《自然》雜志以封面專題的形式刊載了一組超重磅研究論文，包括《自然》主刊刊發(fā)的6篇論文在內(nèi)，《自然》及其旗下子刊共計發(fā)表21篇論文、3篇新聞報道及評論。

這些研究報告出自近年來備受關(guān)注癌癥基因組研究，是以全球癌癥基因組協(xié)會(ICGC)和癌癥基因組圖譜計劃(TCGA)工作為基礎(chǔ)的癌癥全基因組泛癌分析(PCAWG，Pan-Cancer Analysis of Whole Genomes Consortium)。

過去，人類對癌癥基因組的研究集中在功能基因，即編碼蛋白質(zhì)的突變后致癌的基因，而這些編碼蛋白質(zhì)的功能基因僅占全基因組的不到2%。剩余98%的基因中哪些變異可能與癌癥有關(guān)，正是全基因組分析的意義所在，進一步探索編碼區(qū)和非編碼區(qū)中體細胞和種系基因變異的性質(zhì)及后果，特別關(guān)注順式調(diào)控位點、非編碼RNA及大規(guī)模結(jié)構(gòu)變異。

PCAWG項目主導(dǎo)下，來自四大洲744個科研機構(gòu)科研人員對38個瘤種2658份癌癥及相應(yīng)正常組織樣本進行了全基因組測序和整合分析，帶來了關(guān)于癌癥全基因組的全新認識。

PCAWG研究

數(shù)據(jù)概述

發(fā)表在《自然》雜志的6篇論文報告分別從不同角度介紹了癌癥全基因組的分析結(jié)果。本次報告的研究成果揭示了大規(guī)模結(jié)構(gòu)突變在癌癥中所發(fā)揮的廣泛作用，在基因調(diào)控區(qū)域找到了新的癌癥相關(guān)突變，推斷了多種腫瘤的進化等。

在第一篇文章中，研究人員概述了PCAWG數(shù)據(jù)的深度和廣度。平均看，每個腫瘤基因組樣本中，大約有4~5個驅(qū)動癌癥發(fā)生的突變，給這些腫瘤細胞帶來生存的選擇性優(yōu)勢，有5%的樣本未檢出驅(qū)動性突變，提示我們在癌癥驅(qū)動突變的發(fā)現(xiàn)中還有很多工作要做。

研究所用的腫瘤樣本中，很多出現(xiàn)了復(fù)雜的DNA重排(17.8%為染色體重排，chromoplexy;22.3%為染色體碎裂，chromothripsis)，它們導(dǎo)致了基因組結(jié)構(gòu)的變化。

其余5篇文章中，不同小組的研究人員分別從基因組突變特征、癌癥進化史、RNA改變和非編碼DNA這幾個方面進行了詳細的討論。

基因組突變特征

5篇文章有2篇分析了不同類型的突變特征，其中一篇是關(guān)于體細胞突變。

癌癥基因組中的體細胞突變是由多個突變過程引起的，每個突變過程都會產(chǎn)生具有特征性的突變特征。研究人員通過對4645個全基因組和19184個外顯子序列的測序，確定了49個單堿基取代，11個雙堿基取代，4個簇堿基取代和17個小插入/缺失特征。

在這些突變特征中，既包含過去研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的，也有一些全新的。雖然有些突變特征的誘因沒有找到，但是在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立突變特征庫并確定它們在不同癌癥中的作用，可以幫助研究人員更系統(tǒng)地了解癌癥的發(fā)展。

另一篇則是關(guān)注了結(jié)構(gòu)變異。結(jié)構(gòu)變異也是癌癥的關(guān)鍵突變過程，研究人員共找到了16種結(jié)構(gòu)變異特征并且解析了它們在癌癥中的作用。例如缺失，在各種癌癥類型和患者中分布不均，在晚期復(fù)制區(qū)域富集，并且和倒位相關(guān)。

總的來說，這些突變特征的發(fā)現(xiàn)為理解癌癥發(fā)展機制以及風(fēng)險因素的誘變暴露的作用奠定了基礎(chǔ)。

癌癥進化史

關(guān)于癌癥進化史的文章中，研究人員重建了38種癌癥的發(fā)展史以及突變過程和驅(qū)動突變序列的演變。

通過比較不同細胞亞群里的突變，可以倒推出這些突變出現(xiàn)的先后順序。分析發(fā)現(xiàn)，早期腫瘤發(fā)生的特征是一組受限制的驅(qū)動基因的突變，以及特定的拷貝數(shù)增加;而后期，驅(qū)動基因突變有了近4倍的多樣化，基因組的不穩(wěn)定性增加。在整個腫瘤發(fā)展過程中，有至少40%的腫瘤突變譜會發(fā)生顯著變化。

在癌癥早期，最常出現(xiàn)的是驅(qū)動型突變。值得注意的是，驅(qū)動基因突變的發(fā)生通常要比癌癥的診斷早幾年甚至幾十年，驅(qū)動基因突變可在診斷數(shù)年甚至幾十年前出現(xiàn)，這可能對癌癥早期診斷或生物標志物的開發(fā)有重要意義。

時序分析表明，環(huán)境對腫瘤進展的影響隨時間推移而逐漸減弱，DNA修復(fù)缺陷的頻率和嚴重性逐漸增加，即隨著時間推移，環(huán)境造成的影響會越來越小，DNA修復(fù)缺陷造成的影響則會越來越大。

RNA改變

在癌癥研究中，針對RNA改變的研究相對較欠缺，這次的新研究利用龐大的樣本量為我們提供了迄今為止最全面的數(shù)據(jù)。

研究人員分析了1188個轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)拷貝數(shù)變異仍是癌細胞中驅(qū)動基因表達變化的主要因素，但數(shù)百個單核苷酸突變也會影響到周圍的基因表達。此外，癌細胞里的一些突變還會引起轉(zhuǎn)錄信息的變化，如產(chǎn)生新的蛋白編碼序列等。

通過匹配的全基因組測序，研究人員將幾類RNA改變(包括過表達和基因融合等)與DNA改變功能性地關(guān)聯(lián)在一起，共確定了649個影響基因表達的體細胞單核苷酸變異和1900個與體細胞突變有關(guān)的剪切改變。

此外，高達82%的基因融合和結(jié)構(gòu)變異有關(guān)，包括75種新的“橋接”融合(兩個基因中插入第三個基因并發(fā)生融合)。

研究人員觀察到，轉(zhuǎn)錄組改變的特征在不同癌癥中是不同的，且與DNA突變特征的變化相關(guān)。這種RNA改變?yōu)榱私馀c癌癥相關(guān)的功能性基因和機制提供了新的可能。

非編碼DNA

研究人員嘗試從非編碼DNA里尋找癌癥的驅(qū)動因素，發(fā)現(xiàn)了一些全新的癌癥驅(qū)動突變，如抑癌基因TP53的一段非編碼區(qū)里，反復(fù)出現(xiàn)了一種突變。而編碼端粒酶的基因TERT的非編碼區(qū)，也有會導(dǎo)致其過度表達的突變，這或許會促進癌細胞異常分裂。

由于準確檢測非編碼區(qū)突變比編碼區(qū)突變難度更大，因此研究人員開發(fā)了兩種新的發(fā)現(xiàn)驅(qū)動突變的方法。

研究人員檢測發(fā)現(xiàn)了一些新的突變，包括TP53的5’端非編碼區(qū)，NFKBIZ和TOB1的3’端非翻譯區(qū)的點突變等，同時，也對過去發(fā)現(xiàn)的個別突變提出了質(zhì)疑，例如NEAT1和MALAT1。

研究人員還發(fā)現(xiàn)端粒酶基因TERT的非編碼區(qū)中相對頻繁的突變導(dǎo)致端粒酶的過表達，會促進癌細胞的分裂。

雖然驅(qū)動癌癥的點突變和結(jié)構(gòu)變異在非編碼基因和調(diào)控序列中發(fā)生的頻率比編碼基因和序列中要低，但隨著更大的基因組分析，還會有很多非編碼DNA突變被發(fā)現(xiàn)。

線粒體與癌癥

線粒體是人體內(nèi)的能量工廠，由于能量代謝改變是癌癥的普遍特征，因此一直以來，很多科學(xué)家懷疑線粒體也參與到癌癥的發(fā)病過程中。

此外，線粒體在細胞的生物合成、信號傳導(dǎo)、分化、凋亡、維持細胞周期和細胞生長的控制等方面也起重要的作用，上述過程也都與癌癥發(fā)生有內(nèi)在聯(lián)系。

雖然之前也有研究探索了線粒體與癌癥的關(guān)系，但未充分探索線粒體基因組和核基因組之間的相互作用，以及線粒體改變的生物學(xué)意義。

PCAWG為上述研究提供了充足的數(shù)據(jù)。MD Anderson癌癥中心的研究人員，從多個方面分析了線粒體基因組數(shù)據(jù)和相關(guān)的RNA測序數(shù)據(jù)。

研究人員繪制了線粒體基因突變圖譜，還確定了幾個超突變病例。他們發(fā)現(xiàn)，線粒體基因的截斷突變在腎癌、結(jié)直腸癌和甲狀腺癌中非常多，提示這些基因信號的改變有致癌作用。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，線粒體DNA存在頻繁的細胞核轉(zhuǎn)移，其中一些線粒體DNA片段會破壞治療靶基因。而且，線粒體拷貝數(shù)在癌癥內(nèi)部和之間差異很大，并且與一些臨床變量相關(guān)。

共表達分析凸顯了線粒體基因在氧化磷酸化、DNA修復(fù)和細胞周期中的功能，而且還發(fā)現(xiàn)它們與臨床上可干預(yù)基因位點之間存在聯(lián)系。該研究為線粒體生物學(xué)意義轉(zhuǎn)化成臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

拓撲相關(guān)結(jié)構(gòu)域與癌癥

人類體內(nèi)的DNA是以特定的三維結(jié)構(gòu)折疊在一起的。早有研究發(fā)現(xiàn)，具有相同拓撲相關(guān)結(jié)構(gòu)域(TAD)的基因，表現(xiàn)出相似的表達水平和組蛋白修飾。且區(qū)分不同結(jié)構(gòu)域的邊界，對于維持上述特點的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

實際上，學(xué)界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在人類癌癥中，這種結(jié)構(gòu)域破壞，會導(dǎo)致基因表達的失調(diào)。不過結(jié)構(gòu)域的在癌癥中被破壞的程度，仍了解較少。PCAWG數(shù)據(jù)庫提供了一個研究此類問題的好機會。

MD Anderson癌癥中心等研究機構(gòu)的研究人員分析了PCAWG數(shù)據(jù)庫中的288457個結(jié)構(gòu)變異，以了解結(jié)構(gòu)變異在拓撲相關(guān)結(jié)構(gòu)域中的分布，以及對拓撲相關(guān)結(jié)構(gòu)域的影響。

分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)變異可導(dǎo)致離得很遠的拓撲相關(guān)結(jié)構(gòu)域發(fā)生融合，或發(fā)生復(fù)雜的重排，最終破壞癌癥基因組染色質(zhì)折疊圖譜。此外，只有14%的結(jié)構(gòu)域邊界缺失，導(dǎo)致附近基因表達水平變化超過2倍。

該研究探索了體細胞結(jié)構(gòu)變異在不同類型腫瘤中的分布，及其在染色體折疊和基因調(diào)控中的作用。

LINE-1逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子與癌癥

LINE-1逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子是人類基因組中一個廣泛存在的重復(fù)元件，占整個DNA的17%?？赏ㄟ^轉(zhuǎn)錄和逆轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)座過程產(chǎn)生新的DNA拷貝，插入到基因組不同的位置。

顯然，LINE-1轉(zhuǎn)座會影響基因組中其他基因的表達和調(diào)控，進而影響基因組的穩(wěn)定性。在約一半的癌癥中發(fā)現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的這種破壞行為。不過LINE-1的插入對癌癥的影響，還了解較少。

英國威康桑格研究所等機構(gòu)的研究人員，以PCAWG數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，分析了癌細胞的逆轉(zhuǎn)錄模式和機制。研究人員發(fā)現(xiàn)了19166個獲得性逆轉(zhuǎn)錄事件，影響了35%的腫瘤樣本。

LINE-1插入是食管腺癌中最常見的結(jié)構(gòu)變異類型，是頭頸腫瘤和直腸癌中第二常見的體細胞結(jié)構(gòu)變異類型。且異常的LINE-1插入甚至可導(dǎo)致染色體上數(shù)百萬堿基對的DNA片段被刪除，有些抑癌基因就在被刪除的DNA片段之中。

此外，LINE-1插入還會誘發(fā)復(fù)雜的DNA片段異位和大規(guī)模的重復(fù)，甚至還會導(dǎo)致癌基因表達水平大幅上升。

這些發(fā)現(xiàn)闡明了LINE-1逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在重塑癌癥基因組中的作用，對腫瘤的發(fā)展存在潛在的影響。

病毒感染與癌癥

世衛(wèi)組織估計，15.4%的癌癥歸因于感染，9.9%的癌癥與病毒有關(guān)?？梢姴《靖腥九c癌癥之間存在密切關(guān)系。在癌癥相關(guān)的病毒中，最為人們熟知的是HPV、HBV、HCV和EBV四種。

德國癌癥研究中心的研究人員在PCAWG數(shù)據(jù)庫中，發(fā)現(xiàn)382個基因組數(shù)據(jù)和68個轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)集中存在病毒的蹤跡。他們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)現(xiàn)的病毒數(shù)據(jù)集之中，EBV、HBV和HPV(尤其HPV16和HPV18)的出現(xiàn)頻率較高。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，在頭頸腫瘤中，HPV的存在與驅(qū)動基因突變之間存在顯著的排他性;而HPV與APOBEC(有廣譜的抗病毒作用)突變間的相關(guān)性，意味著抗病毒能力的減弱，是宮頸癌、膀胱癌和頭頸癌的驅(qū)動因素。

HBV、HPV16、HPV18和AAV2病毒的整合，與基因組拷貝數(shù)的局部變異有關(guān)。在TERT啟動子處發(fā)生的病毒整合，與端粒酶表達水平高有關(guān)，意味著這個腫瘤驅(qū)動基因被激活。高水平的內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒(ERV1)表達，與腎癌患者的預(yù)后差有關(guān)。

該研究提示，病毒感染與癌癥的關(guān)系值得深入研究。

染色體碎裂與癌癥

在染色體的復(fù)制過程中，有時會出現(xiàn)一種被科學(xué)家稱為染色體碎裂的災(zāi)難性大規(guī)?；蛑亟M。染色體碎裂的細胞一般會死亡，若不幸存活下來，就會引發(fā)癌癥。

雖然近年來科學(xué)家對染色體碎裂的機制有了一些研究，但對于染色體碎裂的成因、出現(xiàn)頻率及對細胞的影響還知之甚少。

哈佛大學(xué)路德維希中心等研究機構(gòu)的研究人員，基于PCAWG數(shù)據(jù)庫，對癌癥中的染色體碎裂事件進行了深入研究。

研究發(fā)現(xiàn)，染色體碎裂事件普遍存在于所有類型腫瘤中。在幾種類型腫瘤中，出現(xiàn)頻率甚至超過50%。從功能上看，染色體碎裂有助于癌基因的擴增，還會導(dǎo)致DNA錯配修復(fù)相關(guān)基因失活。

該研究表明，染色體碎裂是驅(qū)動癌癥基因組進化的重要過程。

云計算與癌癥基因組數(shù)據(jù)分析

歐洲分子生物學(xué)實驗室(EMBL)發(fā)在《自然·生物技術(shù)》的研究成果，介紹了一種名為Butler的計算工具，它可以幫助科學(xué)家在公有云和學(xué)術(shù)云上開展大規(guī)模的基因組分析。

Butler包括創(chuàng)新的異常檢測和自我修復(fù)功能，與當前方法相比，該方法將數(shù)據(jù)處理和分析的效率提高了43%。通過Butler，可以高效、統(tǒng)一地處理PCAWG項目中的725TB癌癥基因組數(shù)據(jù)。

結(jié)語

數(shù)千位科學(xué)家合力帶來了這些突破，讓我們對癌癥基因組有了全新的認識。正如一篇報道中指出的，我們目前還比較缺乏臨床上與患者治療和預(yù)后相關(guān)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有助于我們更好地了解這些基因組信息與治療的相關(guān)性。

如今，科研的方式已經(jīng)與幾十年前大不相同，全球的科學(xué)家們通過云技術(shù)分享，數(shù)據(jù)的獲取不再是難題?！蹲匀弧冯s志評論中的數(shù)據(jù)顯示，2019年，共有來自146個國家和地區(qū)的83000余名研究者從歐洲信息學(xué)研究所獲取DNA數(shù)據(jù)，總下載量達到6.7PB，相當于約2300億個完整的人類基因組。這樣的共享還會隨著數(shù)據(jù)的可及性而增加。

當前科研界要考慮的已經(jīng)不再僅僅是基因數(shù)據(jù)本身，還包括與其匹配的臨床信息的收集、基因組信息與醫(yī)療保健系統(tǒng)的整合、參與者的隱私保護、國際統(tǒng)一標準的建立等這些當下需要思考解決的問題。

(編譯 余新)