药物干预下选择肿瘤细胞增殖的基因组变异与进化规律

Tumor progression and recurrence is a microevolutionary process involving selection of genetic mutation, clonal competition and adaptation. It is not clear, however, how genetic mutations maintain tumor progression and drive its recurrence, and how cellular clones evolve and adapt to the microenvironment after chemotherapy. To explore the influence of chemotherapy on cancer mutations and evolution, we plan to use human acute myeloid leukemia as a model to perform whole genome sequencing and targeted sequencing on tumor tissue and its matched normal control tissue sampled before and after treatment. Using strategies from cancer genomics, evolutionary biology and population genetics, we plan to explore genomic variation and clonal evolution of tumor cell proliferation under the selection of chemotherapy.We will analyze cell population structure and pedigree relationship during cancer evolution, to characterize clonal expansion, and to look for key adaptive mutations and driver mutations. Furthermore, we will validate these candidate genes using functional experiments, including cell colony formation assay, RNA interference, as well as mouse models. This proposed study aims to reveal genomic variations and clone evolution patterns during tumor progression and relapse under the selection of chemotherapy. The results will provide an important basis to develop more effective treatment and prevent therapy-related cancer, leading to the development of individualized medicine in cancer therapy.

肿瘤进展及愈后复发是基因突变筛选、克隆竞争和环境适应的微进化过程。目前对肿瘤药物治疗后基因突变如何维持肿瘤进展和驱动愈后复发、细胞克隆如何进化等核心科学问题的了解不清楚。本研究将以群体遗传学理论为指导，结合肿瘤基因组学和进化生物学方法，以人类急性髓系白血病为模型，对化学药物治疗前后的肿瘤组织及其正常对照进行全基因组结合靶向深度测序分析，从序列水平解析肿瘤群体内部结构及谱系关系。我们还将通过分析治愈和复发过程中肿瘤细胞的动态演化探索药物对肿瘤群体的人工选择作用和克隆膨胀的特点，寻找关键适应性突变基因和致癌基因。最后，利用体外细胞克隆形成实验和小鼠模型进行目标基因干扰，对候选关键突变基因进行功能验证。本研究有望揭示药物干预下白血病基因组变异与细胞克隆演化规律，为评估肿瘤治疗的有效性、防止药物选择引发新肿瘤、形成更为科学的个体化治疗方法提供重要理论参考。

同一肿瘤内存在着由不同的遗传突变或表观改变形成的多个细胞克隆，这些克隆在肿瘤进展和药物驱动下不断演化，是肿瘤复发和抗药的根源之一。现有研究发现常规化疗使用最大可耐受剂量的化疗药物能够驱动白血病克隆演化，诱导耐药突变扩张或诱发新突变进而引起复发。低剂量化疗和表观遗传药物治疗在血液肿瘤的临床实践中积累了初步但开创性的工作，已小规模应用于老年难治复发急性髓系白血病（AML），取得一定疗效且毒副作用低。然而，这些方案对白血病克隆演化是否有着与常规化疗不同的选择作用及其临床意义仍不明。. 为了明确低剂量诱导方案在儿童AML中的疗效和对基因组突变的清除力度，对32例低剂量化疗与82例常规化疗的病人进行临床疗效分析，并对其中24例病人进行全外显子组及靶向深度测序分析，研究突变清除模式和白血病细胞的克隆演化规律。结果显示低剂量化疗的治疗效率与常规化疗无明显差异，但化疗期间的毒副作用大大降低；低剂量化疗能取得与常规化疗相似的克隆清除效率，但清除模式不同；分别对各1例复发病人分析发现接受低剂量化疗的复发病人的克隆结构更稳定。未来有待系统研究低剂量化疗下的克隆演化模式及其对复发的影响。. 为了明确表观遗传药物阿扎胞苷对白血病克隆的选择作用，在人源白血病细胞异种移植的小鼠模型中进行阿扎胞苷和常规化疗的药物处理，通过多重组学测序分析，研究基因组和表观基因组的变异与克隆演化。两者均能引起基因组突变的增加及肿瘤的克隆演化，但阿扎胞苷处理的白血病细胞恶性程度降低，而且全基因组甲基化程度降低和表观多态性升高，改变了免疫应答、分化凋亡、自我更新和DNA修复等细胞关键通路的基因表达。这些数据提示，阿扎胞苷能赋予白血病细胞稳定的表型变化，可能是通过影响关键通路的DNA甲基化实现的，这一点与常规化疗截然不同。. 该研究有望解析肿瘤细胞在不同药物和剂量选择下的进化模式、抗药表型变化及其与病人预后的关系，为形成更科学的个体化治疗方法提供重要理论参考。