《自然》雜志以封面專(zhuān)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(jì)發(fā)表21篇論文、3篇新聞報(bào)道及評(píng)論。

這些研究報(bào)告出自近年來(lái)備受關(guān)注癌癥基因組研究，是以全球癌癥基因組協(xié)會(huì)(ICGC)和癌癥基因組圖譜計(jì)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(guò)去，人類(lèi)對(duì)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(jìn)一步探索編碼區(qū)和非編碼區(qū)中體細(xì)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(diǎn)、非編碼RNA及大規(guī)模結(jié)構(gòu)變異。

PCAWG項(xiàng)目主導(dǎo)下，來(lái)自四大洲744個(gè)科研機(jī)構(gòu)科研人員對(duì)38個(gè)瘤種2658份癌癥及相應(yīng)正常組織樣本進(jìn)行了全基因組測(cè)序和整合分析，帶來(lái)了關(guān)于癌癥全基因組的全新認(rèn)識(shí)。

PCAWG研究

數(shù)據(jù)概述

發(fā)表在《自然》雜志的6篇論文報(bào)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(bào)告的研究成果揭示了大規(guī)模結(jié)構(gòu)突變?cè)诎┌Y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(jìn)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(gè)腫瘤基因組樣本中，大約有4~5個(gè)驅(qū)動(dòng)癌癥發(fā)生的突變，給這些腫瘤細(xì)胞帶來(lái)生存的選擇性?xún)?yōu)勢(shì)，有5%的樣本未檢出驅(qū)動(dòng)性突變，提示我們?cè)诎┌Y驅(qū)動(dòng)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(jìn)化史、RNA改變和非編碼DNA這幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的討論。

基因組突變特征

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

癌癥基因組中的體細(xì)胞突變是由多個(gè)突變過(guò)程引起的，每個(gè)突變過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生具有特征性的突變特征。研究人員通過(guò)對(duì)4645個(gè)全基因組和19184個(gè)外顯子序列的測(cè)序，確定了49個(gè)單堿基取代，11個(gè)雙堿基取代，4個(gè)簇堿基取代和17個(gè)小插入/缺失特征。

在這些突變特征中，既包含過(guò)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(méi)有找到，但是在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立突變特征庫(kù)并確定它們?cè)诓煌┌Y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?jiǎng)t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(guò)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?cè)诎┌Y中的作用。例如缺失，在各種癌癥類(lèi)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(lái)說(shuō)，這些突變特征的發(fā)現(xiàn)為理解癌癥發(fā)展機(jī)制以及風(fēng)險(xiǎn)因素的誘變暴露的作用奠定了基礎(chǔ)。

癌癥進(jìn)化史

關(guān)于癌癥進(jìn)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(guò)程和驅(qū)動(dòng)突變序列的演變。

通過(guò)比較不同細(xì)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(dòng)基因的突變，以及特定的拷貝數(shù)增加;而后期，驅(qū)動(dòng)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(gè)腫瘤發(fā)展過(guò)程中，有至少40%的腫瘤突變譜會(huì)發(fā)生顯著變化。

在癌癥早期，最常出現(xiàn)的是驅(qū)動(dòng)型突變。值得注意的是，驅(qū)動(dòng)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(dòng)基因突變可在診斷數(shù)年甚至幾十年前出現(xiàn)，這可能對(duì)癌癥早期診斷或生物標(biāo)志物的開(kāi)發(fā)有重要意義。

時(shí)序分析表明，環(huán)境對(duì)腫瘤進(jìn)展的影響隨時(shí)間推移而逐漸減弱，DNA修復(fù)缺陷的頻率和嚴(yán)重性逐漸增加，即隨著時(shí)間推移，環(huán)境造成的影響會(huì)越來(lái)越小，DNA修復(fù)缺陷造成的影響則會(huì)越來(lái)越大。

RNA改變

在癌癥研究中，針對(duì)RNA改變的研究相對(duì)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(gè)轉(zhuǎn)錄組的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)拷貝數(shù)變異仍是癌細(xì)胞中驅(qū)動(dòng)基因表達(dá)變化的主要因素，但數(shù)百個(gè)單核苷酸突變也會(huì)影響到周?chē)幕虮磉_(dá)。此外，癌細(xì)胞里的一些突變還會(huì)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(guò)匹配的全基因組測(cè)序，研究人員將幾類(lèi)RNA改變(包括過(guò)表達(dá)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(gè)影響基因表達(dá)的體細(xì)胞單核苷酸變異和1900個(gè)與體細(xì)胞突變有關(guān)的剪切改變。

此外，高達(dá)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(gè)基因中插入第三個(gè)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(jī)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(dòng)因素，發(fā)現(xiàn)了一些全新的癌癥驅(qū)動(dòng)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(huì)導(dǎo)致其過(guò)度表達(dá)的突變，這或許會(huì)促進(jìn)癌細(xì)胞異常分裂。

由于準(zhǔn)確檢測(cè)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(kāi)發(fā)了兩種新的發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)突變的方法。

研究人員檢測(cè)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(diǎn)突變等，同時(shí)，也對(duì)過(guò)去發(fā)現(xiàn)的個(gè)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(duì)頻繁的突變導(dǎo)致端粒酶的過(guò)表達(dá)，會(huì)促進(jìn)癌細(xì)胞的分裂。

雖然驅(qū)動(dòng)癌癥的點(diǎn)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(huì)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(lái)，很多科學(xué)家懷疑線粒體也參與到癌癥的發(fā)病過(guò)程中。

此外，線粒體在細(xì)胞的生物合成、信號(hào)傳導(dǎo)、分化、凋亡、維持細(xì)胞周期和細(xì)胞生長(zhǎng)的控制等方面也起重要的作用，上述過(guò)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(gè)方面分析了線粒體基因組數(shù)據(jù)和相關(guān)的RNA測(cè)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(gè)超突變病例。他們發(fā)現(xiàn)，線粒體基因的截?cái)嗤蛔冊(cè)?a target="_blank"href="/Html/Diseases/Main/Index_41114.html" class="keyword_Default Keyword_Type_3">腎癌、結(jié)直腸癌和甲狀腺癌中非常多，提示這些基因信號(hào)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(xì)胞核轉(zhuǎn)移，其中一些線粒體DNA片段會(huì)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(dá)分析凸顯了線粒體基因在氧化磷酸化、DNA修復(fù)和細(xì)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(diǎn)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?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域與癌癥

人類(lèi)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?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域(TAD)的基因，表現(xiàn)出相似的表達(dá)水平和組蛋白修飾。且區(qū)分不同結(jié)構(gòu)域的邊界，對(duì)于維持上述特點(diǎn)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

實(shí)際上，學(xué)界已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在人類(lèi)癌癥中，這種結(jié)構(gòu)域破壞，會(huì)導(dǎo)致基因表達(dá)的失調(diào)。不過(guò)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(kù)提供了一個(gè)研究此類(lèi)問(wèn)題的好機(jī)會(huì)。

MD Anderson癌癥中心等研究機(jī)構(gòu)的研究人員分析了PCAWG數(shù)據(jù)庫(kù)中的288457個(gè)結(jié)構(gòu)變異，以了解結(jié)構(gòu)變異在拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域中的分布，以及對(duì)拓?fù)湎嚓P(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(yuǎn)的拓?fù)湎嚓P(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(dá)水平變化超過(guò)2倍。

該研究探索了體細(xì)胞結(jié)構(gòu)變異在不同類(lèi)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(lèi)基因組中一個(gè)廣泛存在的重復(fù)元件，占整個(gè)DNA的17%?？赏ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)錄和逆轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)座過(guò)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(huì)影響基因組中其他基因的表達(dá)和調(diào)控，進(jìn)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(guò)LINE-1的插入對(duì)癌癥的影響，還了解較少。

英國(guó)威康桑格研究所等機(jī)構(gòu)的研究人員，以PCAWG數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，分析了癌細(xì)胞的逆轉(zhuǎn)錄模式和機(jī)制。研究人員發(fā)現(xiàn)了19166個(gè)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(jiàn)的結(jié)構(gòu)變異類(lèi)型，是頭頸腫瘤和直腸癌中第二常見(jiàn)的體細(xì)胞結(jié)構(gòu)變異類(lèi)型。且異常的LINE-1插入甚至可導(dǎo)致染色體上數(shù)百萬(wàn)堿基對(duì)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(huì)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(huì)導(dǎo)致癌基因表達(dá)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(duì)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(jì)，15.4%的癌癥歸因于感染，9.9%的癌癥與病毒有關(guān)?？梢?jiàn)病毒感染與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(guó)癌癥研究中心的研究人員在PCAWG數(shù)據(jù)庫(kù)中，發(fā)現(xiàn)382個(gè)基因組數(shù)據(jù)和68個(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)子處發(fā)生的病毒整合，與端粒酶表達(dá)水平高有關(guān)，意味著這個(gè)腫瘤驅(qū)動(dòng)基因被激活。高水平的內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒(ERV1)表達(dá)，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(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一種被科學(xué)家稱(chēng)為染色體碎裂的災(zāi)難性大規(guī)模基因重組。染色體碎裂的細(xì)胞一般會(huì)死亡，若不幸存活下來(lái)，就會(huì)引發(fā)癌癥。

雖然近年來(lái)科學(xué)家對(duì)染色體碎裂的機(jī)制有了一些研究，但對(duì)于染色體碎裂的成因、出現(xiàn)頻率及對(duì)細(xì)胞的影響還知之甚少。

哈佛大學(xué)路德維希中心等研究機(jī)構(gòu)的研究人員，基于PCAWG數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)癌癥中的染色體碎裂事件進(jìn)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(lèi)型腫瘤中。在幾種類(lèi)型腫瘤中，出現(xiàn)頻率甚至超過(guò)50%。從功能上看，染色體碎裂有助于癌基因的擴(kuò)增，還會(huì)導(dǎo)致DNA錯(cuò)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(dòng)癌癥基因組進(jìn)化的重要過(guò)程。

云計(jì)算與癌癥基因組數(shù)據(jù)分析

歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jì)算工具，它可以幫助科學(xué)家在公有云和學(xué)術(shù)云上開(kāi)展大規(guī)模的基因組分析。

Butler包括創(chuàng)新的異常檢測(cè)和自我修復(fù)功能，與當(dāng)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(guò)Butler，可以高效、統(tǒng)一地處理PCAWG項(xiàng)目中的725TB癌癥基因組數(shù)據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

數(shù)千位科學(xué)家合力帶來(lái)了這些突破，讓我們對(duì)癌癥基因組有了全新的認(rèn)識(shí)。正如一篇報(bào)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(guò)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(píng)論中的數(shù)據(jù)顯示，2019年，共有來(lái)自146個(gè)國(guó)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(dá)到6.7PB，相當(dāng)于約2300億個(gè)完整的人類(lèi)基因組。這樣的共享還會(huì)隨著數(shù)據(jù)的可及性而增加。

當(dāng)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(hù)、國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的建立等這些當(dāng)下需要思考解決的問(wèn)題。

(編譯 余新)