癌症中的譜系學

02-07

前言

大老闆閑來無事，上學期叫秘書張羅了個「癌症與進化」的文獻討論班。不出所料，上了三次課後，該討論班不了了之。準備好的A4頁筆記本，記了兩頁就沒了下文。八成大老闆的約稿review已經完成，討論班於他失去了存在的意義。

整理文件夾時翻出當時的一些筆記，決定把第一次討論會的筆記做成電子版。也許以後不會再touch這方面課題，但是其中一些研究思路，也許會成為待串起來的珠子，默默發光。

正文

背靠著一個做演化的實驗室，但對演化的「波及面」or「涵蓋面」，卻道行尚淺、一知半解。比如，一個現象是不是演化範疇的、蘊含著怎樣的演化問題、從演化角度如何解析。comprehensive的時候多，make a point的時候少。

平時的主要工作可以概括為：序列比對、正選擇檢測、溯祖模型。用別人現成的軟體用的順手，但對這些模型是如何構建的、是在一個什麼樣的背景下提出來的，卻不甚了解。其實，了解特定問題或者工具產生的背景，是為了舉一反三、活學活用。在自己做課題時，遇到類似的context，可以「乾坤大挪移」，尋找靈感。

大老闆的講課方式，是不斷提問題、引人思考，再拿觀點出來討論。就這麼簡單列舉一些討論班中涉及到的重點吧。

第一堂課的作為印子的兩篇paper是：

- John Cairns,1975, Mutation selection and the natural history of cancer

- Peter C. Nowell, 1976, The clonal evolution of tumor cell populations

這兩篇paper在課前就已經發給了我們預習。自己讀的時候，感覺沒什麼炫酷的計算嘛，無非是提了一個verbal的模型，跟一些癌症中的現象扯上關係講一講，什麼時代都有吹水的人嘛。

為啥要用這兩篇「開門」呢？

初想癌症，會是一個醫學的問題吧。什麼時候，開始有人開始認為它是一個演化學的問題呢？從文獻中挖，源頭就追溯到了這兩篇。

第一篇：Mutation selection and the natural history of cancer

三個觀點

1. Lineages and the place of stem cells in programmes of cell renewal

2. Compartmentalisation and the natural selection of fitter variants

3. Mutation selection and carcinogenesis

第一個觀點，提到了lineage和stem cell這兩個關鍵詞

人體中共有約10^13 ~ 10^14 個細胞。在生長發育過程中，為了維持機體的穩定，它們不斷分化、分裂、死亡，保持著動態平衡。細胞分裂過程中，在複製DNA的時候，可能會出錯。分裂次數越多，出錯的可能性越大，一旦出錯，輕則不能執行原有的功能，嚴重情況下，可能會脫離機體的控制，肆意生長，成為腫瘤。

那麼，機體如何在高分裂和少犯錯之間維持平衡呢？

概括來說，細胞有兩種策略：

如圖所示，策略1（a圖）中方形的幹細胞一面維持著自己的傳遞，一面不斷分化出執行特定功能的體細胞。需要一個體細胞，就「撬動」幹細胞分裂一次。

策略2中（b圖），幹細胞依然通過複製、傳遞著自己，但是對於所需的體細胞，幹細胞採取了「外包」的策略，分化出去一個細胞，然後由這個細胞不斷二分裂，形成所需要的體細胞。

上下兩種策略，都可以維持細胞數目的恆定，但是幹細胞的分裂次數卻大不相同，相較於a圖幹細胞需要不停分裂以提供足夠多的體細胞，下圖中，幹細胞的分裂次數明顯減少。這樣做的好處是，在人體中，相對最重要的幹細胞保持了較低的分裂次數，較低的犯錯率，較低的癌症發生概率。

這裡潛涵了一個問題，腫瘤細胞大多來源於哪一類細胞呢？幹細胞？幹細胞剛剛分化出去的體細胞？還是完全分化的體細胞 (下圖三個紅星）？

幹細胞分裂次數少，出錯概率小，但一旦癌變，後果相當嚴重。

體細胞分裂次數多，出錯概率大，但即使出錯，能「取代」幹細胞、自己成為新型「幹細胞」的可能卻很小。

follow這個思路，似乎，可能，幹細胞剛分化出來的、全能型還較強的那一個細胞（the one），成為癌細胞的可能性較大（上圖中間位置那個星星）。

不過這還只是個猜想，並沒有專門search文獻來佐證。

第二個觀點，區塊化組織結構

生物體的組織是很有邏輯的，比如腸道絨毛的結構：

(圖片來源：2013, Plos Genetics, Age-Dependent Transition from Cell-Level to Population- Level Control in Murine Intestinal Homeostasis Revealed by Coalescence Analysis)

最下面的是幹細胞，上面的是已經分化了的體細胞。

從腸道絨毛細胞的排列就可以看出，幹細胞位於底部，分化出來的細胞依次向外排列。

這樣的好處是，如果某個幹細胞發生了癌變，那麼機體直接把這個小「兜兜」丟掉就好了。

丟車保帥，關鍵是大局維穩。

第三個觀點，關於複製模式和突變機制

DNA在複製的時候，是半保留複製，也就是有一條是模板鏈，另一條是從頭合成的。複製多次後，會有兩個細胞中的染色體，exactly是複製伊始細胞中的染色體。而其餘細胞中的染色體都是從頭合成的。

從頭合成會有什麼問題？可能會出錯！這跟PCR實驗有點像，鹼基配對、連接不是一個完美的過程。

那麼幹細胞在二分分裂的時候，一個理想的策略是：保證維持幹細胞功能的後代拿到模板鏈，那麼就可以減少錯誤的發生率了。如下圖b布置（方格子是幹細胞）：

細胞如果有辦法marker出最古老的那條幹細胞中染色體，然後一路傳下去就好了。

這個觀點雖然很intriguing，但事實證明，人體沒有這麼聰明。

這個假想的有效降低出錯率的機制，在實際人體中是不存在的。

第二篇文章，the clonal evolution of tumor cell populations

重點就是這一張圖：

從這張圖上看出什麼？從左向右看：

one step, two step,...

手牽手一步兩步三步四步望著天

看星星一顆兩顆三顆四顆連成線

...

哈哈，想說的就是：

癌細胞是一個多步發育的問題，而非一蹴而就的。

這個觀點應該是很charming的一個觀點，它蘊含了「秩序性」，把問題簡化到了一個個步驟，每個步驟都有物理實體與其對應。如果可以找到每一步致病的基因突變，那麼治療癌症不是指日可待。

簡單的，很有可能是美的，但不一定是真的。雖說現在許多癌症研究follow的都是這條思路：在不同人群不同癌症類型之中，找共性。

（圖片來源：2005，PNAS，Comparative lesion sequencing provides insights intotumor evolution）

但cancer是convergent evolution嗎？還是它根本就是一個diverging or 發散的過程，沒有什麼common genetic mechanism、沒有什麼共同法則、沒有什麼一勞永逸的解決辦法，只能不段積累病例、數據，建立起龐大的治療方案資料庫。有點悲觀了。。。回來，回來。

在沒有更好的model、insight的之前，抱著懷疑精神，先沿著現有的模型思路往下想：

如果癌症是「有跡可循」的，我們按照時間順序來重建獲得致癌性的每一步突變，那麼每一步含有相應突變的cell都成功的在癌症組織中存活了下來，問題來了，它們是如果成功「留下來」的呢？

按照大老闆的說法，似乎研究癌症的人，從一開始就認為，癌細胞的每一個演化階段，都是「披荊斬棘」的過程，靠著自己的選擇優勢，被成功留下來。也就是說：這些帶有突變的中間細胞，都是有選！擇！優！勢！的。也就是說，是自然選擇/正選擇一路主導了癌症的形成。

這裡就來了演化學的關鍵問題，想談選擇優勢？來，我們先聊聊中性演化（嚴肅臉）。

上群體遺傳學、上中性檢驗、上 theta_pi, theta_w, TajimaD, Fu & Li ......

詳細的檢驗可以看這篇paper：2015，PNAS，Extremely high genetic diversity in a single tumor points to prevalence of non-Darwinian cell evolution

好吧，這篇paper里說的是：無法拒絕原假設（中性演化），換句話說，癌症也許不是一個正選擇驅動的過程。

後記

其實為數不多的討論會上，還有蠻多有趣的小細節。

比如，癌症一開始被認為是一個傳染病，是吃了壞的東西、吸入了壞的病毒，才得癌症的。那從什麼時候，癌症開始被認為是一個遺傳學的問題了呢？

在木有DNA測序的年代，遺傳學家都是細胞學家，天天在顯微鏡下面觀察細胞結構、染色體數目。有個遺傳學家在觀察癌細胞的染色體時，發現癌細胞的染色體發生了translocation，而正常細胞裡面卻沒有。哈哈，在那個時代，如果在染色體上能看到變化，那麼就屬於遺傳的範圍啦~ （染色體是遺傳的物質基礎嘛）

又比如，怎麼知道腫瘤中的細胞都來自同一個突變的癌細胞呢？

在一個木有測序、只能看染色體的年代.........

答案是：看X染色體。

在哺乳動物中，雄性的性染色體組成是XY，雌性是XX。而雌性中的兩條X染色體，並不是都是「有活性的」，即上面的基因會轉錄成RNA，翻譯成蛋白質，執行具體功能blablabla。

雌性中兩條X染色體，實際上是隨機失活一條的，只有一條有活性的。由於隨機失活，選取一個雌性個體體內不同的細胞，常常失活的是不同的X染色體。但是一個腫瘤組織中，所有的細胞都是同樣一條X染色體失活，這充分說明了它們的單起源性。