【佳学基因检测】肿瘤是怎么发生的，什么时候会遗传？

佳学基因对癌症的全面认识 

癌症是跨空间和跨时间异质性的细胞群。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效率，因为通常存在一个对任何治疗都具有抗性的细胞亚群。这种多样性还限制了预后的准确性和肿瘤的精准治疗预测其对干预如何反应的能力，因为活检可能不能代表整个肿瘤，并且其随时间变化的方式具有很强的随机性。因此，迫切需要更好地了解这种多样化所涉及的机制，以更好地管理癌症。在 21 世纪，一种细胞多样化的解释机制得到了关注，那就是克隆进化：癌细胞通过遗传和表观遗传变异的积累而多样化，这可以改变细胞的相对适应性，从而导致克隆通过自然选择而扩张或收缩。进化的原理和群体遗传学工具可以并已经成功地应用于癌细胞。然而，癌症进展的进化观受到了挑战，佳学基因肿瘤基因解码表明，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。鉴于自然选择的进化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。现在是时候评估克隆进化模型的优势、劣势和改进机会了。

为了实现这一目标，肿瘤的精准治疗首先通过对历史和当代文献的回顾，探索有关癌细胞进化的已知知识。然后，肿瘤的精准治疗通过强调其基本假设来分析克隆进化模型的理论结构。通过这样做，肿瘤的精准治疗打算找出当前模型固有的理论和概念张力和困难。最后，肿瘤的精准治疗提出了一些建议和观点，这些建议和观点可以帮助解决一些问题并增强克隆进化在癌症中的解释相关性。

克隆进化模型是怎样的？

历史视角

克隆进化模型是一个抽象模型，描述了患者体内癌细胞的进化。这个模型通常被认为是 Peter Nowell 提出的，但 Nowell 本人一直明确表示，他只是在总结社区发展起来的思想。对肿瘤内异质性的观察以及癌细胞进化的思想早在 1976 年之前就已存在，而它的成功则发生在后来。

20 世纪 50 年代，进化的概念经常在肿瘤学中使用，以描述癌症进展，尽管并不总是意味着达尔文式的过程。在此期间，对癌细胞核型的佳学基因肿瘤基因解码支持了 Theodor Boveri 首次提出的假设，即肿瘤可能由有丝分裂异常导致的染色体缺陷引起，这预示了癌症的克隆起源。核型分析还可以观察到癌细胞所含染色体数量的变化，并且作为单细胞全基因组分析，在揭示癌细胞的进化中发挥了至关重要的作用。核型观察直接提出了这样的问题：肿瘤是否由多种细胞株组成，每种细胞株都有固定数量的染色体，或者肿瘤细胞的核型是否可以改变，如果是，这种变化是随机的还是可遗传和选择的。TS Hauschka 直接提到“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”。许多技术被用于解决癌症克隆起源的问题，包括费城染色体的发现、女性葡萄糖-6-磷酸脱氢酶两个等位基因之一的随机体细胞失活或免疫球蛋白重链重排。

所有这些实验都趋向于癌症克隆起源的假说，肿瘤内的异质性源自可能经历选择的后续变异。在大多数这些论文中，进化概念都处于背景中，但有些论文直接讨论了应用于癌症的进化原理。英国细胞遗传学家 CE Ford 发表了一篇论文，专门讨论健康、受辐射或癌变体细胞中的选择压力，捍卫了以下假说：“不平衡的核型变化会影响存活和增殖的概率”，因此“细胞群的核型结构将是选择力对其内部产生的变异性作用的结果”。 ”  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”，将这种重建与“古生物学家从一个形式到另一个形式重建门的历史的方法” 。

在诺维尔对癌症进化模型进行优雅总结之后，肿瘤的精准治疗得到的却是一片沉寂。癌症的进化生物学沉寂了几十年，只有少数科学家在诺维尔的框架基础上进行构建。直到 21 世纪，这个领域才开始发展。当高通量测序开始生成大量癌症基因数据时，人们对癌症进化的兴趣加速增长，这可能并非巧合。随后，人们很快观察到肿瘤内异质性和克隆扩增 的临床重要性，同时证实了疗法通常会选择预先存在的带有突变的克隆，这些克隆会使它们对疗法产生抗药性。 尽管临床影响仍然有限，但进一步的佳学基因肿瘤基因解码表明，癌症治疗的进化方法可以显著缩短进展时间和总体生存率。在所有这一切中，关于进化生物学和生态学如何有效应用于癌症的佳学基因肿瘤基因解码的评论可能有助于为未来的进展奠定基础。

癌细胞如何进化？

任何具有多种可遗传特性的实体群体都可以通过自然选择进化，这些特性可能导致实体之间的适应度差异。体细胞就是这样的实体，可以通过自然选择进化，因为突变会导致细胞之间的遗传多样性，并且（至少是一些）可以改变细胞的适应度。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，这个问题一直受到科学家和哲学家的争论。

重要的是要认识到癌细胞可以通过多种机制进化。虽然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，似乎主要通过中性进化进化。数学中性进化模型与大约三分之一的实体瘤、多发性骨髓瘤和慢性粒单核细胞白血病的遗传数据一致。另一项泛分析也强调，在生殖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。虽然克隆进化最初被认为是一个连续渐进的过程，但事实证明也可能发生突发性变化。克隆进化可以通过停滞、渐进或间断的方式发生，不同的分子钟以不同的速度滴答作响，并且可以通过线性进化或分支进化进行。癌细胞克隆进化的过程多种多样。

此外，尽管克隆进化模型传统上侧重于癌症（干细胞）细胞作为选择单位的进化，选择可能发生在更高水平（图 1a ），即细胞群体而非单个细胞上。例如，关于转移瘤之间是否存在自然选择的进化存在争议，每个转移瘤都算作一个生殖实体，从而产生进一步的继发性转移瘤。更高水平的选择也可以在癌症干细胞群落及其非干细胞子代中选择，也可以在可能分裂和死亡的上皮增殖单位（如结肠隐窝）中进行选择。癌症的选择也可能发生在细胞以下的水平，通过转座因子或染色体外 DNA以及可能的微核的进化进行，前提是它们能够独立于细胞复制而进行复制（图 1b）。选择可能在细胞之上和之下的其他层面上起作用，这一事实并不违背克隆进化模型。它增加了该模型的复杂性，就像有机体之上和之下的多层次选择并不违背进化论，而是增加了该模型的复杂性一样。

 

 

克隆进化模型有什么价值？

克隆进化模型整合了有关癌细胞进化的现有知识。这是一个高度理论化的框架。它不仅旨在描述，还旨在重建过去的进化，预测潜在的未来进化（例如对治疗的抵抗力），解释患者身上发生的现象，并为新的治疗干预提供基础。肿瘤的精准治疗将这些特性称为克隆进化模型的理论价值。

该模型的主要理论价值是解释癌症随时间推移和对治疗的反应如何变化以及原因。系统发育重建描述了癌症的自然史。例如，克隆突变（也称为“截短突变”）往往不同于亚克隆突变（也称为仅出现在“分支”上的突变）。系统发育重建可以突出显示暴露和突变过程随时间的变化，例如，患有肝细胞癌的非洲移民在抵达法国后的几年内失去了黄曲霉毒素 B1 相关突变特征。它还表明，与预期相反，转移可以在致癌早期发生。从这些系统发育重建中获得的经验教训还有助于药物靶向（例如，靶向克隆突变而不是亚克隆突变），并通过选择耐药突变帮助预测治疗耐药的风险，例如表皮生长因子受体 (EGFR) 的 T790M 突变导致肺癌对第一代 EGFR 抑制剂产生耐药性。许多突变与治疗耐药性有关，现在临床医生可以更好地决定应用哪种治疗方法。克隆进化模型也用于风险分层和预后，使用克隆进化的指标，如肿瘤内异质性，来预测哪些癌前病变可能发展为侵袭性疾病，哪些癌症可能致命。

克隆进化模型预测，不同的环境将改变突变克隆的扩增能力。例如，在造血系统中，突变克隆会随着衰老而出现，这一过程称为克隆造血。不同的环境变化可能导致克隆造血，例如衰老、化疗、感染、吸烟。但每种变化都倾向于选择不同类型的突变。克隆造血也伴随着各种突变，以及随着年龄增长而产生的各种动态。这也有助于解释癌症的晚期发生，因为随着年龄增长，健康细胞适应度的下降为突变克隆的选择提供了较弱的竞争对手。请注意，促进理论有时被认为与体细胞突变理论相反，但这两种理论在克隆进化的背景下是兼容的，因为适应度取决于细胞的内在属性和外在属性。

更根本的是，克隆进化模型产生了一个深刻的概念转变，将癌症视为一个动态过程。因此，它导致寻找灵丹妙药的治疗策略失去信誉，并要求改变佳学基因肿瘤基因解码和治疗实践。该模型预测，大多数晚期癌症可能能够逃避任何治疗。这导致了各种关于如何基于进化原则开发疗法的主张，例如药物假期、随时间改变药物以及管理克隆动态的适应性疗法，以防止对治疗有抗性的克隆失控扩张。

多年来对克隆进化模型各方面进行的观察和实验证实了其理论价值。然而，它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会使它们表现出不同的行为。一个极端的例子是将癌细胞置于健康环境中可以使其行为正常化。表型肿瘤内异质性可能在很大程度上与基因型6无关，表型可塑性越来越被认为是肿瘤内异质性和治疗逃避的重要因素。

模型假设和局限性

克隆进化模型的性能取决于两个不同的方面，一个是事实上的，即进化过程对癌症的贡献程度，一个是理论上的，即当前克隆进化模型捕捉这些过程的程度。该模型的前提是进化过程确实在癌症中发挥着作用。数十年的证据支持这一点。然而，该模型的重要性仍是一个悬而未决的问题。进化过程对癌症的影响越大，克隆进化模型就越有意义。克隆进化模型的理论性能是另一个问题。当前模型可能仅部分捕捉到进化过程在癌症中的实际参与。重要的是将与进化过程的事实参与相关的挑战与与模型理论性能相关的挑战分开。后者可以通过扩展当前模型来解决。

肿瘤的精准治疗发现，当前克隆进化模型中存在两个重要但值得怀疑的潜在假设：（1）癌细胞的表型，尤其是其适应度，被认为在很大程度上取决于其基因型（克隆进化佳学基因肿瘤基因解码历来以遗传学方法为主）；（2）癌细胞之间的祖先关系被认为形成一个细胞分支树，而这两者实际上都不是系统进化所必需的。肿瘤的精准治疗将详细分析这两个假设，寻找该模型的局限性和批评，并区分哪些是进化理论对癌症解释程度的真正限制（事实范围），哪些是改进当前克隆进化模型的邀请（理论局限性）。

假设 1：适应度很大程度上取决于基因型

克隆进化模型源自现代进化综合理论，这是达尔文进化论的一种数量遗传理论，将进化定义为一个群体中遗传变异频率随空间和时间的变化。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。在肿瘤学中，特定的基因变异已被鉴定并描述了它们在疾病的发展和演变中的关键功能作用，这导致了 20 世纪 80 年代致癌基因和肿瘤抑制基因概念的成功。然而，从发育生物学中众所周知，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。癌细胞的适应性很大程度上依赖于其基因的假设面临着许多挑战。

识别关键的克隆进化基因具有挑战性

大型联盟已投入大量精力对肿瘤进行测序以识别癌症基因，并且已识别出一些混杂因素，例如基因的大小及其在脆性部位的位置。某些突变存在的统计学意义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、结构变异和样本纯度。鉴于典型的癌症驱动基因的突变存在于体细胞健康组织中，将癌症中的突变频率与非癌组织中的突变频率进行比较似乎也至关重要。例如，NOTCH1突变在食道癌和皮肤癌中很常见，这导致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起到保护作用。因此，识别驱动突变并非易事。

在识别癌症基因时还存在概念问题。相同的突变在一种情况下可能是中性的甚至是有害的，而在另一种情况下却成为驱动因素，反之亦然。起源细胞的概念说明了这一现象：相同的突变可能产生不同的影响，具体取决于它发生在哪个细胞中。同样，治疗方法会改变细胞的环境，细胞可以选择具有特定抗性突变的克隆，这些克隆在治疗期间扩增，在停止治疗时消退。126治疗会产生剧烈而快速的选择压力，但也可能出现较慢的变化，但后果相同。例如，衰老会改变细胞的适应度状况，因此突变对年轻人来说可能是中性的甚至是有害的，但在衰老的情况下却是有利的。适应度从定义上来说总是与特定环境有关。癌细胞的环境会在疾病的自然发展过程中发生变化，但也会因衰老、干预和其他暴露变化而发生变化。识别驱动突变的困难使基于驱动突变定义克隆的努力变得复杂（见框 1）。

框 1 |. 什么是克隆？

克隆进化模型基于对不同克隆细胞在时间和空间上的分析。因此，克隆的概念至关重要，但很少得到明确定义。人们普遍认为，癌症克隆是一群从共同祖先那里遗传下来的具有共同身份的细胞。但人们用来识别克隆的改变因佳学基因肿瘤基因解码而异。

传统上，克隆的身份基于基因型，或者更确切地说是基因型的一部分。克隆的典型定义是：“一组来自共同祖先并因此具有共同遗传特征的细胞”。出于实际原因，克隆进化佳学基因肿瘤基因解码通常基于驱动突变。一些佳学基因肿瘤基因解码使用允许更广泛分析基因组的技术，例如全外显子组测序，甚至全基因组测序，这些技术不依赖于哪些突变与癌症有关的先验知识。最后，一些佳学基因肿瘤基因解码倾向于使用中性突变作为追踪克隆进化的无偏方法。

在克隆的识别中，还有一个更基本的本体论和认识论挑战。克隆进化模型依赖于从不完整信息中重建克隆：肿瘤的精准治疗既无法获得所有癌细胞，也无法获得每个单细胞的所有遗传特性。这可能导致克隆幻觉，因为活检只在亚克隆内进行，所以亚克隆突变似乎是克隆的。它还依赖于佳学基因肿瘤基因解码人员的选择，即哪些改变与定义克隆相关，哪些可以忽略。更改被认为相关并因此用于重建克隆进化的突变列表会影响重建。例如，识别出的克隆数量将取决于佳学基因肿瘤基因解码的基因数量以及测序深度。作为这个问题的一个极端例证，人们可以将克隆定义为基因组相同的一组细胞。然而，单细胞水平的全基因组测序可能会揭示每个癌细胞都是独一无二的，因此可以算作一个新的克隆，从而使克隆的概念变得毫无用处。克隆进化模型的历史表明，这些关于应该使用哪些改变来定义克隆的选择随着时间的推移而发生了变化。这种历史偶然性凸显了克隆定义的任意性。在多元化的方法中，人们可以争辩说哪种克隆划分是正确的或最好的，将取决于人们所采用的观点和目标。克隆划分是否是一个问题以及在多大程度上是一个问题，很大程度上取决于对克隆进化模型的期望。例如，对于任何通过计数克隆来量化肿瘤内异质性的佳学基因肿瘤基因解码来说，这都是一个问题。对于那些可能想要重建各种癌细胞之间（例如不同位置的转移之间）的系统发育关系的人来说，这不是什么问题。

对于克隆身份，存在一些不同的观点：目前已有多项佳学基因肿瘤基因解码使用表观遗传学重建癌症进化。少数佳学基因肿瘤基因解码支持表型或功能性克隆身份。例如，克隆被定义为“具有相同表型的一组细胞，这些细胞自最近的共同祖先以来一直表现出该表型”。如果一组干细胞具有相同的表型并具有最近的共同祖先，则该定义可能将其称为克隆，但会排除细胞谱系树上同一分支的所有非干细胞。相比之下，在发育生物学中，克隆被定义为“单个祖先细胞的体内后代”，相当于系统发育中的单系分支。

每种癌症下都有一棵细胞谱系树，描述癌症内细胞的关系和历史。定义克隆就是划分进化树的问题（图 2）。

基因并不是唯一的遗传物质

现在人们已经充分认识到许多表观遗传特性在细胞分裂时是可遗传的，并可促进克隆进化，包括转移的进化和对药物的耐药性。然而，表观遗传学涵盖了广泛的现象，其中一些是随机的和可遗传的，而另一些则受细胞控制，可能因某种形式的信号而发生变化，例如在分化过程中。可遗传的改变可以作为表观突变整合到克隆进化中。佳学基因肿瘤基因解码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。此外，一个遗传克隆内可以有多个表观遗传亚克隆，反之亦然。这又提出了一个问题：使用什么信息来描绘和计数克隆（框 1，图 2）。当模型仅依赖于基因突变时，表观遗传改变会挑战克隆进化模型的理论准确性，但不会挑战其事实范围。

可遗传特性可能超出遗传物质及其表观遗传改变的范围。当细胞通过细胞分裂繁殖时，子细胞会继承母细胞的一部分细胞质，包括细胞器、RNA、蛋白质。它们还继承了母细胞可能已经改变的微环境。这可能会产生细胞表型的短期遗传性，时间尺度取决于这些分子和微环境的波动和周转率。在细菌中，使用将两个子细胞分离在独立生长通道中的姊妹机器，发现不同的非遗传性状在不同的时间尺度（从 2 代到 10 代）下呈现不同的“记忆”模式。在黑色素瘤细胞系中，鉴定出 227 个表现出瞬时可遗传高表达（约 40 小时，有时可达 5 天）的基因，其中149 个162 个之前与治疗耐药性有关。个细胞经过分选，高表达了两个暂时性遗传基因，特别是 EGFR 和神经生长因子受体 (NGFR)，对 MEK 抑制剂曲美替尼的耐药性比未分类的细胞高得多。

不同时间尺度上的遗传特性在很大程度上仍被忽视，但考虑到治疗干预的持续时间很短，这些替代形式的遗传可能具有临床意义。如下所述，提高肿瘤的精准治疗对遗传的理解可能会提高克隆进化的理论表现。

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。表型可塑性长期以来一直在发育领域进行佳学基因肿瘤基因解码，并且人们越来越认识到它在癌症中的重要性。由于至少三个非排他性过程，单一基因型的细胞可以呈现不同的表型：分化、对其他外部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。癌细胞继承并修改了它们进化而来的正常细胞的表型可塑性。

目前，克隆进化模型忽略了独立于基因型的表型变异。因此，可塑性被视为对克隆进化模型实际范围的挑战：非遗传可塑性与癌症的因果关系越大，进化过程就越少。例如，一项关于接受辅助内分泌疗法治疗的雌激素受体阳性乳腺癌的休眠和复发的佳学基因肿瘤基因解码表明，这种治疗会随机诱导来自随机克隆多样性的一部分癌细胞进入不稳定的休眠状态。在这种情况下，自然选择的进化对癌细胞在治疗中存活的能力没有多大影响。然而，表型可塑性的概念模糊性掩盖了争论。某些可塑性情况可能是遗传的，实际上只是一个理论挑战，可以将其纳入以改进克隆进化模型。

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。这种表观遗传驱动的表型多样性可以通过纳入表观突变轻松整合到克隆进化模型中。这同样适用于任何其他有助于细胞表型的非遗传遗传特性。

其次，表型可塑性的程度是可遗传的，编码在基因组或表观基因组中。某些细胞谱系可能比其他细胞谱系更具可塑性，这为它们在改变微环境中提供了优势。其他细胞的表型非常稳定，例如完全分化的细胞。一些（表观）突变可能会增加细胞的可塑性，而对这些（表观）突变的选择将通过直接选择它们产生的表型而间接进行。有关于突变率演变和表型可塑性演变的相关文献，可用于将表型可塑性整合到克隆进化模型中。

第三，表型可塑性，包括多种现象，如分化（多细胞生物中一种稳健、有引导、可预测的过程）、对外部信号的反应（也是部分可预测的，尽管取决于微环境信号）和随机波动（不可预测）。如果想要解决癌症进化解释的经验局限性，这些过程之间的差异很重要。为什么需要在概念上区分这些类型的可塑性，可以通过两个假设的对比例子来说明。首先，当治疗由于其外排泵的上调而选择干细胞时，对外排泵的选择将维持克隆组成。这是因为所有遗传克隆都包含癌症干细胞，尽管根据不同克隆中癌症干细胞的比例，克隆大小可能会发生变化。其次，当细胞周期特异性治疗选择慢周期或非增殖细胞时，如果特定微环境诱导静止，那么恰好处于该微环境中的克隆将存活下来。这两种情况对克隆进化模型提出了不同的挑战。在第一种情况下，所有遗传克隆的维持可能隐藏了干细胞的选择。在第二种情况下，抗性可能被错误地归因于克隆的遗传，而正是克隆的位置导致了抗性。其他涉及可塑性的场景也可能对克隆进化模型提出挑战。例如，克隆进化模型将癌症干细胞视为选择单位，但可能发生去分化，从而允许非干细胞为进化动力学做出贡献。

虽然对外部刺激的反应表型可塑性代表了克隆进化实际参与的主要限制，但基于分化和基于随机的可塑性类型代表了理论挑战。只要分化保持稳健和可预测，这种可塑性就可以纳入克隆进化的数学模型中。同样，随机可塑性适合数学建模，可以引入癌症进化模型中。

许多基因型可以产生相同的表型

此类现象可能是趋同进化、表型可塑性或非遗传因素的案例。选择压力可能会在独立的谱系中选择相同的表型，这可以通过癌症的进化模型很好地解释。肿瘤的精准治疗认为，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案例。对癌症遗传进化模型的挑战导致了这样的假设：肿瘤的精准治疗通过关注表型的进化来获得更清晰的认识和控制力。正如肿瘤的精准治疗上面所论证的那样，分化过程和对环境信号的反应可以导致相似的表型，而不管潜在的遗传因素如何。还有其他非遗传的表型决定因素可能独立于克隆的遗传因素。例如，癌细胞可以通过细胞外囊泡转移蛋白质、脂质和核酸，这可能导致恶性表型。在小鼠胶质瘤模型中，EGFR 突变的癌细胞可以将截短的致癌形式 EGFRvIII 转移到缺乏突变的癌细胞中，导致这些细胞获得突变表型。区分可遗传和不可遗传的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括性状的遗传性或进化性的测量，将不可遗传的表型决定因素解释为一种噪声形式。

假设 2：癌细胞谱系是一棵树

克隆进化模型假设细胞谱系呈树状，其中细胞谱系分裂和死亡但不融合。克隆定义为来自单个共同祖先细胞的后代（方框 1）。遗传是垂直的，来自亲本细胞。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。一些观察结果质疑这些假设。

细胞融合和癌细胞繁殖方式

癌细胞可融合成有活力的繁殖细胞，从而产生克隆细胞群。癌症中的细胞融合被认为是罕见的，并且在很大程度上被忽视了。然而，一些佳学基因肿瘤基因解码报道了癌细胞与非癌细胞之间的融合（杂交瘤是此类融合的著名案例），或不同癌细胞之间的融合。在患者中，据报道在骨髓移植 (BMT) 的情况下造血细胞发生了融合，这为追踪细胞融合提供了标记。例如，一位母亲接受了她儿子的 BMT，后来患上了肾癌，其中一部分癌细胞既包含癌细胞的染色体改变，又包含来自她儿子细胞的 Y 染色体。另一项佳学基因肿瘤基因解码分析了 7 名患有不同癌症（胰腺导管腺癌、肾细胞癌、头颈部鳞状细胞癌和肺腺癌）的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。基于此结果，他们寻找胰腺癌患者中的循环杂交细胞，发现循环杂交细胞的数量与疾病晚期相关，且与预后不良有关，而非融合的循环肿瘤细胞则并非如此，这提出了融合可能增加癌症进展风险的可能性。

细胞融合在癌细胞进化中的作用已在体外和动物模型中得到佳学基因肿瘤基因解码。癌细胞系和巨噬细胞的杂交种一旦移植到小鼠体内，其倍增时间就比母体癌细胞系短，这表明细胞融合可以提高细胞的适应性。细胞融合还可以为癌细胞提供新的特性。例如，与巨噬细胞等造血细胞融合可以赋予融合的癌细胞迁移能力。多项佳学基因肿瘤基因解码认为融合是达尔文克隆进化转移解释的一种可能的替代机制（但不互相排斥） ，根据该解释，转移能力是通过自然选择进化过程获得的。其他佳学基因肿瘤基因解码表明，癌细胞系之间的融合可以产生比原始细胞系更恶性、对治疗更具抗性的新细胞系。细胞融合也被认为是产生癌症干细胞的一种可能机制。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。

细胞融合不会破坏克隆进化的实际程度，但会增加其进化过程的复杂性，而克隆进化模型目前尚未考虑到这一点。

水平基因转移

克隆进化模型假设遗传与细胞分裂垂直。但已描述了几种水平基因转移机制，例如线粒体和 DNA 的交换。将耗尽线粒体 DNA 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，或移植耗尽线粒体 DNA 的乳腺癌细胞系，结果显示通过线粒体转移可挽救线粒体功能。将间充质基质细胞 (MSCs) 中的线粒体引入癌细胞可增加癌细胞的氧化磷酸化、ATP 产生、迁移和增殖。佳学基因肿瘤基因解码表明，通过隧道纳米管将线粒体从内皮细胞水平转移到 MCF7 乳腺癌细胞可在体外提高对阿霉素的化学抗性。体外与骨髓基质细胞共培养或将患者或小鼠细胞系的急性髓系白血病母细胞移植后也获得了类似的结果。胶质母细胞瘤干细胞 (GSC) 和 MSC 共培养也导致 GSC 的代谢重组，因为线粒体从 MSC 转移到 GSC，GSC 中的增殖增加并对替莫唑胺产生抗性。

由于从细胞外囊泡（包括来自死亡癌细胞的凋亡小体）吸收 DNA，水平基因转移也可发生在癌症中。这已在体外以及小鼠实验中得到证实，并且可以通过用 DNAses 治疗来预防。佳学基因肿瘤基因解码表明微囊泡携带的致癌基因（如MYC或HRAS V12）可被其他细胞吸收。癌症中通过细胞外囊泡进行的水平基因转移的程度和重要性仍是一个悬而未决的问题。

水平基因转移并不与癌症的进化模型相矛盾。相反，它增加了模型的复杂性。除了垂直遗传之外，通过自然选择的适应还可以通过水平转移实现。

吞噬作用和水平转移

除了基因转移，表型特性还可以通过胞噬作用（一种细胞间膜片段转移机制）水平转移。胞噬作用是一种与癌细胞进化相关的现象，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不匹配。例如，在使用患者来源的异种移植瘤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志物）以及免疫调节表面蛋白，从而抑制免疫细胞的激活。使用白血病小鼠模型也获得了类似的结果，尽管在本佳学基因肿瘤基因解码中，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)，从而抑制了 NK 细胞的抗肿瘤免疫力。吞噬作用与嵌合抗原受体 T 细胞 (CAR-T) 细胞和 CAR- NK细胞逃逸有关。吞噬作用只有在其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。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消失尚不清楚。

细胞自相残杀是另一种过程，它能赋予细胞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自相残杀 T 淋巴细胞，这使它们能够在血清缺乏的情况下存活。196类似地，乳腺癌细胞系被证实可以自相残杀间充质基质细胞，这也通过诱导休眠状态提高了它们在饥饿情况下的存活率。同样，它对克隆进化的贡献取决于这些表型的遗传性。

由于噬菌体作用或细胞同类相食而导致的表型的水平传递降低了这些表型的遗传性，从而降低了克隆进化模型的实际范围。

细胞内微生物

尽管克隆进化指的是癌细胞的进化，但微生物（如病毒、细菌和真菌）在癌细胞内的存在可能需要从多物种的角度来看待克隆进化。病毒长期以来一直与致癌作用有关，在它们直接导致致癌作用甚至整合到癌症基因组中的情况下，它们成为癌症中进化的遗传物质的一部分。最近的佳学基因肿瘤基因解码发现，细菌和真菌不仅存在于某些癌细胞周围，而且它们也可以寄居在癌细胞内部，甚至有佳学基因肿瘤基因解码表明大多数肿瘤内细菌是细胞内的，寄居在癌细胞和免疫细胞内。

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。它们可以提高癌细胞的适应性，例如，在结肠直肠癌中，具核梭杆菌与致瘤性增加有关。梭杆菌阳性肿瘤在患者来源的异种移植模型中植入，而梭杆菌阴性肿瘤则不会，这种差异可以通过抗生素治疗逆转。细菌可以抑制或引发免疫反应，例如通过肽呈递 ，也可以介导癌细胞对疗法的耐药性，例如通过将化疗药物代谢为无活性形式。人乳头瘤病毒 ( HPV ) 会干扰多种肿瘤抑制机制并提高其感染的肿瘤细胞的适应性。

因此，细胞内微生物可能以可预测的方式促进克隆进化，这可以在克隆进化模型中实现。细胞内细菌的异质性和局部分布导致了“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取决于细胞内细菌的存在。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，因此仅仅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而水平传播。在第二种情况下，他们质疑癌细胞间遗传模式的树形。此外，细菌本身可能经历自己的进化动力学。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影响而承受着自身的选择压力。因此，各种选择性过程可能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，而可能涉及分支之间的融合和传递（图 3）。遗传和非遗传继承可能不仅是垂直的，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。这些机制挑战了当前克隆进化模型的理论有效性，而不是癌细胞进化的实际参与程度。因此，它们为提高克隆进化模型的理论效力开辟了道路。

图 3|. 克隆进化比细胞分叉树更为复杂。

 

改进癌症理论

克隆进化模型的上述挑战和局限性表明了改进该模型的机会。肿瘤的精准治疗将重点关注克隆进化模型的四个潜在扩展：遗传学之外的遗传多样性和时间尺度、表型可塑性、网状进化模式和克隆概念。

传承与时间尺度

遗传是任何癌症进化理论的核心概念。没有某种遗传就不可能进化。但遗传的定义很宽泛，而且它的定义也存在争议。

人们提出了几种遗传形式的分类。其中包括区分内部和外部遗传渠道。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溯，而外部遗传则不能。

将遗传的遗传模型扩展到表观遗传模型相对容易，至少对于随机突变的表观遗传状态而言是如此。但内部遗传也可以超越遗传学和表观遗传学。佳学基因肿瘤基因解码非遗传和非表观遗传可遗传表型的一种方法是使用育种者方程来量化这些表型的遗传性。通过测量癌细胞表型（体外或体内）在不同时间尺度和选择压力下的变化，癌症生物学家可以量化感兴趣表型的遗传程度。这可以解释内部和外部的遗传方式，包括细胞质和生态位构建的非（表观）遗传遗传。请注意，这些遗传性测量取决于群体中可遗传变异的程度。一种表型可能是可遗传的，但如果群体中不包含编码该表型的底物的变异，则似乎不是。

癌症存在外部遗传，至少是通过生态位构建实现的。生物体与它们所改变的生态位之间存在一种共同进化的形式，可以用进化的正式模型来表示。当肿瘤细胞通过激活成纤维细胞、募集免疫细胞、诱导血管生成以及以其他方式改变其微环境参与生态位构建时，它们会产生一种外部遗传形式，从而改变自身的选择压力，从而改变它们自己的进化轨迹。这种外部遗传的时间尺度可能很长。例如，即使在没有癌细胞的情况下，活化的成纤维细胞也可以通过自分泌环、表观遗传改变甚至基因改变来维持其促肿瘤表型。人们开始努力将生态学融入克隆进化模型，但解释生态位构建仍然具有挑战性。

关于哪种遗传更重要，也存在争议。一种观点认为，传递多代的因素与传递一代的因素之间存在因果不对称，前者在进化中发挥着更重要的作用，因为它们可以通过自然选择在很长一段时间内积累。然而，在癌症中，选择压力的变化时间尺度却大不相同。衰老会在几十年内慢慢重塑选择性景观。癌症的特征是转变所必需的，必须持续到肿瘤进展的整个时间跨度，而这可能需要几十年的时间。短期遗传形式无法对这些长期的自然选择进化过程做出有意义的贡献。然而，肿瘤进展还存在其他障碍，例如转移期间在循环中存活，这可能只需要在几小时或几天内克服。在这种情况下，从亲本细胞或微环境（如可以安全通过血流的肿瘤细胞群）继承一些关键蛋白质，可能持续足够长的时间，将肿瘤细胞输送到新的转移性微环境中。同样，放疗和化疗等对癌细胞施加强烈选择压力的治疗方法通常只持续几代细胞，类似于细胞质遗传的时间尺度。

对遗传克隆进化的关注只能部分捕捉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。一种方法是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) 大多会随时间而变化。233、234 CpG位点的甲基化比 SNV 具有更快的时钟速率，尽管这些速率可能因基因组中不同位点而异。组蛋白的其他表观遗传修饰、或通过信号转导改变细胞状态以及转变为遗传调控网络中的新吸引子状态可以快速发生，并且可能需要在克隆进化模型中使用它们自己的分子钟。

未来的佳学基因肿瘤基因解码应描述不同遗传机制的时间尺度（图 4）。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的有意义的遗传特性。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体响应该压力的进化影响甚微。相反，只要细胞群体存在相关变异，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群体对这些压力的反应就很重要。有数学方法可以解开不同的遗传形式，包括遗传、表观遗传和生态遗传。239

图 4|. 不同时间尺度上的继承类型。

 

表型可塑性

表型可塑性可以弱化基因型和表型之间的关系，降低表型的遗传性，从而削弱自然选择的影响。然而，表型可塑性本身可以是一种适应性表型，并且已经通过自然选择多次进化。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，即最初的表型适应后来通过遗传适应得到强化的过程。

鲍德温效应的简化形式240,241指的是一个三步过程：首先，一些个体（在肿瘤的精准治疗的例子中是癌细胞）通过表型可塑性适应环境变化。表型可塑性的这一初始阶段使一些个体得以避免灭绝。其次，幸存种群中会发生一些基因（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，并最终在种群中传播，因为它们实现了与表型可塑性个体相同或更适应的表型，而不必付出可塑性的代价，而可塑性可能是代谢要求很高的过程。因此，鲍德温效应是一个特殊情况，其中适应最初是个体的、不可遗传的，后来变成遗传的和被选择的。

多项佳学基因肿瘤基因解码表明，初始表型适应机制是二次遗传选择的。例如，当暴露于 EGFR 抑制剂时，大多数EGFR突变的肺癌细胞会死亡，但少数细胞可以通过一种称为“持续”状态的表型适应而存活。对由单个初始EGFR突变克隆的持续性细胞发展而来的复发克隆进行测序和药物筛选，揭示了异质性耐药机制的二次选择，表明存在鲍德温效应。同样，观察到在某些情况下EGFR T790M耐药突变在治疗时并不存在，并且可以从持续性细胞发展而来。持续性细胞不必处于静止状态。短暂暴露于长春新碱可以激活保护细胞免受药物侵害的外排泵，使它们持续处于活性状态。这种激活通过表观遗传修饰5稳定地遗传，而表观遗传修饰随后可能通过基因改变而稳定下来。

长期以来，鲍德温效应在进化生物学中一直被忽视，被认为是一种仅仅“争取时间”的小现象，因此，只有在选择压力变化太快，传统的变异和选择过程无法产生适应性的情况下，它才会引起人们的兴趣。226癌症正是选择压力可能快速变化的情况之一（例如开始治疗），争取时间可能是一种关键的进化机制，可以纳入克隆进化模型。

网状结构、基因渗入和开放谱系

通常假设细胞谱系形成一棵树，但如上所述，癌细胞融合可能发生，遗传也可以是水平的，可能发生线粒体、染色体外 DNA、细胞碎片（如膜）或细胞内细菌和真菌的转移。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）。它还影响批量检测的克隆反卷积，因为水平基因转移和细胞融合违反了这些算法所基于的许多假设。一个细胞谱系中可能存在多个不一致的基因树，反映了基因在所有这些独立现象中的不同流动。类似的谱系违规在原核生物中很常见，从而产生了网状进化的概念。网状结构导致许多人认为生命之树是一种歪曲。将进化表示为相互交错的分支网络可能更合适。一些人建议，在没有明确共同祖先的情况下，用“族”代替“分支”，以避免传统系统发育术语带来的不合理假设。这可能适用于克隆。已经开发并使用了几种测量方法，例如一致性因子、无根树的多样性指数；并且已经开发了新的计算方法和统计数据来识别横向转移和分析系统发育网络。总体而言，围绕网状进化发展起来的进化修正观要求采用多层次视角，有时也称为整合进化，其中多个遗传世界对观察到的多样性做出了贡献。

这些概念和计算工具为肿瘤的精准治疗提供了增进对克隆进化理解的机会。鉴于水平遗传转移可以提供获得功能适应（如转移能力或多药耐药性）的进化捷径，因此评估此类网状事件对癌症进展的影响并采用综合克隆进化模型非常重要。

量化克隆多样性

通过计数克隆来衡量肿瘤内异质性和癌细胞进化基于两个隐含的假设：克隆内的细胞是同质的（克隆内同质性）并且不同于其他克隆（克隆间异质性），因此它们的数量反映了肿瘤细胞群的多样性。但如上所述，这些假设可能是有争议的（图 2）。如果肿瘤的精准治疗使用突变来划分克隆（图 2a），则有 3 个克隆，因此有 3 个具有独特特征的相关癌细胞群。然而，使用表观遗传学对克隆的划分有所不同（图 2b），它们的整合（图 2d）表明存在超过 3 个相关的癌细胞群。

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和克隆间任意 2 个细胞之间的距离来获得任何表型或基因型测量值。例如，在三种急性髓系白血病257小鼠模型中，对条形码谱系内转录组多样性的测量发现克隆明显不均质，因为单细胞 RNA 测序通常显示表型空间中的细胞散布，而不是紧密的簇。相比之下，另一项佳学基因肿瘤基因解码观察到人类黑色素瘤细胞系中条形码谱系内的克隆内同质性很高，条形码谱系之间的克隆间异质性很高。单细胞基因组学分析也可用于测量克隆多样性。一项分析发现，只有少数克隆存在，克隆内变异很小，而根据两例乳腺癌病例的拷贝数分析，克隆之间存在很大差异。相比之下，同一团队在另外两例乳腺癌病例中发现点突变存在大量基因组多样性，这导致作者质疑克隆的概念，因为没有发现两个肿瘤细胞在基因上是相同的。

完全放弃对克隆的计数是可能的。由于它们是衡量肿瘤中遗传多样性结构和程度的代理，肿瘤的精准治疗可以用其他表征多样性的方法代替对克隆的计数。例如，如果可以将样本之间的进化关系重建为一棵树，那么有各种各样的树统计数据实际上可能比克隆的数量更敏感，更能代表遗传多样性。265事实上，其中一些措施提供了有关肿瘤内种群动态和选择的信息。

佳学基因观点

毫无疑问，体细胞经历了进化过程，包括遗传漂变和自然选择。它们获得可遗传的改变，其中一些影响其繁殖和存活。癌细胞进化的事实在 20 世纪 50 年代就已实现，并在 21 世纪开始得到广泛佳学基因肿瘤基因解码。然而，进化过程在多大程度上可以解释癌症仍有待商榷。癌症进化理论在解释许多癌症现象和开发更好的干预措施方面取得了成功，清楚地表明了该理论的实用性。然而，非进化机制也明显导致了癌症。该领域目前正在评估进化机制和非进化机制在癌症中的各自作用。但如果肿瘤的精准治疗不清楚进化机制和非进化机制之间的界限，就无法做到这一点。当今有许多癌症理论和模型266，其整合极具挑战性。267目前尚不清楚哪些与进化理论兼容，哪些不兼容。总体而言，其他癌症理论，例如癌症干细胞理论268、返祖理论269、270和无法愈合的伤口271-273 ，描述了体细胞进化的生物学限制和可供性。为了解决这个问题，肿瘤的精准治疗关注进化过程的边界，区分了两种边界：理论边界和事实边界（图5）。癌症进化动力学的事实边界超出了当前理论，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衡量标准。关于这些现象及其在癌症中的相对重要性，还有更多东西有待发现。改进的癌症进化理论应该有助于改善肿瘤的精准治疗对癌症的预测、预后和治疗。

图5|.克隆进化的解释力。