癌癥是世界范圍內(nèi)嚴(yán)重威脅人類健康的疾病。在中國，癌癥的發(fā)病率、死亡率也一直居高不下。腫瘤的轉(zhuǎn)移是導(dǎo)致癌癥病人死亡的主要原因。早在 1869 年，澳大利亞籍醫(yī)生 Ashworth 首次在癌癥病人血液樣品中觀察到循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）的存在。在腫瘤轉(zhuǎn)移過程中，癌細(xì)胞從原發(fā)腫瘤脫落，進(jìn)入血液或淋巴循環(huán)系統(tǒng)，其中一些具有高度轉(zhuǎn)移潛能的腫瘤細(xì)胞在循環(huán)系統(tǒng)中存活下來，成為循環(huán)腫瘤細(xì)胞，并進(jìn)一步發(fā)展為遠(yuǎn)端器官轉(zhuǎn)移腫瘤。循環(huán)腫瘤細(xì)胞是腫瘤發(fā)生遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的必經(jīng)步驟，因此在外周血中檢測到腫瘤細(xì)胞預(yù)示著有發(fā)生腫瘤轉(zhuǎn)移的可能。對于循環(huán)腫瘤細(xì)胞的研究一直是癌癥研究中的熱點(diǎn)。

圖一、原發(fā)灶腫瘤細(xì)胞侵襲血管，形成循環(huán)腫瘤細(xì)胞

在本研究中，通過對一例結(jié)直腸癌病人原發(fā)灶腫瘤組織的單細(xì)胞，單個(gè)循環(huán)腫瘤細(xì)胞以及轉(zhuǎn)移灶腫瘤組織基因組分析，作者團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)原發(fā)灶腫瘤細(xì)胞的拷貝數(shù)變異經(jīng)歷不同的中間狀態(tài)逐步積累，*終趨于在單個(gè)循環(huán)腫瘤細(xì)胞和轉(zhuǎn)移灶組織觀察到的相同的拷貝數(shù)變異模式。針對局部關(guān)鍵基因拷貝數(shù)變化的分析揭示，腫瘤轉(zhuǎn)移伴隨著抑癌基因 PTEN 的拷貝數(shù)逐步缺失及癌基因 MYC 的拷貝數(shù)逐步擴(kuò)增。這個(gè)現(xiàn)象提示腫瘤的轉(zhuǎn)移過程存在基因組拷貝數(shù)變化的趨同選擇，同時(shí)有力地支持了腫瘤轉(zhuǎn)移過程并非隨機(jī)發(fā)生而是存在較強(qiáng)選擇的假說。

圖二、結(jié)直腸癌病人原發(fā)灶腫瘤單細(xì)胞，循環(huán)腫瘤細(xì)胞和轉(zhuǎn)移灶癌組織基因組拷貝數(shù)模式以及 PTEN，MYC 基因拷貝數(shù)變化

為了進(jìn)一步闡述腫瘤細(xì)胞基因拷貝數(shù)異常形成的機(jī)制，作者團(tuán)隊(duì)對該病人癌基因 MYC 所在的 8 號染色體的 4 個(gè)拷貝數(shù)增加區(qū)域進(jìn)行了單堿基水平的單細(xì)胞結(jié)構(gòu)變異分析，并提出一個(gè)形成多區(qū)間拷貝數(shù)變異的兩步模型: 首先在 DNA 復(fù)制過程中由于一系列的復(fù)制叉停頓和模板轉(zhuǎn)位（FoSTeS）形成多區(qū)間拷貝數(shù)增加；隨后通過同源重組（Homologous Recombination, HR）進(jìn)一步將該區(qū)域擴(kuò)增到較高的拷貝數(shù)，*終形成腫瘤細(xì)胞中異常的拷貝數(shù)模式。

圖三、腫瘤細(xì)胞形成多區(qū)間拷貝數(shù)變異的機(jī)制模型

鑒于基因拷貝數(shù)變異在癌癥發(fā)展與轉(zhuǎn)移中的重要作用，作者團(tuán)隊(duì)對來自結(jié)直腸癌、乳腺癌、 胃癌、前列腺癌多個(gè)癌種的病人大量外周血循環(huán)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行分析。多癌種循環(huán)腫瘤細(xì)胞分析揭示同一個(gè)病人的不同 CTC 都展現(xiàn)出高度一致的全基因組拷貝數(shù)變化模式。這種現(xiàn)象在多個(gè)癌種的病人中都得到了驗(yàn)證，與作者團(tuán)隊(duì)早期在肺癌上的研究結(jié)果一致 （Ni et al., PNAS, 2013）。但是在不同的癌種中，不同病人間 CTC 的 CNA 模式相似性存在較大的差異。例如在胃癌中，來自不同病人的 CTC 的 CNA 模式高度相似；而在乳腺癌中，來自不同病人的 CTC 的 CNA 模式差異明顯。

圖四、多癌種單循環(huán)腫瘤細(xì)胞中關(guān)鍵癌基因與抑癌基因變異情況

通過對單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)分析，作者團(tuán)隊(duì)展示在多個(gè)癌種中可以從單個(gè)循環(huán)腫瘤細(xì)胞準(zhǔn)確獲取病人關(guān)鍵癌基因與抑癌基因的變異情況，如靶向治療的靶點(diǎn)基因及導(dǎo)致耐藥的基因變異等個(gè)體化治療相關(guān)的重要信息。以 CTCs 檢測為代表的癌癥“液體活檢”技術(shù)，可以避免反復(fù)穿刺給病人帶來的傷害和痛苦, 能動(dòng)態(tài)反映病人的疾病進(jìn)程以及治療過程中的療效和預(yù)后，具有重大的臨床應(yīng)用價(jià)值。