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题目：Spatial genomics maps the structure, nature and evolution of cancer clones
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2022年11月9日
通讯作者单位：欧洲分子生物学实验室
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05425-2
主要内容：
详述乳腺肿瘤不同细胞和组织环境的分子和遗传信息的空间图的产生，使人们对驱动癌症进展的因素有了深入了解。
随着癌症的生长和变化，其细胞系通过与产生新物种的进化步骤相呼应的机制进行演变。虽然癌症被认为是由一个细胞产生的，但多轮分裂、突变和自然选择促进了细胞的多样化，导致肿瘤谱系形成了一棵由遗传上相关但不同的细胞群组成的 "树"，称为亚克隆。这些谱系最初被认为是以相对独立的方式运作。然而，现在人们知道，亚克隆与邻近的各种成分相互作用，包括免疫细胞、结缔组织细胞和蛋白质结构网，它们共同构成了一个复杂的生态系统，称为肿瘤微环境（TME）。不同的癌症亚克隆如何出现，如何相互作用，如何塑造和被TME所塑造，仍有待充分了解。
长期以来，现有基因组技术的局限性意味着，如果不首先将组织分解为单个细胞成分，就无法获得细胞的遗传信息，从而失去了对细胞空间组织的洞察力。作者克服了其中的一些技术挑战，提供了关于乳腺癌TME中亚克隆的空间组织的证据（图1）。
驱动癌症进化的一个基本机制是癌症亚克隆的出现和持续存在。这让人想起查尔斯-达尔文所描述的通过自然选择出现的物种。当癌细胞分裂时，它们积累了突变，导致基因多样化。一个具有突变的亚克隆能带来持久的生存优势，将比其他亚克隆 "更适合"，导致其更大的成功和随后的扩张。当地TME的环境因素可以决定亚克隆的适应性。了解在TME中介导癌症亚克隆选择的环境力量--所涉及的细胞类型和支持其相互作用的分子机制--是癌症生物学的一个巨大挑战。此外，我们还没有完全理解亚克隆能在多大程度上相互塑造TME以进一步提高亚克隆本身的恶性能力。
技术上的限制是我们对癌症进化理解不足的一个原因。DNA或RNA的测序通常涉及分离含有数百万个细胞的组织碎片，分离核酸并使用分子生物学方法处理材料。这种工作流程失去了与细胞形状和当地组织背景有关的信息--可以说是法医证据链的一个断裂。因此，研究人员不得不求助于间接的实验观察和统计概率，作为拼凑癌症进化的手段，因为它发生在组织中。Lomakin及其同事使用多轮显微镜分析来检测完整组织中的不同RNAs。通过整合多种基于基因组的技术，作者能够在空间上解决人类乳腺癌组织中不同癌症亚克隆的位置，确定亚克隆在遗传上的关联方式，并确定相邻细胞的细胞类型和特征（表型）。
作者使用了一种叫做碱基特异性原位测序（BaSISS）的方法来绘制乳腺癌组织中突变的空间图。这种方法提供了一种现有方法的延伸，称为原位测序。作者首先使用传统的全基因组测序来确定界定乳腺癌中亚克隆的遗传变异（等位基因）。Lomakin等人利用这些信息设计了被称为探针的DNA短序列，它可以在完整的组织切片的细胞中靶向并特异性地检测多达51种这些等位基因。这些探针附着在一个荧光标签上，该标签被激活，在探针与其目标结合的位置产生一个可见的信号。在邻近的组织切片中，作者用类似的方法检测了多达150个基因的表达。
然后利用图像分析算法，根据定义它的等位基因的存在，以及它周围独特的基因表达特征，重建每个亚克隆的位置。BaSISS是一种复杂而精密的方法，为克隆进化的研究增加了一个空间维度。这项技术解决了一个关键的知识空白：即获得有关癌细胞的综合遗传、空间和表型信息的方法。
Lomakin等人报告说，亚克隆的出现和生长在空间上的组织性比以前理解的要强。发现每个亚克隆在组织中占据不同的区域，形成微解剖结构（一个多细胞的、特定于特定亚克隆的微TME），边界略有重叠。考虑到癌细胞在细胞分裂过程中积累突变的随机性，这是出乎意料的--人们可能期望大多数癌症区域是一个混合的亚克隆，包括它们所衍生的母体亚克隆。此外，与每个亚克隆相关的TME的组成是独特的。在一个已经扩散到淋巴结的乳腺癌中，两个不同位置的同一亚克隆的TME比相邻位置的两个不同亚克隆的TME更相似。这表明TME与驱动自然选择和特定亚克隆生长的过程之间存在密切的关系。
细胞形状（形态）和组织组织--在显微镜下用组织学方法显示--是癌症诊断、分类和治疗决策中经常使用的核心特征。然而，形态学、组织学、遗传进化和基因表达之间的关系还没有完全阐明。一般认为，遗传演化是由渐进的变化所反映的，可以通过评估组织学和形态学来追踪。然而，Lomakin及其同事发现，遗传进化与这两个特征有着复杂的关系。例如，当作者比较一个恶性癌症亚克隆和它的良性前体时，他们发现细胞形态是无法区分的。使用这种方法进行更深入的研究将推动我们对这些特征之间的联系的理解，并可能导致常规临床测试的预测价值的改善。
与任何新技术一样，也有一些限制。该方法需要事先了解每个癌症的突变情况，以产生探针，使用传统的DNA测序法获得，从而增加了成本、时间和实验的复杂性。在每个组织切片中只检测到有限数量的基因；这意味着在一个实验中只能研究一个特征子集。此外，乳腺癌的基因组以某些类型的DNA变化为主，如某一基因拷贝数的改变，这并不适合用这种方法检测。因此，像这项研究一样，专注于单核苷酸突变，可能是追踪乳腺癌亚克隆模式和进化的一个不完美的解决方案。尽管如此，Lomakin及其同事已经开发了一套复杂的技术，并提供了对支配TMEs中癌症进化的空间模式的关键见解。
在未来，这种方法可能使人们能够研究肿瘤的早期起源，远在它们导致疾病之前。对看似正常组织的常规研究表明，成人组织是由许多不同的基因克隆组成的马赛克，但对其组织以及与结缔组织细胞和免疫细胞的相互作用却知之甚少。使用这种方法来研究没有明显癌症迹象的人的成人组织，可能会发现癌症的细胞前兆，从而有助于解开快速增长的肿瘤出现之前的进化事件。这反过来可以推动对癌症的预防和早期检测的研究。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05425-2
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