PAED7902 Lecture 4 · 精准肿瘤学（Precision Oncology）

预习笔记：癌症分类五维度与治疗框架、治疗窗；克隆进化与肿瘤异质性；driver/passenger 与原癌/抑癌基因；突变类型谱系与 KRAS G12；hallmarks 与 RTK/PI3K 通路；靶向药物与分子/甲基化分型，含课堂录音要点与自测题。

一、本讲信息

  • 课程：PAED7902 Introduction to Genomic Medicine and Precision Health
  • ** 讲次**：Lecture 4 — Precision Oncology（精准肿瘤学）
  • ** 日期**：2026-10-03
  • ** 讲者**：Dr. David J. H. Shih（香港大学生物医学院 School of Biomedical Sciences），研究方向为癌症基因组学与计算肿瘤学
  • ** 课堂结构**（slide 2）：讲课 40 分钟（分类与治疗、癌症进化、分子生物学）+ 练习 20 分钟 + 讲课 20 分钟（靶向治疗、分子与表观分类）+ 练习 20 分钟

二、学习目标

课件 slide 3 的四条学习目标（intended learning outcomes）：
  1. 描述癌症如何分类（classification）
  1. 描述癌症如何形成与进化（formation and evolution）
  1. 解释各种突变类型的后果（consequences of mutation types）
  1. 依据基因改变识别潜在治疗（treatments based on genetic alterations）

三、核心内容

3.1 癌症的分类与治疗框架

** 疾病轨迹**（slide 5）：诊断（diagnosis）→ 治疗（treatment）→ 缓解（remission，病灶得到控制）→ 治愈（cure）是理想路径；现实中部分患者一线治疗不缓解并出现耐药（resistance），缓解后仍可能复发（recurrence），多轮治疗循环后部分患者进入终末期（terminal），转为姑息治疗。录音补充：约 30% 患者对一线治疗无应答；缓解持续约 5–10 年才视为治愈。
** 干预策略**（slide 6）。对实体瘤原发癌症：新辅助治疗（neoadjuvant，术前全身治疗±放疗以缩小肿瘤）→ 手术切除（实体瘤主要手段）→ 辅助治疗（adjuvant，术后全身治疗±放疗清除残余病灶）。全身治疗（systemic therapy）包括化学治疗（chemotherapy）、靶向治疗（targeted therapy）、内分泌治疗（hormone therapy，主要用于乳腺癌与前列腺癌）与免疫治疗（immunotherapy）。白血病等液体肿瘤无法手术，以全身治疗为主；缓解期部分癌种可用维持治疗。录音提到免疫治疗目前仅约 10% 患者获益。
** 治疗窗（therapeutic window）**（slide 7）。抗肿瘤药物同时作用于正常细胞与肿瘤细胞：以剂量为横轴，毒性效应曲线与疗效效应曲线之间的差距即治疗窗，用药应落在这一区间，以最大化疗效、控制毒性。录音补充：临床通常按"最大耐受剂量"给药，将剂量升至患者可耐受的上限；近年生存率的提升中，止吐等副作用管理的进步是重要但少被提及的原因。
** 癌症的分类维度**（slide 8）：
  1. ** 器官部位**（organ site）：乳腺癌、肺癌、肝癌等，目前仍是第一层分类；
  1. ** 组织学与免疫组化**（histology & IHC）：病理医生将肿瘤切片经苏木精-伊红（H&E）染色后在显微镜下观察细胞形态，必要时加做标志物染色。录音强调：至今仍由病理医生判定是否为肿瘤，组织病理学是诊断的最终确认；不同肿瘤（髓母细胞瘤、胶质母细胞瘤、弥漫大 B 细胞淋巴瘤、乳腺浸润性导管癌、肺鳞癌、黑色素瘤）形态各异（slide 9）；
  1. ** 分期（stage）**：按 TNM 系统——肿瘤大小 T0–T4、淋巴结状态 N0/N+、转移状态 M0/M+；出现远处转移即为 IV 期，预后最差（录音）；
  1. ** 遗传改变**（genetic alterations）：近年的分类层；
  1. ** 分子与表观分类**（molecular and epigenetic classification）：新兴方向。录音举例：恶性横纹肌样瘤（rhabdoid tumour）几乎完全由 SMARCB1 基因改变定义。
** 分类决定治疗**。课件用三份指南展示：ESMO 早期乳腺癌指南按激素受体（HR）状态、HER2 状态、淋巴结状态分层给药，三阴性（triple negative）乳腺癌最难治（slides 10–11）；转移性乳腺癌的治疗线选择已依赖肿瘤测序检出的突变；中国临床肿瘤学会（CSCO）非小细胞肺癌指南按可手术与否与分期给出一级至三级推荐（slide 12）。录音总结：治疗决策如今要同时权衡癌种、分期、受体状态、既往治疗与基因改变。
课堂投票题（slide 13）：BMI、肿瘤大小、转移状态、既往治疗、基因改变、癌种中，哪一个对治疗选择** 最不重要**？答案为 BMI——反映一般健康状况，但基本不影响治疗应答（录音）。

3.2 癌症的形成与进化

** 形成过程**（slide 15）。以上皮为例：正常上皮中一个细胞获得首个驱动突变后增殖为细胞团，此时仍局限未浸润，称癌前病变（pre-malignant tumour），病理上表现为增生（hyperplasia，细胞增多）或异型增生（dysplasia，组织结构紊乱）；当细胞累积足够突变、穿透基底膜（basement membrane）侵入周围组织并可能进入血管转移时，即成为恶性肿瘤（malignant tumour / neoplasia）（录音）。
** 克隆进化（clonal evolution）（slide 16，Bozic & Wu 2020）。克隆（clone）指来自同一祖先、携带相同突变组合的一群细胞。癌症从单个获得驱动突变的细胞开始；克隆扩增过程中子代细胞可再获得驱动突变、形成新的亚克隆（subclone），各克隆竞争资源、不断分支扩张（录音）。突变自胚胎期即开始累积，多数为乘客突变；获得驱动突变后启动早期克隆扩增，累积更多驱动事件后形成浸润癌，化疗造成的 DNA 损伤还会进一步增加突变负荷。 癌症本质上是基因组疾病，也是达尔文式进化过程**。
课堂投票题（slide 18）：对细胞高度有害的突变会怎样？答案：** 消失**——处于负选择（negative selection）之下，细胞不增殖、被其他细胞取代（录音）。
** 肿瘤异质性（tumour heterogeneity）**（slide 19）。不同亚克隆携带不同突变和拷贝数改变，同一肿瘤内部及不同转移灶之间遗传构成不同。课件两例：(1) 髓母细胞瘤（medulloblastoma，儿童小脑肿瘤）按亚型分组后可见特征性染色体改变——某亚型频繁出现 6 号染色体缺失，另两个亚型常见 7 号增益、8 号缺失与等臂染色体 17q（录音）；(2) 对同一肺癌患者的原发瘤与多个脑转移灶测序，可构建系统发生树（phylogenetic tree），推断各病灶的共同祖先与分支上的驱动改变，定位可能的转移相关基因（Shih et al. 2020，录音）。

3.3 Driver/Passenger、癌基因与抑癌基因

** 驱动突变与乘客突变**（slides 17, 20；Stratton et al. 2009）：
  • 驱动突变（driver mutation）：对癌细胞的生存和扩增** 有利**，受正选择（positive selection）作用，随肿瘤进化累积；可为功能获得（gain-of-function）或功能缺失（loss-of-function）；
  • 乘客突变（passenger mutation）：对癌细胞生存和增殖** 中性**，随克隆被动继承、随时间累积。肿瘤中** 绝大多数突变是乘客突变**：子代细胞无法只继承驱动突变，两者一同传递。
** 两类癌症基因**（slide 21）：
  • 原癌基因（proto-oncogene）：正常状态下调控细胞生长与分裂；被异常激活后称癌基因（oncogene），促进肿瘤形成、进展与转移。通常** 一个等位基因激活即可**驱动肿瘤。
  • 抑癌基因（tumour suppressor）：抑制肿瘤形成、进展与转移。通常** 单倍剂量充足（haplosufficient）——一份有功能的等位基因即足以发挥抑癌作用，因此 两个等位基因都需失活**：可为两次独立突变，或一次突变合并另一拷贝的缺失（录音）。
课堂投票题（slide 22）：促进癌症形成/进展的是哪种突变？答案：** 原癌基因的激活突变**——抑癌基因需要功能缺失、原癌基因需要功能激活，方向相反（录音）。

3.4 遗传改变的类型与后果

** 尺度谱系**（slide 23）：
类型
英文/缩写
典型尺度
单核苷酸变异
single nucleotide variant, SNV
1 bp
多核苷酸变异
multiple nucleotide variant, MNV
≥2 bp（相邻）
插入缺失
insertion-deletion, indel
≤50 bp
拷贝数异常
copy-number aberration, CNA
≥1 Mbp，含扩增/缺失、整条染色体增益或丢失（非整倍体 aneuploidy）
杂合性缺失
loss of heterozygosity, LOH
≥1 Mbp，可为拷贝数丢失或拷贝中性（一条丢失、另一条复制补齐）
结构变异
structural variant, SV
≥1 kbp，含易位、倒位等各种大片段重排
KRAS G12 实例（slides 24–28）。变异命名以 KRAS 第 12 位密码子为例：基因组坐标 12:25245350 C>T 对应编码 DNA 记法 c.35G>T，蛋白记法 p.G12D——第 12 位甘氨酸（G）变为天冬氨酸（D）。KRAS 位于基因组** 负链**，需对参考正链序列取反向互补后读取，野生型密码子为 GGU（编码甘氨酸）；c.35G>A 使 GGU 变为 GAU，产物为天冬氨酸（D）（课堂投票题 slide 27 的答案）。肿瘤中 KRAS 第 12 位存在 G12C、G12V、G12D 等多种热点替换，其中 G12C 可被 sotorasib 靶向。录音补充：癌基因突变常集中在少数热点残基（lollipop plot 上的高峰），因为"破坏一个基因的方式很多，激活一个基因的方式很少"。
** 编码序列改变的类型**（slide 29）：同义/沉默（silent/synonymous，氨基酸不变）、错义（missense，氨基酸替换）、无义（nonsense，产生提前终止密码子）、终止密码子丢失（stop-loss）、起始密码子丢失（start-loss）、剪接位点突变（splice site）。
** 截短突变（truncating mutations）（slide 30）：无义突变引入新终止密码子；移码插入缺失（frameshift indel）改变阅读框后常提前遇到终止密码子（课件示例：插入一个 G 使后续密码子变为 TGA）；剪接位点突变导致内含子滞留或外显子跳跃，也常造成移码。以上都使蛋白质提前截短。课堂投票题（slide 31）：截短突变富集于哪类基因？答案： 抑癌基因**——抑癌基因需要失去功能，截短是实现功能缺失的直接方式（录音）。
** 拷贝数与结构变异的直观展示**（slides 32–33）：光谱核型（spectral karyotype）显示，非恶性增生的乳腺上皮细胞系 MCF10A 核型相对接近正常（两拷贝为主），癌变后出现多条染色体增益与易位——即非整倍体（aneuploidy）与染色体不稳定性（CIN）（录音）。** 费城染色体（Philadelphia chromosome）**：慢性髓系白血病（CML）中 9 号与 22 号染色体末端片段相互易位 t(9;22)，在断点处形成 BCR-ABL 融合基因（fusion gene），激活 ABL 激酶驱动肿瘤。

3.5 癌细胞为何能持续增殖

参照 Hanahan & Weinberg 2000 年提出的癌症标志（hallmarks of cancer）框架（slides 34–36）：正常细胞在无生长信号时进入静息（quiescent）、有抗生长信号时周期停滞（arrest）、有死亡信号时发生凋亡（apoptosis，程序性细胞死亡）；癌细胞在三种情况下都能继续生长增殖。本讲聚焦前两个标志：** 生长信号自给自足（self-sufficiency in growth signals）与 对抗生长信号不敏感（insensitivity to anti-growth signals）**。
** 两条核心信号通路**（slide 37；Mohseni & Park 2010）：
  1. RTK–RAS–RAF–MEK–ERK 通路：生长因子配体（如 EGF）结合受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase, RTK，如 EGFR），依次激活 Ras→Raf→MEK→ERK；ERK 进入细胞核磷酸化转录因子，驱动增殖相关基因表达。生长因子研究获 1986 年诺贝尔生理学或医学奖（课件标注）。
  1. PI3K–AKT–mTOR 通路：RTK 激活 PI3K，产生信号分子 PIP3 并激活 AKT，进而经 mTOR 促进蛋白质合成与细胞生长（cell growth，细胞变大）；与上条通路的细胞增殖（proliferation，分裂增多）互补。
** 癌细胞绕过生长信号的多种方式**（slides 38–42）：EGFR 突变导致配体非依赖的受体自激活；Ras 激活突变（如 KRAS G12D）使其持续处于活化态；BRAF V600E 持续激活 Raf；PIK3CA 功能获得突变激活 PI3K；PTEN（PI3K 通路负调控因子）纯合缺失解除抑制。录音补充：EGFR ** 扩增**也是常见事件——EGFR 需二聚化才能激活，受体拷贝数足够多时发生自发二聚化；理解蛋白质生化机制才能解释为何特定遗传改变会激活通路。
** 细胞周期调控**（slides 44–49；Leal-Esteban & Fajas 2020）。细胞周期分 G1（生长）→ S（DNA 合成）→ G2 → M（有丝分裂），静息态为 G0，由周期蛋白（cyclin D/E/A/B）与周期蛋白依赖性激酶（CDK）复合物驱动（该机制获 2001 年诺贝尔奖，课件标注）。癌细胞驱动周期的常见手段：扩增 CDK（尤其 CDK4/6）；失活 CDK 抑制因子（p21、p27 等，p 表示蛋白、数字为蛋白大小）；缺失或失活 RB——RB 未磷酸化时结合转录因子 E2F 阻止周期基因表达，被磷酸化后释放 E2F。RB 基因因其在视网膜母细胞瘤（retinoblastoma）中的作用得名（录音）。
** 小结**（slide 51）：实现持续生长的路径——配体非依赖的 RTK 激活（突变或扩增）、下游信号蛋白组成性激活（Ras、Raf、PI3K）、失活细胞周期调控因子（p21、RB）与生长通路的负调控因子（PTEN）。

3.6 靶向治疗：如何选对药

精准肿瘤学的核心原则：** 按肿瘤携带的遗传改变选择药物**（录音）。课件沿上述通路逐一给出药物（slides 54–64）：
  • ** 化疗**（slide 56）：紫杉类（paclitaxel、docetaxel）抑制微管、阻断有丝分裂；5-FU、methotrexate、cyclophosphamide、cisplatin、doxorubicin 等抑制 DNA 合成。化疗无肿瘤特异性，依赖治疗窗（录音）。
  • CDK 抑制剂（slide 57）：palbociclib、ribociclib、abemaciclib 抑制 CDK4/6。
  • RTK 通路抑制剂（slide 59）：EGFR 抑制剂 erlotinib、osimertinib；RAS 抑制剂 sotorasib（KRAS G12C）与 daraxonrasib；BRAF 抑制剂 vemurafenib；MEK 抑制剂 selumetinib。
  • PI3K 通路抑制剂（slide 61）：PI3K 抑制剂 inavolisib；mTOR 抑制剂 everolimus。
  • ** 凋亡调控**（slides 62–63）：BCL-2 家族分促凋亡（PUMA、NOXA、BIM、BID、BAX、BAD）与抗凋亡（BCL-2、BCL-XL、BCL-W、MCL-1）两类；癌细胞常上调抗凋亡蛋白，BCL-2 抑制剂 venetoclax 针对此环节。
  • BCR-ABL 与 imatinib（slide 64）：imatinib 靶向费城染色体的 BCR-ABL 融合激酶，是最早成功的靶向治疗之一；此后新药持续获批（录音）。
课堂练习一（slide 52）：分组检索上述药物中的两种，说明其作用的生物学过程与机制。

3.7 超越 DNA 序列：分子与表观分类

** 检测手段**（slide 66）：表观基因组学（epigenomics）——ATAC-seq 测染色质可及性、甲基化芯片/Bisulfite-seq 测 CpG 甲基化、ChIP-seq 测转录因子结合、Hi-C 测染色质互作；转录组学（transcriptomics）——RNA-seq 测转录状态、GRO-seq 测转录活性。
** 乳腺癌分子分型**（slides 67–68）：Perou et al. 2000 用表达谱芯片（expression microarray，RNA-seq 前身）对乳腺癌做无监督聚类，分出 Basal-like、HER2+、Normal breast-like、Luminal（ER+）四种亚型；后人再在各亚型中找到可做免疫组化的单个标志物，使该分类进入日常病理诊断。录音补充：抗 HER2 治疗出现后，HER2+ 乳腺癌的预后已显著改善——分型的预后含义会随治疗进步而改变。
** 髓母细胞瘤分子分型**（slides 69–70）：讲者参与的系列工作用 NanoString 表达检测分出 WNT、SHH 激活等亚型及 Group 3/4，并结合 DNA 拷贝数谱（基因扩增、染色体臂缺失）与转移状态做风险分层，不同风险组生存曲线显著不同（录音）。
DNA 甲基化分类（slides 71–72）：癌细胞常见全基因组低甲基化（hypomethylation）与抑癌基因启动子局部高甲基化（hypermethylation），但整体甲基化模式仍保留细胞来源的印记，可用于分类。因 RNA 易降解，近年分类转向 DNA 甲基化（录音）：儿童脑瘤中基于 Illumina 甲基化芯片训练的随机森林分类器与 WHO 病理分类高度一致，应用日益普及（slide 72，Sturm et al. 2023；录音）。

四、关键图解

【图待补】slide07-therapeutic-window.jpg — 治疗窗示意 slide 7：治疗窗示意。随剂量升高，药物对正常细胞的毒性（红线）与对肿瘤细胞的疗效（蓝线）均上升，两条曲线之间的区间即治疗窗（Mathijssen et al. 2014）。
【图待补】slide15-cancer-formation.png — 上皮癌的形成过程 slide 15：上皮来源癌症的形成过程（NHGRI）。正常上皮 → 增生/异型增生的癌前病变 → 突破基底膜浸润的恶性肿瘤。
【图待补】slide16-cancer-evolution.jpg — 癌症进化 slide 16：癌症的进化动态（Bozic & Wu 2020, Nature Cancer）。突变自胚胎期开始累积，获得驱动突变后发生早期克隆扩增，进展为浸润癌、转移癌，化疗后突变负荷进一步升高。
【图待补】slide17-driver-passenger.jpg — 驱动突变与乘客突变 slide 17：驱动突变与乘客突变（Stratton, Campbell & Futreal 2009, Nature）。肿瘤进化呈分支克隆结构：少数驱动突变赋予选择优势、驱动克隆扩张，大量乘客突变被动累积。
【图待补】slide19-medulloblastoma-cna.jpg — 髓母细胞瘤拷贝数热图 slide 19：髓母细胞瘤的遗传异质性（Northcott, Shih et al. 2012, Nature）。每列为一个肿瘤样本、每行为一个基因组位点，红/蓝为拷贝数增益/缺失；按亚型分组后可见特征性染色体改变（如 6 号缺失、7 号增益/8 号缺失、i17q）。
【图待补】slide37-rtk-pi3k-pathways.png — RTK 与 PI3K 通路 slide 37：细胞生长与增殖的两条核心通路（Mohseni & Park 2010, JCI）。EGF 等配体结合 RTK 后，一路经 Ras→Raf→MEK→ERK 驱动增殖，另一路经 PI3K→AKT→mTOR 促进蛋白合成与细胞生长；是理解靶向药物作用位点的骨架。
【图待补】slide67-breast-molecular-subtypes.png — 乳腺癌分子分型 slide 67：乳腺癌的分子分类（Perou et al. 2000, Nature）。基于表达谱芯片的聚类分出 Basal-like、HER2+、Normal breast-like、Luminal/ER+ 四个亚型，是分子分类进入临床的代表性案例。
【图待补】slide72-methylation-classification.png — 脑瘤甲基化分类 slide 72：脑瘤的表观遗传分类（Sturm et al. 2023, Nature Medicine）。基于 DNA 甲基化谱可将组织病理相近的儿童脑瘤区分为不同分子群体，正成为儿童脑瘤诊断的常规手段。

五、课前思考/自测

以下题目取自《Questions on Precision Oncology.docx》：
  1. 一个肿瘤基因组含约 20,000 个体细胞突变，为何只有一小部分可用作治疗靶点？（答案：多数为不赋予选择优势的乘客突变，仅少数驱动突变直接促进癌症发生。）
  1. 哪种改变最可能把原癌基因变成癌基因：纯合缺失、杂合性缺失、激活性错义突变还是移码截短？（答案：激活性错义突变——原癌基因经功能获得性改变致癌。）
  1. 肿瘤在无生长因子条件下持续增殖，对应哪个 hallmark？（答案：生长信号自给自足。）
  1. 下列哪个组合最体现精准肿瘤学：乳腺癌→所有患者用紫杉醇 / 肺癌→所有患者手术 / KRAS G12C→sotorasib / 转移癌→只做放疗？（答案：KRAS G12C→sotorasib，按分子改变匹配治疗。）
  1. 靶向药初始有效、18 个月后复发，最可能的解释是什么？可用什么手段研究耐药机制？（答案：治疗构成选择压力、耐药亚克隆扩增；可做再活检或 ctDNA 测序寻找耐药突变。）

六、参考材料

  • 主课件：Materials/precision-oncology_David_Shih.pptx（75 slides，David J. H. Shih）
  • 《Questions on Precision Oncology.docx》（MCQ 与 SAQ 及答案）
  • 《Cancer Genomics Primer.docx》（配套概念手册：hallmarks、driver/passenger、异质性、耐药与三篇论文的串联）
  • Hanahan D, Weinberg RA. The Hallmarks of Cancer. Cell 2000（PIIS0092867400816839-the_hallmarks_cancer.pdf）
  • Stratton MR, Campbell PJ, Futreal PA. The Cancer Genome. Nature 2009（nature07943_The_cancer_Genome.pdf）
  • Bozic I, Wu CI. Evolutionary Dynamics of Cancer（Evolutionary_Dynamics_Cancer.pdf，对应课件 slide 16）

七、课堂要点补充（据课堂录音）

  • 诊断与剂量：组织病理学（H&E）仍是诊断的最终确认，由病理医生判定是否为肿瘤；临床基本按最大耐受剂量给药，副作用管理（如止吐）的进步是近年生存率提升的重要但少被提及的因素。
  • ** 化疗与突变**：化疗本身通过诱导 DNA 损伤增加突变负荷，治疗后的肿瘤突变数显著增多。
  • EGFR 扩增的生化解释：EGFR 需二聚化方可激活，基因扩增使膜上受体密度升高、发生自发二聚化，从而不依赖配体激活——理解蛋白生化机制才能解释特定遗传改变如何激活通路。
  • HER2 与预后的时间变化：HER2 富集型乳腺癌曾预后最差，抗 HER2 治疗问世后反而成为预后较好的一类，说明分子亚型的预后含义随治疗手段演进而改变。
  • ** 分子分类获得接受的路径**：新分类需在多个独立外部队列中重复、被其他团队复现，才能形成共识（讲者以其髓母细胞瘤分型研究为例）。
  • ** 案例练习与 AI 使用提醒**：第二段练习为真实（去标识）病例——EGFR L858R 突变非小细胞肺癌经 osimertinib 治疗后进展；合理选项包括再活检/分子检测寻找耐药机制、针对仍占主导 EGFR 克隆的抗体偶联药物（antibody-drug conjugate）及临床试验（本地匹配平台与 Dana-Farber 的 MatchMiner）。老师提醒：AI 用于病例决策会出现大量"幻觉"式错误答案，区分好坏答案的前提是掌握本讲基础概念（突变类型、通路与药物机制）。
  • 录音为英文语音识别转写，个别术语有识别误差，已对照课件核实。
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