Nature子刊：发育起源塑造儿童肿瘤的基因组

过去二十年来，科技的进步对儿科癌症与成人癌症基因组不同的特征，有了前所未有的了解。源自发育中的组织，儿童肿瘤常具有低突变负担并由破坏转录的变异驱动活性、染色质状态、非编码顺式调控区和其他生物学功能。每个肿瘤内都有多个具有不同状态的细胞群，以及某些细胞的谱系可以追踪到胎儿起源细胞。通过全基因组筛查，研究人员已确定与起源细胞和转录失调与儿童肿瘤密切相关，这些也成为设计新治疗方法的宝贵资源。

近日，美国田纳西州孟菲斯市圣裘德儿童研究医院的 张景辉博士 和其他科学家们在 Nature Reviews Cancer 上发表了题为 Developmental origins shape the paediatric cancer genome 的综述，从泛癌角度来探讨儿童肿瘤的最新发现和展示了未来研究的方向。

儿童肿瘤虽然大致可分为血液系统恶性肿瘤、脑肿瘤和非中枢神经系统实体瘤，但儿童肿瘤具有异质性， 全球儿科癌症的年发病率约为400,000 人。这篇综述探讨了儿童肿瘤的发育起源；儿童肿瘤突变的宏观景像；肿瘤异质性和细胞起源，以及通过大规模筛选发现新的靶点等几个方面。 

1. 儿童肿瘤的发育起源

儿童肿瘤和成人癌症之间最显着的区别是起始癌细胞的源起年龄不同。多数成人癌症是由于老化和/或暴露于诱变剂而发生在上皮细胞中的，而儿童癌症主要由发育中的组织引起在早期器官形成过程中经历大幅扩张，生长和成熟及其发生率受到限制与组织发育相关的年龄窗口。许多童年脑肿瘤和实体瘤起源于正在发育的中胚层谱系和外胚层谱系，这在成人中极为罕见。同样，急性淋巴细胞白血病的儿童 常见亚型，即那些携带 ETV6–RUNX1基因融合，或表现出超二倍体，在成年人中也很少见。此外，根据同卵双胞胎血斑分析，启动转化事件可能早在子宫内就发生了。即使源自同一组织的癌症，儿童和成人的潜在分子机制也不同。例如，高级别神经胶质瘤 (HGG)，根据特定的 HGG 亚型，被认为源自神经母细胞或神经胶质谱系。在儿童中，超过一半的 HGG共有体细胞组蛋白 H3.3 或 H3.1 驱动突变， 这在成人中几乎不存在，表明这些潜在突变的可能仅限于大脑组织发育的特定时期。另一个例子是急性粒细胞白血病，影响所有年龄段的个体，并且具有年龄依赖性基因融合事件，例如涉及赖氨酸重排的融合KMT2A在婴儿中最常见。相反，DNMT3A突变，已知与年龄相关的克隆造血有关存在于超过 20% 的成人AML中，却在儿童急性髓系白血病中极其罕见 (<1%)。

2. 儿童肿瘤的突变宏观景像

这篇综述详细介绍了儿童肿瘤在诊断和复发时的突变特征；与年龄相关驱动因子的宏观景像；转录因子的扰乱；染色质失调及非编码顺式调节驱动因子。通过泛癌分析确定的驱动基因显示了儿童肿瘤和成人癌症之间有着明显的差异。在儿科癌症中排名第一的驱动基因大致分可分为转录调节 （Transcription）、细胞周期 (Cell cycle) 、表观遗传调节因子(Epigenetics)、和信号通路 (Signaling)；除了参与细胞周期的基因外，仅有少数与成人癌症中突变的基因相同，如图1所示，成人-上半圆，儿童-下半圆，儿童与成人共享基因通过丝带连接，而独特基因则通过丝带连接标记在相应的弧上。

图1 儿科癌症中最常见突变驱动基因与成人癌症的基因比较

转录因子的改变在儿童肿瘤中很常见。转录因子高频率的激活或紊乱，其中一些有谱系特异性，且表达受发育限制的特点，可用作定义新的儿科癌症亚型的生物标志。癌症基因组测序最令人惊讶的发现是，突变频率很高基因是染色质调节因子，图2列出在脑瘤、实体瘤、血癌中染色质调节因子的表达率。

图2 儿科癌症中扰乱染色质调节因子的表达率

在人类基因组中非编码区包含了参与转录调控的关键调控元素，如转录因子结合位点、打开染色质和组蛋白标记等已知事实。早在20世纪80年代人们已知这些驱动因素与儿童肿瘤发生机制有关。非编码驱动程序的变体通常会改变正常的维持细胞身份所需的顺式调节机制或谱系的特异性，以导致儿童肿瘤恶性转化。这些改变可以分为四大类：劫持增强子；破坏邻近的绝缘体（一类 DNA 序列元素，这些元素具有保护基因免受周围环境发出的错误信号）；复制增强子；生成新的顺式调控子。

3. 肿瘤异质性和细胞起源

单细胞 RNA测序（scRNA-seq）的基因组分析方法已成为研究儿童癌症关键生物学问题的重要方法，包括起源细胞、发育层次、肿瘤异质性、疾病进展和药物反应。文中例举了单细胞分析方法在脑瘤，肾瘤，神经细胞瘤，复发型横纹肌肉瘤和高危婴儿急性淋巴白血病中的应用，所得的结果可望用作治疗这些癌症的特异性靶点。

4. 通过大规模筛选发现靶点

儿童肿瘤精准医学方法发展的主要挑战，通常归因于低突变负担，因而缺乏可药物化的癌基因靶点。在两家大规模体外药物筛选联合组织的一项倡议中，报告了对PARP抑制剂如奥拉帕尼, 他拉佐帕尼和拓扑异构酶抑制剂如伊立替康有高反应度的尤文肉瘤细胞株，进而建立了尤文肉瘤原位异种移植小鼠模型，和他佐帕尼与伊立替康联合使用或不用替莫唑胺的I 期试验， 22%入组尤文肉瘤的患者达到预期的回应，值得对PARP抑制剂和拓扑异构酶抑制剂的协同作用机制做进一步研究。将遗传依赖性筛查与药型分析和系统生物学相结合的方法也带来了用于治疗 T细胞急性淋巴白血病令人兴奋的治疗新途径。

对未来的展望

对儿童肿瘤发育起源与谱系特异性遗传依赖性，以及癌症种系突变所带来的脆弱、易感基因的深度了解将继续促进发现新的治疗方法。对高危、复发患者，免疫疗法仍将是有前途的替代作为一线治疗化疗的治疗方法。免疫检查点抑制剂彻底改变了高发成年患者由突变集累引起的癌症治疗，但对儿童癌症的疗效却有限，可能是由于儿童较少的突变负担和癌症特异性新抗原较少。

然而，有两个例外情况给我们带来了希望：一例是PD-L1 或 PD-L2 高表达的霍奇金淋巴瘤；另一例是患有种系MMR缺陷或聚合酶校对缺陷的儿童，因在其肿瘤基因组中有超突变表型，对PD-L1抑制剂有较高的反应率（>50%）。CAR T细胞疗法对复发性和难治性白血病和淋巴瘤患者，已经成为进行重要的免疫疗法。在脑瘤和其它儿科恶性肿瘤中，针对不同抗原的CAR T 细胞疗法正在进行积极的研究或临床调查。CAR T细胞疗法在实体瘤上的治疗效果有限，是因为缺少肿瘤特异性膜蛋白抗原，应对这一挑战的创新方法是开发以肽为中心的 CAR，旨在针对源自癌蛋白的未突变自体肽，而这些自体肽在肿瘤的主要组织相容性复合体 (MHC)细胞上表达。例如使用多组学方法分析免疫肽组，发现和YNPIRTTF配对的PHOX2B，它是核心调控电路的成员以及神经母细胞瘤中的一个依赖性基因，因此PHOX2B是以肽为中心的CAR T潜在靶点。

鉴于儿童不同于成人癌症的起源和病因学，儿童时期的恶性肿瘤在致癌特性的基因改变上不同于成人的顺序， 如图3所示。

图3 儿童和成人癌症标志的新假设

目前仍有一些悬而未决的问题：最重要的是肿瘤异质性以及我们对治疗耐药细胞如何导致复发的机理还未全面了解。新颖的基因组学技术，包括空间转录组学、单细胞 DNA 测序、单细胞表观基因组学分析和多模式单细胞分析、以及单细胞遗传扰动测序(Perturb-seq)等，有望揭示这些未解的问题。近年来发展的儿童癌症数据共享资源，将通过创新的跨界研究数据计算分析和组合，进一步推进在攻克儿童癌症上的努力。