解密肺癌脑转移的基因组进化轨迹：535对原发灶-转移灶配对分析揭示器官趋向性新机制

《Cell Reports》：Deciphering genomic evolution of metastatic organotropism with 535 paired primary lung cancers and metastases

本研究针对肺癌转移器官趋向性机制不清的问题，通过对535对原发灶-转移灶的全外显子测序分析，揭示了脑转移具有单克隆、晚期播种的独特进化模式，发现PTPRD和FAT1等原发灶驱动基因与脑转移特异性相关，并首次报道了转移灶中早期驱动基因通过LOH丢失的新现象，为肺癌转移防治提供了重要理论依据。

　　

肺癌是全球发病率和死亡率最高的恶性肿瘤，其中非小细胞肺癌（NSCLC）占比约85%。尽管治疗手段不断进步，转移仍然是肺癌患者死亡的主要原因。特别值得关注的是，约50%的NSCLC患者会发生脑转移，这种情况往往预示着极差的预后。血脑屏障（BBB）的存在不仅增加了癌细胞中枢神经系统侵袭的难度，也限制了治疗药物的渗透，使得脑转移成为临床治疗的难点。

目前对肺癌转移器官趋向性（organotropism）的基因组决定因素和进化轨迹认识仍然有限。以往的研究多基于非配对的转移灶和原发灶样本，难以准确区分真正的转移驱动因素。虽然TRACERx等研究利用配对样本探索了转移进化，但其中86%的转移灶来自淋巴结或肺部，对脑转移等特殊部位的研究不足。因此，迫切需要系统分析不同转移部位（特别是脑转移）的配对样本，以揭示转移器官趋向性的基因组基础和进化规律。

在这项发表于《Cell Reports》的研究中，谢铎（Duo Xie）等研究人员整合了公开和内部的全外显子测序（WES）数据，构建了包含223例NSCLC患者、535个配对肿瘤样本的队列，其中包括94例脑转移（BM）、39例颅外转移（ExM）和179例淋巴结转移（LNM）。这是目前该领域最全面的配对原发灶-转移灶基因组数据集。

研究团队采用统一的分析流程处理原始测序数据，通过TRACERx生物信息学流程进行体细胞单核苷酸变异（SSNV）、插入/缺失（indel）和体细胞拷贝数变异（SCNA）的检测。利用癌症细胞分数（CCF）评估区分克隆性变异，并通过严格的质控标准确保数据可靠性。研究还整合了TRACERx的早期非转移患者队列作为对照，以及配对RNA测序数据进行下游分析。

队列概览与基因组特征

研究队列包含148例肺腺癌（LUAD）、49例肺鳞癌（LUSC）和26例其他NSCLC类型。分析显示，脑转移相关原发灶（BM_P）比其他部位转移的原发灶具有更高的突变负荷和驱动基因突变负担。尽管配对原发灶和转移灶之间的基因组改变总体一致，但脑转移灶携带最多的体细胞改变。

转移器官趋向性的驱动基因

研究发现，大多数克隆驱动基因突变在原发灶-转移灶对中共享，但脑转移灶中有更高比例的亚克隆驱动基因突变特异性存在，表明脑转移后存在持续的亚克隆选择。通过比较转移性原发灶与早期非转移性肿瘤，鉴定出PTPRD和FAT1在脑转移相关原发灶中显著富集，TP53在颅外转移相关原发灶中富集。

拷贝数改变与器官趋向性

拷贝数分析显示，脑转移相关原发灶在染色体1p12、1q21.1-1q31.1区域（包含ZBTB7B、ARNT等6个驱动基因）和染色体11（包含CCND1、MALAT1等基因）存在显著扩增。颅外转移相关原发灶在染色体3（包含PIK3CA和SOX2）区域扩增。

LOH驱动的早期驱动基因丢失

研究发现了一个新现象：早期克隆驱动基因突变在转移过程中通过杂合性丢失（LOH）而丢失。在4例患者中观察到KMT2A、FAT3、ARID1B、CTNNA2和CHD4等驱动基因在转移灶中因LOH而丢失，这些基因主要涉及表观调控和细胞粘附功能。

脑转移的单克隆性和晚期播种特征

通过计算Jaccard相似性指数（JSI）分析转移播种的克隆性，发现脑转移中单克隆播种占89%，显著高于颅外转移（49%）和淋巴结转移（41%）。转移时间估计显示，脑转移的播种时间（中位3.2年）晚于淋巴结转移（中位3.6年）。

转录组分析发现，细胞粘附相关基因在多克隆播种原发灶中上调，而细胞连接相关基因在早期转移播种原发灶中下调，提示细胞连接丢失有助于癌细胞早期逃逸，而细胞粘附维持有利于集体循环。

研究结论与意义

该研究系统揭示了NSCLC脑转移独特的基因组特征和进化轨迹。脑转移倾向于单克隆、晚期播种的模式，其驱动特征在原发灶阶段就已存在。研究发现的原发灶驱动基因（如PTPRD和FAT1）可能作为脑转移风险的预测标志物。LOH驱动的早期驱动基因丢失现象为理解转移适应机制提供了新视角。

研究还发现吸烟相关突变特征（SBS4）在亚克隆进化过程中逐渐减弱，表明吸烟主要贡献于肿瘤起始而非后期进化。这些发现对临床实践具有重要意义：脑转移的单克隆性提示靶向治疗可能更有效；晚期播种特征为干预提供了时间窗口；特异性驱动基因为预防策略开发提供了靶点。

该研究的局限性在于样本量仍有限，难以按组织学类型、种族和吸烟史进行分层分析。未来需要更大样本量的研究来验证这些发现，并结合单细胞测序等新技术深入探索转移器官趋向性的决定因素。这些研究成果为理解肺癌转移生物学提供了重要基础，也为开发新的防治策略指明了方向。