快来学！解析癌症进化的高级工具-肿瘤系统发育学

学术 2024-10-13 00:06 四川

肿瘤系统发育学（tumor phylogenetics）是研究肿瘤进化的一种方法，它通过构建肿瘤细胞的系统发育树来揭示肿瘤的进化历史。这种方法可以帮助我们理解肿瘤如何在时间和空间上发展，以及不同肿瘤细胞亚群之间的关系。通过这种方法，我们可以更好地理解肿瘤的异质性，以及它如何对治疗产生影响。

今年3月，由南方医科大学的研究团队在Journal of the National Cancer Center上发表了题为“Resolving tumor evolution: a phylogenetic approach”的综述，全面介绍肿瘤系统发育学的工作流程及其在癌症研究中的应用，并强调了整合外部数据对于增强分析的解释性和适用性的重要作用。

一．肿瘤系统发育学概述

一般来说，肿瘤进化是一个由遗传和表观遗传突变的获得驱动的过程，导致每个肿瘤内细胞群的复杂且不断发展的亚克隆。每个亚克隆都有其独特的遗传和表型特征，有助于肿瘤的整体异质性。这种异质性是由癌症基因组的日益不稳定性所驱动的，这导致了遗传多样性的不断产生。这种形式的异质性是所有癌症类型的普遍特征，从而导致耐药亚克隆的出现或诱导肿瘤转移，增加了治疗的复杂性。

然而，这种异质性也为追踪肿瘤进化历史，理解肿瘤的进化动力学提供了独特机会，从而有助于制定更精确的个性化治疗策略并进行预后评估。因此，肿瘤系统发育学这一领域应运而生，它借助了物种进化的理论框架，通过深入分析遗传变异来构建系统发育树，从而为深入研究肿瘤的进化过程和进展提供了一种创新性的视角和方法。

二．肿瘤系统发育学的研究设计和数据

研究设计必须考虑到肿瘤的时空异质性，这意味着需要在不同时间点采集肿瘤样本，以捕捉肿瘤的动态变化。此外，研究应包括对肿瘤微环境中的细胞，如免疫细胞和基质细胞的分析，因为它们对肿瘤的进化有重要影响。

图 1.肿瘤系统发育学的工作流程：第 1 步涉及选择合适的研究设计，例如横断面、区域批量测序、单细胞测序或谱系追踪。第 2 步侧重于收集和预处理数据。第 3 步利用预处理的数据选择合适的方法来重建肿瘤系统发育。可选的第四步将系统发育与外部数据集成，以发现特定模式，例如亚克隆特异性突变。

1. 横断面肿瘤系统发育学：横断面肿瘤系统发育学研究通过分析单一时间点的肿瘤样本，构建肿瘤细胞群体的系统发育关系，揭示肿瘤内部的遗传异质性。这种方法适用于快速评估肿瘤的遗传结构，但可能无法完全捕捉肿瘤随时间的动态进化过程。

2. 区域批量肿瘤系统发育学：区域批量肿瘤系统发育学通过分析肿瘤不同区域的样本，研究肿瘤的空间异质性和区域间的进化关系。这种方法有助于理解肿瘤如何在不同部位发展和扩散，为区域特异性治疗提供依据。

3. 单细胞肿瘤系统发育学：单细胞肿瘤系统发育学利用单细胞测序技术，研究单个肿瘤细胞的遗传变异和进化关系，提供肿瘤异质性的最高分辨率视图。这种方法能够揭示肿瘤细胞的克隆进化和亚克隆结构，为个性化医疗和精准治疗提供重要信息。

4. 谱系追踪肿瘤系统发育学：谱系追踪肿瘤系统发育学通过标记和追踪肿瘤细胞的谱系，研究肿瘤细胞的起源、分化和进化历程。这种方法能够提供肿瘤发展历史的详细信息，有助于理解肿瘤的进化动态和治疗抵抗机制。

数据获取方面，文章讨论了多种技术平台，如下一代测序技术，它们能够提供肿瘤细胞的遗传和转录组信息。这些数据对于揭示肿瘤细胞的克隆进化和亚克隆结构至关重要。同时，本文作者也强调了整合多模态数据，如蛋白质组学和代谢组学数据，对于全面理解肿瘤系统发育的重要性。

三．系统发育重建

通过系统发育重建来解析肿瘤的进化历史。这一过程涉及使用复杂的算法和计算工具来分析从肿瘤样本中获得的遗传数据，目的是构建反映肿瘤细胞之间进化关系的系统发育树。选择合适的系统发育重建方法十分重要性，这些方法必须能够处理肿瘤数据特有的复杂性，例如克隆和亚克隆的存在。目前有多种系统发育推断算法，包括最大似然法、贝叶斯推断和距离方法，每种方法都有其优势和局限性。

在系统发育重建过程中考虑肿瘤内异质性的必要性。这包括对肿瘤微环境中不同细胞群体的遗传变异进行分析，以及这些变异如何影响肿瘤的进化路径。通过整合这些信息，研究人员可以更准确地追踪肿瘤的进化历程，并识别关键的进化事件。在临床应用时，该方法可预测肿瘤对治疗的反应和指导个性化治疗策略。

四．从肿瘤系统发育学中获得的见解

通过将不同来源和类型的数据集整合在一起，研究人员能够获得更全面的肿瘤进化视图。

图 2.来自肿瘤系统发育的见解：利用肿瘤系统发育学可以提取以下领域的关键见解，包括但不限于：亚克隆结构、肿瘤进化的关键里程碑、亚克隆特异性突变、肿瘤进化动力学、亚克隆特征和肿瘤分类。

五．数据整合在肿瘤系统发育学中的作用

整合基因组数据、转录组数据、蛋白质组数据和临床数据等，可以提供对肿瘤异质性和进化动态的更深入理解。这种多维度的数据整合有助于揭示肿瘤细胞之间的复杂关系，以及它们如何响应治疗和环境变化。数据整合不仅能够增强对肿瘤生物学的理解，还能提高系统发育树的准确性和可靠性。通过整合多种数据类型，研究人员可以更准确地重建肿瘤的进化历史，识别关键的进化事件，并预测肿瘤的未来发展。

图 3.用数据绘制树的方法：方法 1 涉及通过添加视觉注释（如符号点或标签）将数据直接映射到树结构上。方法 2 包括在正确对齐后绘制与树相邻的数据。

在临床决策中数据整合也具有广泛的应用潜力。通过将肿瘤系统发育学的数据与其他临床信息相结合，医生可以为患者提供更个性化的治疗方案。这种整合方法有助于实现精准医疗，提高治疗效果，同时减少不必要的副作用。

总之，数据整合在肿瘤系统发育学研究中的也十分重要，通过整合多模态数据，研究人员能够更全面地理解肿瘤的复杂性，并为癌症患者提供更有效的治疗选择。

总结这篇综述提供了对肿瘤系统发育学这一领域的全面概述，包括其重要性、研究设计、数据获取、系统发育树的重建、数据整合、对肿瘤异质性的理解、治疗策略的影响以及未来的发展方向。通过整合多方面的数据，肿瘤系统发育学有望为我们提供更深入的癌症进化理解，并指导更有效的治疗策略的开发。

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2MTExNTkwNA==&mid=2247556939&idx=1&sn=b5193373bbbf50a51a5e6cb8bcb6e75a

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