《自然》重磅：刷新p53突变驱动癌症的认知！MSKCC科学家发现，p53缺失会诱导可预测、有序且确定的癌症基因组进化丨科学大发现

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1979年科学家发现了p53蛋白，自此p53蛋白一直活跃于生物医学领域，尤其在肿瘤研究领域几乎无人不知。

人类p53蛋白由抑癌基因TP53编码，很多研究发现，TP53的失活突变与癌症的侵袭性和难治性息息相关[1，2]。

大量研究表明，p53失活是基因组混乱的诱因，并且TP53突变通常早于其他基因组重排事件[3]。然而，TP53突变与癌症进展的时间顺序和生物学转变关系尚不清楚。探索出TP53突变、基因组不稳定性与癌症进展的关系，就可有据可循地尽早指导并实施癌症治疗的干预措施。

近日，纪念斯隆·凯特琳癌症研究中心（MSKCC）Scott W. Lowe团队，在国际顶级期刊《自然》上发表有关TP53突变与癌症发展之间关系的研究[4]。

研究人员发现，当细胞缺失p53后，在引起基因混乱的同时，会诱导一种可预测、有序且确定的癌症基因组进化。这一突破性发现无疑为癌症治疗提供了新的思路。

论文首页截图

胰腺导管癌（PDAC）是一种基因突变频发的致命性疾病，TP53突变就是它的一个显著特征。TP53的缺失是PDAC进展的关键拐点，例如TP53杂合性缺失（LOH）与癌症的进展、侵入、异质性均有密切联系[5，6]。

然而，由于肿瘤发展前后患者的组织可用性有限，并且很难在肿瘤发生初期对人体肿瘤样本进行取样分析[7，8]，这使得TP53突变谱系与癌症发展的动态关系一直难以被揭晓。为了搞清楚上述问题，Lowe团队开展了这项研究。

Lowe团队选用了Kras G12D等位基因激活和Trp53（小鼠p53蛋白的编码基因）单个等位基因失活驱动的PDAC小鼠模型（KPC小鼠），建立了双荧光PDAC的谱系追踪模型，对小鼠体内细胞进行了示踪，以便直接地观察从p53失活开始，到细胞逐步向恶性肿瘤发展的动态过程。

该模型通过一组荧光标记来观测并记录特定的遗传事件。红色荧光代表促进癌症发展的KRAS基因突变的存在；绿色荧光代表绿色荧光标记的shRNA，可反映p53的缺失情况。

在KRAS基因突变，p53未缺失的情况下，细胞呈现双荧光阳性，把此时的细胞记为双阳细胞（DP细胞）；而在p53LOH时，细胞就会呈现单荧光阳性，记为单阳细胞（SP细胞）。

这个模型可以让研究人员在小鼠体内直观地识别p53功能缺失，但未发展成癌细胞的特定细胞群。

追踪模型原理图

研究人员通过免疫组化和免疫荧光手段，在PDAC进展中对小鼠的胰腺进行分析，结果显示SP细胞具有恶性特征，而DP细胞则只是表现出癌前组织的特征。

然而，癌前病变中的SP细胞却表现出较低的增值率，集落形成和对恶性肿瘤启动的能力均不佳，这说明单纯的p53缺失并不足以促进癌症的发生。

在小鼠PDAC模型中，散发型p53失活后早期癌细胞的谱系追踪情况

为了确定在PDAC进展过程中，p53失活对基因组进化的影响，研究人员进行了全基因组测序，比较了SP和DP细胞群中拷贝数的变化情况。

结果表明，DP细胞基因组总是以二倍体形式存在，并且几乎没有拷贝数的改变。然而，SP细胞基因组则频繁出现基因组高度重排，并以多倍体形式出现。此外，分离出的SP细胞出现了第4、7、9、11和13号染色体的反复损失，以及第3、5、6、8和15号染色体上的增益。

p53失活后，以PDAC驱动因子为靶点的循环和拷贝数的改变塑造了恶性基因组的进化

接下来，研究人员通过bulk和单细胞测序发现，DP细胞多为整倍体，偶尔包含染色体6的增益。然而，PDAC-SP病变部位总是具有频发的拷贝数变化和多倍体的出现。

这揭示了在细胞向恶性肿瘤转化过程中，基因组是不断进化的，p53LOH降低了细胞基因组稳定性，促进了拷贝数的变化。

不同的和有序阶段的基因组进化伴随着肿瘤由良性向恶性转换

那么，PDAC发生发展过程中基因组的进化模式到底是怎样的呢？

Lowe团队通过对单细胞数进一步研究，发现癌前 SP细胞在11号染色体上出现明显的断点模式，提示肿瘤在由良性向恶性转变过程中，出现独立竞争性的p53LOH谱系。

基于以上结果，我们不难发现Lowe团队逐步揭开了PDAC的基因组确定性的进化模式：首先，细胞出现p53LOH；随后，基因缺失不断积累，多倍体形成；最后，染色体增益扩增，获得更多拷贝数变化。

确定性原则支配着p53LOH后基因组的选择性重排

在人类PDAC模型中结果又是怎样的呢？

最后，Lowe团队利用全基因组测序法分析人类PDAC样本，通过分析靶向捕获测序和单细胞测序数，他们发现人类PDAC中同样表现出早期TP53突变造成的二倍体与多倍体增益和扩增的现象。这些结果说明，人类PDAC进化与在小鼠模型中观察到的进化模式相似。

全基因组测序，靶向捕获和单细胞测序证实了人类疾病的进化原理

总之，这项研究揭示了TP53突变与癌症发展之间关系，研究人员探索出了p53失活导致的可预测的基因组进化模式，颠覆了人们对p53突变与癌症关系的认知。

p53缺失并不一定会导致癌症的发生，只有在缺失p53的基础上，细胞再以有序的方式积累这种基因变化，随着基因组的不稳定和逐步失控，最终才会发展成为癌症，并且这种模式是可预测、有序且确定的。

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这项研究给癌症的治疗提供了新的思路。例如，在TP53突变基因组加倍之前进行干预，可实现在肿瘤早期即进行抑制，解决恶性肿瘤后期的难治性问题，改善癌症的治疗效果。

参考文献：

[2] Kastenhuber ER, Lowe SW. Putting p53 in Context. Cell. 2017;170(6):1062-1078. doi:10.1016/j.cell.2017.08.028

[5] Rozenblum E, Schutte M, Goggins M, et al. Tumor-suppressive pathways in pancreatic carcinoma. Cancer Res. 1997;57(9):1731-1734.

[6] Notta F, Chan-Seng-Yue M, Lemire M, et al. A renewed model of pancreatic cancer evolution based on genomic rearrangement patterns [published correction appears in Nature. 2017 Feb 2;542(7639):124]. Nature. 2016;538(7625):378-382. doi:10.1038/nature19823

[7] Litchfield K, Stanislaw S, Spain L, et al. Representative Sequencing: Unbiased Sampling of Solid Tumor Tissue. Cell Rep. 2020;31(5):107550. doi:10.1016/j.celrep.2020.107550

[8] Baslan T, Hicks J. Unravelling biology and shifting paradigms in cancer with single-cell sequencing. Nat Rev Cancer. 2017;17(9):557-569. doi:10.1038/nrc.2017.58

责任编辑丨BioTalker