴(kuò)展：遺傳學(xué)之外的遺傳多樣性和時間尺度、表型可塑性、網(wǎng)狀進(jìn)化模式和克隆概念。

傳承與時間尺度

遺傳是任何癌癥進(jìn)化理論的核心概念。沒有某種遺傳就不可能進(jìn)化。但遺傳的定義很寬泛，而且它的定義也存在爭議。

人們提出了幾種遺傳形式的分類。其中包括區(qū)分內(nèi)部和外部遺傳渠道。內(nèi)部遺傳包括通過細(xì)胞分裂（或細(xì)胞融合）傳遞的因素，例如遺傳和表觀遺傳。外部遺傳包含所有不通過細(xì)胞分裂傳遞的傳遞。內(nèi)部遺傳可以通過細(xì)胞譜系追溯，而外部遺傳則不能。

將遺傳的遺傳模型擴(kuò)展到表觀遺傳模型相對容易，至少對于隨機(jī)突變的表觀遺傳狀態(tài)而言是如此。但內(nèi)部遺傳也可以超越遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)。佳學(xué)基因腫瘤基因解碼非遺傳和非表觀遺傳可遺傳表型的一種方法是使用育種者方程來量化這些表型的遺傳性。通過測量癌細(xì)胞表型（體外或體內(nèi)）在不同時間尺度和選擇壓力下的變化，癌癥生物學(xué)家可以量化感興趣表型的遺傳程度。這可以解釋內(nèi)部和外部的遺傳方式，包括細(xì)胞質(zhì)和生態(tài)位構(gòu)建的非（表觀）遺傳遺傳。請注意，這些遺傳性測量取決于群體中可遺傳變異的程度。一種表型可能是可遺傳的，但如果群體中不包含編碼該表型的底物的變異，則似乎不是。

癌癥存在外部遺傳，至少是通過生態(tài)位構(gòu)建實現(xiàn)的。生物體與它們所改變的生態(tài)位之間存在一種共同進(jìn)化的形式，可以用進(jìn)化的正式模型來表示。當(dāng)腫瘤細(xì)胞通過激活成纖維細(xì)胞、募集免疫細(xì)胞、誘導(dǎo)血管生成以及以其他方式改變其微環(huán)境參與生態(tài)位構(gòu)建時，它們會產(chǎn)生一種外部遺傳形式，從而改變自身的選擇壓力，從而改變它們自己的進(jìn)化軌跡。這種外部遺傳的時間尺度可能很長。例如，即使在沒有癌細(xì)胞的情況下，活化的成纖維細(xì)胞也可以通過自分泌環(huán)、表觀遺傳改變甚至基因改變來維持其促腫瘤表型。人們開始努力將生態(tài)學(xué)融入克隆進(jìn)化模型，但解釋生態(tài)位構(gòu)建仍然具有挑戰(zhàn)性。

關(guān)于哪種遺傳更重要，也存在爭議。一種觀點認(rèn)為，傳遞多代的因素與傳遞一代的因素之間存在因果不對稱，前者在進(jìn)化中發(fā)揮著更重要的作用，因為它們可以通過自然選擇在很長一段時間內(nèi)積累。然而，在癌癥中，選擇壓力的變化時間尺度卻大不相同。衰老會在幾十年內(nèi)慢慢重塑選擇性景觀。癌癥的特征是轉(zhuǎn)變所必需的，必須持續(xù)到腫瘤進(jìn)展的整個時間跨度，而這可能需要幾十年的時間。短期遺傳形式無法對這些長期的自然選擇進(jìn)化過程做出有意義的貢獻(xiàn)。然而，腫瘤進(jìn)展還存在其他障礙，例如轉(zhuǎn)移期間在循環(huán)中存活，這可能只需要在幾小時或幾天內(nèi)克服。在這種情況下，從親本細(xì)胞或微環(huán)境（如可以安全通過血流的腫瘤細(xì)胞群）繼承一些關(guān)鍵蛋白質(zhì)，可能持續(xù)足夠長的時間，將腫瘤細(xì)胞輸送到新的轉(zhuǎn)移性微環(huán)境中。同樣，放療和化療等對癌細(xì)胞施加強(qiáng)烈選擇壓力的治療方法通常只持續(xù)幾代細(xì)胞，類似于細(xì)胞質(zhì)遺傳的時間尺度。

對遺傳克隆進(jìn)化的關(guān)注只能部分捕捉進(jìn)化的短時間尺度事件，有幾種途徑可以幫助改進(jìn)這方面的模型。一種方法是使用各種分子鐘重建克隆進(jìn)化。DNA、拷貝數(shù)變異 (CNV) 和單核苷酸變異 (SNV) 大多會隨時間而變化。233、234 CpG位點的甲基化比 SNV 具有更快的時鐘速率，盡管這些速率可能因基因組中不同位點而異。組蛋白的其他表觀遺傳修飾、或通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)改變細(xì)胞狀態(tài)以及轉(zhuǎn)變?yōu)檫z傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的新吸引子狀態(tài)可以快速發(fā)生，并且可能需要在克隆進(jìn)化模型中使用它們自己的分子鐘。

未來的佳學(xué)基因腫瘤基因解碼應(yīng)描述不同遺傳機(jī)制的時間尺度（圖 4）。任何持續(xù)時間短于細(xì)胞壽命的表型變化都不能成為克隆進(jìn)化的有意義的遺傳特性。任何持續(xù)時間短于選擇壓力時間尺度的表型變化對細(xì)胞群體響應(yīng)該壓力的進(jìn)化影響甚微。相反，只要細(xì)胞群體存在相關(guān)變異，產(chǎn)生持續(xù)時間與選擇壓力一樣長或更長的表型變化的遺傳機(jī)制對群體對這些壓力的反應(yīng)就很重要。有數(shù)學(xué)方法可以解開不同的遺傳形式，包括遺傳、表觀遺傳和生態(tài)遺傳。239

圖 4|. 不同時間尺度上的繼承類型。

 

表型可塑性

表型可塑性可以弱化基因型和表型之間的關(guān)系，降低表型的遺傳性，從而削弱自然選擇的影響。然而，表型可塑性本身可以是一種適應(yīng)性表型，并且已經(jīng)通過自然選擇多次進(jìn)化。少有一個歷史理論框架支持表型可塑性對遺傳進(jìn)化的貢獻(xiàn)：鮑德溫效應(yīng)，即最初的表型適應(yīng)后來通過遺傳適應(yīng)得到強(qiáng)化的過程。

鮑德溫效應(yīng)的簡化形式240,241指的是一個三步過程：首先，一些個體（在腫瘤的精準(zhǔn)治療的例子中是癌細(xì)胞）通過表型可塑性適應(yīng)環(huán)境變化。表型可塑性的這一初始階段使一些個體得以避免滅絕。其次，幸存種群中會發(fā)生一些基因（因此是可遺傳的）變化，使它們能夠在新環(huán)境中生存，而不必付出表型可塑性的代價。第三，這些基因決定的表型受到自然選擇的青睞，并最終在種群中傳播，因為它們實現(xiàn)了與表型可塑性個體相同或更適應(yīng)的表型，而不必付出可塑性的代價，而可塑性可能是代謝要求很高的過程。因此，鮑德溫效應(yīng)是一個特殊情況，其中適應(yīng)最初是個體的、不可遺傳的，后來變成遺傳的和被選擇的。

多項佳學(xué)基因腫瘤基因解碼表明，初始表型適應(yīng)機(jī)制是二次遺傳選擇的。例如，當(dāng)暴露于 EGFR 抑制劑時，大多數(shù)EGFR突變的肺癌細(xì)胞會死亡，但少數(shù)細(xì)胞可以通過一種稱為“持續(xù)”狀態(tài)的表型適應(yīng)而存活。對由單個初始EGFR突變克隆的持續(xù)性細(xì)胞發(fā)展而來的復(fù)發(fā)克隆進(jìn)行測序和藥物篩選，揭示了異質(zhì)性耐藥機(jī)制的二次選擇，表明存在鮑德溫效應(yīng)。同樣，觀察到在某些情況下EGFR T790M耐藥突變在治療時并不存在，并且可以從持續(xù)性細(xì)胞發(fā)展而來。持續(xù)性細(xì)胞不必處于靜止?fàn)顟B(tài)。短暫暴露于長春新堿可以激活保護(hù)細(xì)胞免受藥物侵害的外排泵，使它們持續(xù)處于活性狀態(tài)。這種激活通過表觀遺傳修飾5穩(wěn)定地遺傳，而表觀遺傳修飾隨后可能通過基因改變而穩(wěn)定下來。

長期以來，鮑德溫效應(yīng)在進(jìn)化生物學(xué)中一直被忽視，被認(rèn)為是一種僅僅“爭取時間”的小現(xiàn)象，因此，只有在選擇壓力變化太快，傳統(tǒng)的變異和選擇過程無法產(chǎn)生適應(yīng)性的情況下，它才會引起人們的興趣。226癌癥正是選擇壓力可能快速變化的情況之一（例如開始治療），爭取時間可能是一種關(guān)鍵的進(jìn)化機(jī)制，可以納入克隆進(jìn)化模型。

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、基因滲入和開放譜系

通常假設(shè)細(xì)胞譜系形成一棵樹，但如上所述，癌細(xì)胞融合可能發(fā)生，遺傳也可以是水平的，可能發(fā)生線粒體、染色體外 DNA、細(xì)胞碎片（如膜）或細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌和真菌的轉(zhuǎn)移。這些過程都違反了樹假設(shè)并影響系統(tǒng)發(fā)育重建，因為細(xì)胞樹不一定與基因樹匹配（圖3）。它還影響批量檢測的克隆反卷積，因為水平基因轉(zhuǎn)移和細(xì)胞融合違反了這些算法所基于的許多假設(shè)。一個細(xì)胞譜系中可能存在多個不一致的基因樹，反映了基因在所有這些獨立現(xiàn)象中的不同流動。類似的譜系違規(guī)在原核生物中很常見，從而產(chǎn)生了網(wǎng)狀進(jìn)化的概念。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致許多人認(rèn)為生命之樹是一種歪曲。將進(jìn)化表示為相互交錯的分支網(wǎng)絡(luò)可能更合適。一些人建議，在沒有明確共同祖先的情況下，用“族”代替“分支”，以避免傳統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)育術(shù)語帶來的不合理假設(shè)。這可能適用于克隆。已經(jīng)開發(fā)并使用了幾種測量方法，例如一致性因子、無根樹的多樣性指數(shù)；并且已經(jīng)開發(fā)了新的計算方法和統(tǒng)計數(shù)據(jù)來識別橫向轉(zhuǎn)移和分析系統(tǒng)發(fā)育網(wǎng)絡(luò)?？傮w而言，圍繞網(wǎng)狀進(jìn)化發(fā)展起來的進(jìn)化修正觀要求采用多層次視角，有時也稱為整合進(jìn)化，其中多個遺傳世界對觀察到的多樣性做出了貢獻(xiàn)。

這些概念和計算工具為腫瘤的精準(zhǔn)治療提供了增進(jìn)對克隆進(jìn)化理解的機(jī)會。鑒于水平遺傳轉(zhuǎn)移可以提供獲得功能適應(yīng)（如轉(zhuǎn)移能力或多藥耐藥性）的進(jìn)化捷徑，因此評估此類網(wǎng)狀事件對癌癥進(jìn)展的影響并采用綜合克隆進(jìn)化模型非常重要。

量化克隆多樣性

通過計數(shù)克隆來衡量腫瘤內(nèi)異質(zhì)性和癌細(xì)胞進(jìn)化基于兩個隱含的假設(shè)：克隆內(nèi)的細(xì)胞是同質(zhì)的（克隆內(nèi)同質(zhì)性）并且不同于其他克?。寺￠g異質(zhì)性），因此它們的數(shù)量反映了腫瘤細(xì)胞群的多樣性。但如上所述，這些假設(shè)可能是有爭議的（圖 2）。如果腫瘤的精準(zhǔn)治療使用突變來劃分克?。▓D 2a），則有 3 個克隆，因此有 3 個具有獨特特征的相關(guān)癌細(xì)胞群。然而，使用表觀遺傳學(xué)對克隆的劃分有所不同（圖 2b），它們的整合（圖 2d）表明存在超過 3 個相關(guān)的癌細(xì)胞群。

可以測量克隆內(nèi)同質(zhì)性和克隆間異質(zhì)性的程度。這可以通過測量克隆內(nèi)和克隆間任意 2 個細(xì)胞之間的距離來獲得任何表型或基因型測量值。例如，在三種急性髓系白血病257小鼠模型中，對條形碼譜系內(nèi)轉(zhuǎn)錄組多樣性的測量發(fā)現(xiàn)克隆明顯不均質(zhì)，因為單細(xì)胞 RNA 測序通常顯示表型空間中的細(xì)胞散布，而不是緊密的簇。相比之下，另一項佳學(xué)基因腫瘤基因解碼觀察到人類黑色素瘤細(xì)胞系中條形碼譜系內(nèi)的克隆內(nèi)同質(zhì)性很高，條形碼譜系之間的克隆間異質(zhì)性很高。單細(xì)胞基因組學(xué)分析也可用于測量克隆多樣性。一項分析發(fā)現(xiàn)，只有少數(shù)克隆存在，克隆內(nèi)變異很小，而根據(jù)兩例乳腺癌病例的拷貝數(shù)分析，克隆之間存在很大差異。相比之下，同一團(tuán)隊在另外兩例乳腺癌病例中發(fā)現(xiàn)點突變存在大量基因組多樣性，這導(dǎo)致作者質(zhì)疑克隆的概念，因為沒有發(fā)現(xiàn)兩個腫瘤細(xì)胞在基因上是相同的。

完全放棄對克隆的計數(shù)是可能的。由于它們是衡量腫瘤中遺傳多樣性結(jié)構(gòu)和程度的代理，腫瘤的精準(zhǔn)治療可以用其他表征多樣性的方法代替對克隆的計數(shù)。例如，如果可以將樣本之間的進(jìn)化關(guān)系重建為一棵樹，那么有各種各樣的樹統(tǒng)計數(shù)據(jù)實際上可能比克隆的數(shù)量更敏感，更能代表遺傳多樣性。265事實上，其中一些措施提供了有關(guān)腫瘤內(nèi)種群動態(tài)和選擇的信息。

佳學(xué)基因觀點

毫無疑問，體細(xì)胞經(jīng)歷了進(jìn)化過程，包括遺傳漂變和自然選擇。它們獲得可遺傳的改變，其中一些影響其繁殖和存活。癌細(xì)胞進(jìn)化的事實在 20 世紀(jì) 50 年代就已實現(xiàn)，并在 21 世紀(jì)開始得到廣泛佳學(xué)基因腫瘤基因解碼。然而，進(jìn)化過程在多大程度上可以解釋癌癥仍有待商榷。癌癥進(jìn)化理論在解釋許多癌癥現(xiàn)象和開發(fā)更好的干預(yù)措施方面取得了成功，清楚地表明了該理論的實用性。然而，非進(jìn)化機(jī)制也明顯導(dǎo)致了癌癥。該領(lǐng)域目前正在評估進(jìn)化機(jī)制和非進(jìn)化機(jī)制在癌癥中的各自作用。但如果腫瘤的精準(zhǔn)治療不清楚進(jìn)化機(jī)制和非進(jìn)化機(jī)制之間的界限，就無法做到這一點。當(dāng)今有許多癌癥理論和模型266，其整合極具挑戰(zhàn)性。267目前尚不清楚哪些與進(jìn)化理論兼容，哪些不兼容?？傮w而言，其他癌癥理論，例如癌癥干細(xì)胞理論268、返祖理論269、270和無法愈合的傷口271-273 ，描述了體細(xì)胞進(jìn)化的生物學(xué)限制和可供性。為了解決這個問題，腫瘤的精準(zhǔn)治療關(guān)注進(jìn)化過程的邊界，區(qū)分了兩種邊界：理論邊界和事實邊界（圖5）。癌癥進(jìn)化動力學(xué)的事實邊界超出了當(dāng)前理論，癌癥進(jìn)化理論需要擴(kuò)展以解釋表型可塑性、替代遺傳模式、水平基因轉(zhuǎn)移、細(xì)胞譜系融合和更好的克隆多樣性衡量標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于這些現(xiàn)象及其在癌癥中的相對重要性，還有更多東西有待發(fā)現(xiàn)。改進(jìn)的癌癥進(jìn)化理論應(yīng)該有助于改善腫瘤的精準(zhǔn)治療對癌癥的預(yù)測、預(yù)后和治療。

圖5|.克隆進(jìn)化的解釋力。