Nat Genet | 癌症细胞分裂次数的量化方法与意义

摘要：肿瘤是一种复杂的疾病，其发展涉及多个步骤和阶段，包括原发肿瘤的形成、肿瘤细胞的增殖和扩散、以及远处转移的发生。了解这些步骤和阶段的详细过程对于开发更有效的肿瘤治疗策略至关重要。然而，目前对于肿瘤细胞分裂次数的量化仍然是一个挑战。虽然可以通过检测突变来估计肿瘤的

撰文 | 格格

肿瘤是一种复杂的疾病，其发展涉及多个步骤和阶段，包括原发肿瘤的形成、肿瘤细胞的增殖和扩散、以及远处转移的发生。了解这些步骤和阶段的详细过程对于开发更有效的肿瘤治疗策略至关重要。然而，目前对于肿瘤细胞分裂次数的量化仍然是一个挑战。虽然可以通过检测突变来估计肿瘤的演化程度，但并非所有突变都与细胞分裂相关，例如一些突变可能由其他因素引起，如DNA修复缺陷或环境暴露。因此，亟需开发新的方法来量化细胞分裂。

近日，来自美国哈佛医学院遗传学系的Kamila Naxerova研究团队在Nature Genetics杂志发表题为Quantifying cell divisions along evolutionary lineages in cancer的研究论文，该研究开发了一种基于DNA复制相关突变（特别是微卫星重复序列中的多聚鸟嘌呤）来量化细胞分裂的新方法。

研究人员首先构建了多聚鸟嘌呤指纹，用于追踪细胞分裂过程（图一）。通过PCR和片段长度分析，研究人员结合了分支过程模型和随机游走模型确定了58个多聚鸟嘌呤位点的基因型分布，并建立了数学框架来解释这些分布，并推导出基因型之间的L1距离与细胞分裂次数之间的关系。

为了验证多聚鸟嘌呤指纹的有效性，研究人员进行了体外进化实验。研究人员证明了多聚鸟嘌呤突变率与细胞分裂次数呈线性关系，并估计了DNA错配修复功能完整（MMRp）和DNA错配修复功能缺陷（MMRd）细胞在多聚G位点上的平均突变率。此外，通过分析肠腺隐窝和克隆性扩增的造血干细胞，研究人员发现快速分裂的细胞比慢速分裂的细胞积累更多的多聚G突变，这与DNA聚合酶滑动导致的突变积累机制一致。

研究人员利用多聚鸟嘌呤指纹构建了结直肠癌的正常组织、腺瘤、原发肿瘤、淋巴结转移和远处转移的进化树，并分析了不同阶段的细胞分裂次数。研究人员发现结直肠癌的原发肿瘤与起源细胞之间的平均分裂次数，与正常肠干细胞克隆扩增的分裂次数相似。此外，原发肿瘤分化发生在祖细胞（MRCA）之后的250次分裂左右，而淋巴结转移发生在372次分裂左右，远处转移则发生在507次分裂左右。研究人员进一步分析发现远处转移的细胞分裂次数显著高于原发肿瘤的其他区域，这与远处转移起源于亚克隆扩增区域的观察结果一致。此外，研究人员还估计了远处转移最早可能在肿瘤发生后的5.6年发生，这与临床观察到的远处转移通常在原发肿瘤分化之后发生的结果一致。

进一步，研究人员分析了34例多灶性肺腺癌患者的73个肿瘤样本，并构建了肿瘤对之间的进化树，估计了它们共同起源细胞的分裂次数。研究人员发现多灶性肺癌的细胞分裂次数与原发肿瘤的细胞分裂次数相似，但低于结直肠癌。最后，为了解决临床样本中可能存在的肿瘤细胞纯度问题，研究人员提出使用凝聚系数（CoaR）作为测量指标，通过分析肿瘤对之间的CoaR值，将肿瘤对分为独立原发肿瘤和肺内转移，并发现CoaR与肿瘤起源类型相关，并且CoaR与无进展生存期相关。此外，研究人员还发现CoaR在头颈部鳞状细胞癌中的应用，成功地将转移性肿瘤与原发肿瘤区分开来，这表明CoaR可以应用于多种肿瘤类型的分析。