在全球，恶性肿瘤（也就是癌症）每年会造成上千万人死亡。这个“杀手”到底是从哪儿来的？接受了各种科普之后，不少人也会知道“正常细胞变异之后就会形成肿瘤”，不过，你有没有想过，这个过程最初究竟是怎样的？肿瘤是一个细胞变异“壮大”的结果，还是多个细胞一起“变坏”所导致？中国的科研团队回答了这个问题。
两种肿瘤起源观点
有的小伙伴说：“肿瘤是从单个异常细胞发展而来的！”。确实，这曾经是科学界最普遍的观点，叫作“单克隆起源（Monoclonal origin）”，认为肿瘤是由一个细胞恶变生长而来，同一个肿瘤的所有细胞都是一个癌细胞的后代。
相对地，还有另外一种观点叫作“多克隆起源（Polyclonal origin）”，认为在肿瘤的早期阶段，多个不同的细胞群体（也就是克隆）各自携带独立的突变，协同作用推动病变的发生和进展，这些“兄弟”细胞能够“互帮互助”，它们的后代就形成肿瘤了。
以上两种观点各有一群科学家拥趸，双方打得不可开交，好似华山派剑宗气宗斗法不相上下，又好像物理学家争论光的本质是波动还是粒子难分伯仲。
图1 肿瘤的单克隆起源（左）与多克隆起源（右）模型示意图（图片来源：经典癌症生物学教材The Biology of Cancer, 3rd Edition, Figure 2.17A）
长期以来，单克隆起源的观点一直占据绝对上风，尤其是随着DNA测序技术的应用，科学家发现一个肿瘤里几乎所有细胞都携带着相同的突变。你看，连突变都一样，这还不能说明肿瘤是单克隆起源吗？一时之间“肿瘤是单克隆起源”的观点受到多种证据支持，以至于有“盖棺定论”的势头。然而，当科学家把肿瘤切成小块观察，发现同一个肿瘤的不同区域也有不同突变，说明同一个肿瘤也可能有不同的起源，多克隆起源又扳回一局。
可是，这种将很多个细胞混杂在一起研究的方式，归根到底是遥看风景——看得不真切、不仔细。如果把肿瘤比作电影《教父》中纽约市的黑手党，肿瘤里的细胞就像一个个的犯罪分子。你和朋友远远地看着，争论纽约黑社会的几大家族是不同地方搬来纽约的，还是很久之前从一个小团伙逐渐开枝散叶而来呢？那是无论如何也争论不出结果的。只有把里面的犯罪分子都叫出来挨个询问：“喂！你姓什么叫什么，是谁的手下，你和周围地痞流氓都是不是一家，把你们每一年的花名册都交出来！”才能真正地捋清楚每一个犯罪团伙的发展历史。
同样地，有什么办法能通过捋清楚每一个肿瘤细胞之间的亲缘关系，来判断肿瘤起源的方法吗？有，当然有！有这么一群科学家，他们真的在单细胞的水平实现了对细胞的“人口调查统计”，挨个“问”清楚了每一个细胞之间的关系，弄清楚了肿瘤的“发家史”。
科学家揭露肿瘤“黑手党”的发家史
2024年10月30日24时，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所胡政团队联合中山大学贺雄雷团队、中山大学第六附属医院何真团队在Nature杂志在线发表了题为“Polyclonal-to-monoclonal transition in colorectal precancerous evolution”的研究论文。该论文结合小鼠高分辨率细胞谱系示踪、单细胞转录组测序，以及大规模人群散发性良性息肉-结直肠癌配对队列的基因组测序，首次揭示了多克隆至单克隆的早期肿瘤起源和克隆演化新模式，并发现早期病变中广泛存在的细胞间通讯互作网络，解析了肿瘤发生过程中的细胞间合作新机制。
图2 论文上线截图
接下来我们看看这项研究具体是怎么进行的。
为了能清楚地描述肿瘤中的克隆组成，科学家打算理清楚每一个细胞之间的发育关系，于是他们建立了一种特殊的小鼠模型。这种小鼠的细胞内有一种特殊的基于碱基编辑的谱系示踪系统，叫做SAMLT系统：每一个细胞内都有一段特殊的DNA barcode（DNA条形码），每一个barcode代表一个细胞。每当给小鼠喂食特殊的药物，细胞内便会启动一种蛋白质，去结合并改变这段DNA的序列信息，随着细胞的生长分裂，这一段特殊DNA上的信息也在不断地改变。当研究者把一块肿瘤组织切下来，通过单细胞测序，就能读取出每一个细胞的这段特殊的DNA barcode。
而这段DNA barcode就像细胞割舍不掉的名字一样能梳理出细胞和细胞之间的关系：DNA barcode越相似的细胞，亲缘关系越接近。因此，对DNAbarcode进行聚类分析，也就能推断出肿瘤中有几个克隆。
图3 小鼠肠癌谱系示踪揭示了早期病变的多克隆起源。左边是SMALT系统的工作原理，Doxycycline会诱导特殊的蛋白(蓝色和绿色)去改变DNA barcode；右边每一个细胞都有自己的DNA barcode，可以通过DNA barcode推断细胞之间的发育关系。（图片来源：本次发表论文）
在具体的研究中，科学家诱导小鼠产生肠道肿瘤，并且收集不同时期的样本进行测序，通过分析每一个细胞的DNA barcode，科学家终于能第一次在单细胞水平回答肿瘤起源的问题。科学家发现在肠道肿瘤的发展过程中，早期的样品大多是多克隆组成的。单克隆肿瘤相比多克隆肿瘤恶性程度更高，因此单克隆肿瘤代表了更“晚期”的演进阶段。
这就好比我们给每一个黑手党分子都起了名字：你是巴西尼家族小A，你是柯里昂家族老B，他是塔塔利亚家族的大C……虽然时光流变，但是黑帮分子始终继承着家族名号。每隔一段时间对黑手党做一次人口调查，结果发现刚开始纽约的地下世界热热闹闹，几大家族你来我往，随着时间的推移其它家族的人口越来越少，唯独柯里昂家一枝独秀，人口越来越多……
图4 电影《教父》中，纽约黑手党五大家族同台到柯里昂家族一家独大 （图片来源LThe Godfather: Five Families | The Godfather Wiki | Fandom）
其实同样的现象不仅在小鼠中，科学家在人类结直肠癌中也发现了类似的现象。我们知道随着肿瘤病变程度的加深，病变组织的基因组变异会越来越多、肿瘤会越来越大、恶性程度也会越来越高。研究团队收集了107例结直肠癌癌前病变的组织，通过DNA测序发现多克隆的病变组织基因突变更少、尺寸更小、恶性程度更低；相反，单克隆息肉基因组变异更多、尺寸更大、恶性程度更高。
图片来源：作者供图
实验结果综合说明，无论是在小鼠还是人体中：肿瘤在早期更多的是多克隆，随着病情进展逐渐过渡到了单克隆的状态（图4）。至此，“肿瘤黑手党”从多克隆变化为单克隆的历史被完整描述出来。
图5 肿瘤多克隆起源到单克隆转变及黑手党的比喻。（图片来源：修改自The Biology of Cancer, 3rd Edition, Figure 2.17以及dreamstime网站素材）
肿瘤细胞之间的“交流”，意味着什么？
科学家不仅仅研究了细胞的亲缘关系，还通过单细胞转录组的数据研究了细胞之间的通讯（cell-cell communications）。细胞通讯就是细胞之间信号的传递，比如一个细胞分泌一种蛋白，另一个细胞接收到这种蛋白后就会有各种反应，比如生长、变形、死亡等等。科学家发现，在肿瘤细胞之间这种细胞通讯作用随着单克隆的转换逐渐降低。也就是说在病变的早期（多克隆阶段）肿瘤细胞之间的细胞通讯丰富，但是随着疾病进展在晚期（单克隆阶段）细胞和细胞之间的交流越来越少。
这不禁让人思考：在肿瘤发生的早期，细胞之间的这些通讯到底有什么用，它们是不是在商量抱团取暖？还是在互相骂战？为什么细胞和细胞之间慢慢不说话了呢？如果在早期阻断细胞通讯，肿瘤会不会就会被扼杀在发生阶段呢？这是不是治疗肿瘤的新方向呢？
不知道，不知道，虽然“发家史”被破译，但是诸位黑道大哥当年来往的通讯信件意味着什么、具体怎么利用还等待着科学家们去继续解读。
科研工作里，什么是“年轻”
读到这里你可能会惊讶。啊？不知道？原来肿瘤起源的问题才研究到这种地步吗？是的，和物理、化学这些百年传承的学科相比，肿瘤的研究是一个相对“新锐”的课题。
笔者是一个正在进行肿瘤起源问题研究的青年人，在实验里最大的感觉就是“科研人永远是年轻”。
一方面，不断更新的技术和工具总能让我们用不同层级、不同角度去更进一步研究问题得到新的答案。没有望远镜，再好的视力也看不到月亮上的环形山；没有LIGO，再敏锐的皮肤也感受不到引力波；没有SMALT等工具，再高超的思辨也得不到肿瘤多克隆的证据。
另一方面，对科学的旺盛的好奇心和探索欲维持着少年感的氛围。我们的印象里小孩子无所顾忌遇事要问为什么，越是年轻想问的问题越多。所以当科学家开始眉飞色舞讨论科研问题，每一句“为什么”都让他们的头脑永葆年轻。
让我们来认识这些“永葆年轻”的人：中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所胡政研究员、中山大学贺雄雷教授、中山大学第六附属医院何真教授为本文共同通讯作者。中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员逯召莲博士、莫珊兰博士；中国科学院深圳先进技术研究院-澳门大学联合培养博士研究生解铎；中山大学博士研究生翟相威、博士后邓善俊博士为论文的共同第一作者。
图6 胡政团队实验室合影
好马须得配好鞍，青年科研配尖端。请君暂上科研院，长风更上九重天。
该项研究成果获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院、广东省自然科学基金和深圳市合成生物学创新研究院等项目的资助。
作者：张浩