深圳子科生物報(bào)道：結(jié)直腸癌在范圍內(nèi)是發(fā)病率第三、致死人數(shù)第四的惡性腫瘤（Beattie et al., 2005）（Carey, 2017; Church, 2016）。結(jié)直腸腺瘤是結(jié)直腸癌的癌前病變，根據(jù)組織學(xué)形態(tài)可以分為低級(jí)別腺瘤和高級(jí)別腺瘤，從低級(jí)別腺瘤到腺癌的序列發(fā)生需要10年以上時(shí)間。因此，深入解析低級(jí)別腺瘤向腺癌轉(zhuǎn)化的分子機(jī)制對(duì)于結(jié)直腸癌的預(yù)防、早篩和治療都有重要意義。

家族性腺瘤息肉病（Familial adenomatous polyposis, FAP）約占全部結(jié)直腸癌的1%，F(xiàn)AP的遺傳與APC抑癌基因密切相關(guān)，APC基因的胚系突變啟動(dòng)了大腸癌沿正常粘膜—低級(jí)別腺瘤—高級(jí)別腺瘤—癌的多階段多步驟發(fā)生模式, 如不及時(shí)腸鏡下切除息肉或者手術(shù)切除相應(yīng)腸管，息肉癌變率可高達(dá)90%以上。

FAP患者體內(nèi)存在大量的起始于同一APC基因突變的處于不同演進(jìn)階段的結(jié)直腸腫瘤性病變，即同一個(gè)體體內(nèi)同時(shí)存在正常上皮、不同級(jí)別腺瘤、早期癌、進(jìn)展期癌等不同病變。同時(shí)，這些腫瘤性病變具有相同的遺傳背景，面臨相同的致癌因素和選擇壓力（Bodmer et al., 1987; Groden et al., 1991; Kinzler et al., 1991; Nagase and Nakamura, 1993; Rengifo-Cam et al., 2016）。這為研究結(jié)直腸腺瘤的癌變過程提供了非常好的研究材料。

2019年11月19日，北京大學(xué)湯富酬課題組與北醫(yī)三院付衛(wèi)課題組聯(lián)合在學(xué)術(shù)期刊Gut（影響因子17）發(fā)表題目為“Genomic and transcriptomic profiling of carcinogenesis in patients with familial adenomatous polyposis”的研究論文。

該研究從6例典型的FAP患者和1例非典型的FAP患者（MUTYH相關(guān)FAP）手術(shù)樣品中共獲取了56 份樣本，包括6份外周血、12份癌旁組織、23 份低級(jí)別腺瘤組織、5份高級(jí)別腺瘤組織以及10份腺癌組織。并通過全基因組淺測序和全外顯子組深測序，深入研究了來自于同一個(gè)FAP患者的多個(gè)病變組織之間的譜系發(fā)生關(guān)系以及良性腺瘤向惡性腺癌轉(zhuǎn)變過程中的基因組變異情況。

同時(shí)，為了研究腺瘤發(fā)生及腺瘤向腺癌惡變過程中的轉(zhuǎn)錄組動(dòng)態(tài)變化，該研究對(duì)來自6例典型的FAP患者、1例非典型的FAP患者以及2 例對(duì)照散發(fā)結(jié)直腸癌患者的8,757 個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了高精度的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序。并以這些單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重構(gòu)了腺瘤發(fā)生以及腺瘤向腺癌惡化的轉(zhuǎn)錄組動(dòng)態(tài)變化過程，系統(tǒng)的闡述了該過程中重要的基因表達(dá)變化事件。

該研究的主要發(fā)現(xiàn)有：

在單個(gè)病人的水平上探究了正常上皮向腺瘤以及腺癌發(fā)生過程中的基因組變異情況。該研究通過比較來自于同一個(gè)患者的不同病變階段的腺瘤和腺癌組織，發(fā)現(xiàn)即使是低級(jí)別腺瘤，其體細(xì)胞突變的數(shù)目相對(duì)于癌旁組織已經(jīng)明顯升高。特別是，良性的高級(jí)別腺瘤的體細(xì)胞突變數(shù)目甚至可以比惡性腺癌的體細(xì)胞突變數(shù)目還高。出現(xiàn)頻率zui高的潛在體細(xì)胞致病突變是抑癌基因APC基因的二次失活突變（同一個(gè)細(xì)胞中另外一個(gè)野生型APC等位基因的失活突變）（69%），此外，不同患者在其他潛在的致病基因的突變譜上表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的個(gè)體間異質(zhì)性。

FAP患者中存在區(qū)域癌變現(xiàn)象。該研究通過體細(xì)胞突變情況對(duì)來自于同一個(gè)患者的不同病變組織構(gòu)建了譜系發(fā)生樹。在其中2例患者中（FAP1和FAP2），發(fā)現(xiàn)物理位置較近的多個(gè)原位腺瘤和腺癌起源于同一個(gè)病變始祖細(xì)胞，這證明了在FAP患者中存在之前在散發(fā)結(jié)直腸癌研究報(bào)道的區(qū)域癌變現(xiàn)象（圖3）(Baba et al., 2016; Curtius et al., 2017; Slaughter et al., 1953)，也就是病變始祖細(xì)胞分裂增殖的后代細(xì)胞遷移到腸上皮組織的不同部位并進(jìn)一步進(jìn)展到腺瘤和腺癌階段，產(chǎn)生物理上分隔開（但是有共同譜系來源）的不同腫瘤塊。闡明FAP患者中存在區(qū)域癌變現(xiàn)象對(duì)于進(jìn)一步理解結(jié)直腸多發(fā)腺瘤的發(fā)生機(jī)制和臨床治療具有重要的指導(dǎo)意義。

FAP患者的所有癌旁上皮細(xì)胞相對(duì)于非FAP患者的癌旁上皮細(xì)胞在基因表達(dá)上已經(jīng)表現(xiàn)出了顯著的癌變傾向。該研究通過對(duì)來自于6例FAP患者癌旁組織和2例對(duì)照非FAP患者癌旁組織進(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)FAP患者的癌旁上皮細(xì)胞雖然在基因組中還沒有積累關(guān)鍵致病基因的突變和拷貝數(shù)變異，但是由于抑癌基因APC基因兩個(gè)拷貝中的一個(gè)拷貝已經(jīng)突變失活，進(jìn)而導(dǎo)致FAP患者所有腸上皮細(xì)胞中WNT信號(hào)通路活性的輕微上升，從而在整個(gè)轉(zhuǎn)錄組水平上發(fā)生異常，特別是細(xì)胞增殖相關(guān)和代謝功能相關(guān)基因的表達(dá)顯著增強(qiáng)，zui終導(dǎo)致FAP患者結(jié)直腸隱窩中的上皮細(xì)胞的分裂增殖速度明顯加快，為進(jìn)一步致癌突變的產(chǎn)生和積累創(chuàng)造了條件。這很可能是FAP患者在年輕的時(shí)候就會(huì)在結(jié)直腸上產(chǎn)生數(shù)百甚至上千個(gè)不同腺瘤的分子原因之一。

探究了腺瘤發(fā)生以及腺瘤向腺癌轉(zhuǎn)變過程中轉(zhuǎn)錄組的動(dòng)態(tài)變化。該研究利用來自FAP患者癌旁組織、低級(jí)別腺瘤、高級(jí)別腺瘤、以及腺癌的上皮細(xì)胞之間的系統(tǒng)比較揭示了腺瘤發(fā)生和惡化的基因表達(dá)變化的關(guān)鍵特征。發(fā)現(xiàn)那些隨腫瘤發(fā)展呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的基因按照其變化趨勢可分為4類。其中第1類基因隨著腺瘤發(fā)生迅速下調(diào)表達(dá)而在腺瘤向腺癌轉(zhuǎn)變的后期又被部分上調(diào)表達(dá)。GO分析結(jié)果顯示這類基因強(qiáng)富集三羧酸循環(huán)和丙酮酸代謝途徑基因。早在1924年糖代謝途徑的重編程就被發(fā)現(xiàn)是癌細(xì)胞區(qū)別于正常上皮細(xì)胞的重要特征之一（Weinberg, 2014）。而該研究結(jié)果指出，三羧酸循環(huán)相關(guān)的代謝基因在良性腺瘤發(fā)生的早期就開始強(qiáng)烈下調(diào)表達(dá)，這些基因反而在從良性腺瘤到惡性腺癌的轉(zhuǎn)變過程中有所回升，但是仍然低于癌旁組織中正常上皮細(xì)胞中的水平。這說明三羧酸循環(huán)代謝水平的降低是腫瘤發(fā)生過程中的zui早期事件之一，可能是治療FAP患者的較好的治療靶點(diǎn)通路。

綜上所述，本文以家族性腺瘤息肉病為模型，在單個(gè)患者的水平上深入探究了結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展過程中的關(guān)鍵分子變化特征，特別是正常上皮向良性腺瘤轉(zhuǎn)化，以及良性腺瘤向惡性腺癌的轉(zhuǎn)化過程中重要的基因組變異事件和轉(zhuǎn)錄組的變化特征，為研究結(jié)直腸癌發(fā)生的早期事件提供了新的線索和思路。

北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）李靜云博士、汪睿博士以及北京大學(xué)第三醫(yī)院周鑫博士、博士生王文東為該論文的并列第1作者，北京大學(xué)生命科學(xué)院、北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心湯富酬教授和北京大學(xué)第三醫(yī)院付衛(wèi)教授為該論文的共同通訊作者。該課題得到了北京大學(xué)生命科學(xué)儀器中心（成像平臺(tái)）和北京大學(xué)高精尖中心高通量測序平臺(tái)的協(xié)助與支持。

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