對人類基因組和表觀基因組的新見解將有助于預(yù)防、診斷和治療癌癥

　　在2020年，估計(jì)有1000萬人因癌癥而喪生。這種毀滅性的疾病是由我們的DNA---我們所有細(xì)胞的指令手冊---的變化所造成的。自從科學(xué)家們**公布人類基因組序列以來，已經(jīng)過去了20年。這一重大成就之后的重大技術(shù)進(jìn)步，使我們今天能夠非常詳細(xì)地讀取我們DNA的多層信息---從細(xì)胞癌變時(shí)發(fā)生的DNA的**個(gè)變化到晚

　　2021年9月27日訊/生物谷BIOON/---在2020年，估計(jì)有1000萬人因癌癥而喪生。這種毀滅性的疾病是由我們的DNA---我們所有細(xì)胞的指令手冊---的變化所造成的。

　　自從科學(xué)家們**公布人類基因組序列以來，已經(jīng)過去了20年。這一重大成就之后的重大技術(shù)進(jìn)步，使我們今天能夠非常詳細(xì)地讀取我們DNA的多層信息---從細(xì)胞癌變時(shí)發(fā)生的DNA的**個(gè)變化到晚期腫瘤的復(fù)雜微環(huán)境。如今，為了加快對癌癥患者的發(fā)現(xiàn)，我們需要新的方法來匯集我們產(chǎn)生的不同類型的復(fù)雜數(shù)據(jù)，以提供對癌癥進(jìn)化的生物學(xué)新見解。

　　如今，日本國家癌癥中心研究所基因組學(xué)部主任Toshikazu Ushijima教授、新加坡基因組研究所執(zhí)行主任Patrick Tan教授和澳大利亞加文醫(yī)學(xué)研究所Susan J. Clark教授回顧了我們目前可以從分析DNA的全部復(fù)雜性中獲得癌癥新見解，并確定了我們需要解決的未來挑戰(zhàn)，以便為患者帶來下一步的變化。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在2021年9月24日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Mapping genomic and epigenomic evolution in cancer ecosystems”。

　　我們DNA的復(fù)雜性

　　許多人把我們的DNA---我們的基因組---想象成簡單的一串字母。在現(xiàn)實(shí)中，許多層信息---表觀基因組---完全改變了它的活動(dòng)。

　　我們的基因組可以比作我們星球的不同地理環(huán)境。就像山脈、島嶼和海洋是由相同的基本元素組成的一樣，我們的由堿基A、T、G和C組成的基因序列，構(gòu)成了我們細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)。

　　這些地理環(huán)境是由我們的表觀基因組---額外的信息層---形成的，包括附著在我們的DNA上的化學(xué)標(biāo)記（稱為DNA甲基化）和包裹著它的蛋白質(zhì)（組蛋白）的化學(xué)變化，它們共同協(xié)調(diào)了DNA在我們細(xì)胞內(nèi)的三維結(jié)構(gòu)。

　　我們的基因組和表觀基因組在癌癥生命周期中都在演變，我們需要了解這些復(fù)雜的變化，以改善癌癥風(fēng)險(xiǎn)評估，并加快對患者的治療發(fā)現(xiàn)。

　　從癌癥形成到轉(zhuǎn)移

　　以前人們認(rèn)為基因變化足以導(dǎo)致癌癥，但現(xiàn)在越來越清楚的是，基因組和表觀基因組的變化一起在癌癥進(jìn)化中發(fā)揮著重要作用。有一些證據(jù)表明，隨著衰老發(fā)生的DNA甲基化變化可能使細(xì)胞容易發(fā)生導(dǎo)致癌癥的基因變化。

　　以吸煙為例，在基因變化和肺癌被檢測出來之前，科學(xué)家們已經(jīng)觀察到肺部內(nèi)壁細(xì)胞中的DNA甲基化變化。為了獲得關(guān)于致癌的新見解，我們需要繪制基因組和表觀基因組變化的精確順序。

　　我們也逐漸意識到，雖然癌癥可以積累基因變化，但表觀基因組也會(huì)隨著癌癥從原發(fā)腫瘤到轉(zhuǎn)移腫瘤的轉(zhuǎn)變而被“重編程”，并最終可能對治療產(chǎn)生抗性。了解這些變化可能導(dǎo)致新的治療靶標(biāo)，以便可以更精確地治療晚期癌癥。

　　利用先進(jìn)技術(shù)獲得新見解

　　癌細(xì)胞與其他不同類型的細(xì)胞一起居住在包括免疫細(xì)胞和結(jié)締組織細(xì)胞（稱為基質(zhì)細(xì)胞）在內(nèi)的腫瘤生態(tài)系統(tǒng)中。如今，先進(jìn)的成像和單細(xì)胞技術(shù)正在幫助我們在腫瘤的三維背景下，以前所未有的分辨率繪制這些細(xì)胞以及基因組和表觀基因組的變化。在加文醫(yī)學(xué)研究所，Clark及其團(tuán)隊(duì)正在他們的活體顯微鏡設(shè)施和加文-魏茨曼細(xì)胞基因組學(xué)中心開展這方面的研究。

　　一些國際研究聯(lián)盟，包括人類腫瘤圖譜網(wǎng)絡(luò)（Human Tumor Atlas Network）和英國癌癥研究大挑戰(zhàn)（Cancer Research UK Grand Challenge）項(xiàng)目，已經(jīng)成立，以便在單細(xì)胞和空間層面研究癌癥。然而，這些聯(lián)盟將不得不應(yīng)對數(shù)據(jù)整合方面的巨大挑戰(zhàn)。在今天的全球研究環(huán)境中，我們需要全球標(biāo)準(zhǔn)化的方法來整合來自不同分析技術(shù)和實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)。

　　通過揭示不僅僅是關(guān)聯(lián)，而是癌癥形成和進(jìn)展過程中發(fā)生的DNA和細(xì)胞變化的完全整合，我們將了解如何更好地診斷、治療和預(yù)防癌癥。

　　大數(shù)據(jù)---機(jī)遇與挑戰(zhàn)

　　在過去的20年里，我們開發(fā)的技術(shù)表明，我們的基因組和表觀基因組遠(yuǎn)比我們想象的要復(fù)雜。我們正處于這樣一個(gè)階段：關(guān)于癌癥的新見解將來自于解決復(fù)雜多樣的測序和想象數(shù)據(jù)集所產(chǎn)生的數(shù)學(xué)問題。

　　我們的先進(jìn)技術(shù)使我們能夠產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。但現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)整合---人類根本無法消化我們產(chǎn)生的所有信息。這一挑戰(zhàn)將由人工智能來解決，也就是我們需要結(jié)合計(jì)算方面的專業(yè)知識，以創(chuàng)新的方式看待數(shù)據(jù)和進(jìn)行數(shù)據(jù)建模。

　　另一個(gè)關(guān)鍵的未來挑戰(zhàn)將是將基礎(chǔ)研究結(jié)果轉(zhuǎn)化為切實(shí)的臨床應(yīng)用。對導(dǎo)致細(xì)胞癌變和癌癥形成的多個(gè)步驟的精確理解，可能使我們能夠改善對癌癥風(fēng)險(xiǎn)的篩選和癌癥的早期檢測。在未來，對基因和表觀遺傳特征的研究可能有助于我們從環(huán)境中完全消除致癌物和致癌過程。

　　對于晚期癌癥，綜合的DNA分析可能有助于查明被忽視的癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移機(jī)制，這可能是開發(fā)療法的有希望的靶標(biāo)。

　　作為遺傳學(xué)家和表觀遺傳學(xué)家，整合我們的數(shù)據(jù)來研究癌癥的挑戰(zhàn)與對氣候變化進(jìn)行建模的挑戰(zhàn)并不一樣。氣候建模需要將來自不同來源的大量數(shù)據(jù)結(jié)合起來，并結(jié)合背景，對地球的未來氣候進(jìn)行預(yù)測。

　　這對基因組學(xué)和表觀基因組學(xué)來說也是一樣的，我們需要了解多個(gè)不同層次的DNA信息如何協(xié)同工作，從而在我們的細(xì)胞發(fā)生癌變時(shí)引發(fā)“氣候變化”的破壞性影響。