许多研究表明，原发性前列腺癌是多发性的1-三、和由多个基因不同的癌细胞克隆组成4-6多克隆原发性前列腺癌是否通常引起多克隆或单克隆前列腺癌转移在很大程度上是未知的，尽管在单染色体位点的研究与后者一致。在这里，我们通过高分辨率全基因组SNP和拷贝数调查显示，大多数（如果不是所有的话）转移性前列腺癌都具有单克隆起源，并且保持了母细胞癌细胞独特的特征拷贝数模式，同时也积累了不同数量的独立亚克隆持续变化。我们发现转移的解剖部位与基因组拷贝数变化模式之间没有关系。结合过去对转移瘤的动物和细胞遗传学研究7，以及最近前列腺癌和其他转移癌的单基因座遗传数据8-10尽管原发性癌症中存在常见的基因组异质性，但大多数转移性癌症都是由单个前体癌细胞引起的。在方法学上，本研究确立了个体中多个解剖上分离的转移癌的基因组考古学可用于定义已证明具有致死转移表型的父代癌症克隆的显著基因组特征。
从30名死于转移性前列腺癌的男性的94个解剖分离的癌点中分离出DNA()并通过基于染色体中期的比较基因组杂交（cCGH）和/或通过Affymetrix Genome Wide Human SNP（单核苷酸多态性）Array 6.0分析（Affy6）进行分析。
a.转移性前列腺癌研究对象。CGH研究的85个癌症DNA样本和Affy6研究的58个癌症样本的解剖样本类型指标叠加在每个受试者的后骨扫描视图上。图例表示解剖起源类别的颜色和数字编码。研究两个或多个解剖上不同的前列腺癌样本的受试者用彩色符号表示，受试者的编号叠加在这些符号上。
b.cCGH数据的无监督分层聚类。基于SAM诱导的218位点转移性前列腺癌cCGH数据集，对来自24名受试者的80份样本进行无监督的分层聚类树状图，其中有一份以上解剖分离的癌DNA样本可用。单个受试者的所有样本均使用所示符号进行颜色/形状编码().
c.cCGH数据的判别成分分析。基于加权Fisher准则的判别成分分析（wFC-DCA），对来自24名受试者的80个转移性前列腺癌样本的cCGH数据进行三维欧氏空间投影。使用指示的颜色/形状符号识别样品().
d.Affy6数据的判别成分分析。基于加权Fisher标准的判别成分分析（wFC-DCA）对来自14名受试者的58个转移性前列腺癌样本的Affy6数据进行三维欧氏空间投影。使用指示的颜色/形状符号识别样品().
e.14名受试者58个解剖分离的转移性前列腺癌部位的Affy6拷贝数数据的无监督分层聚类。14名受试者的所有样本都聚集在一起。在58个研究样本中分析的3029978个总基因组片段中（每个样本52241个），52.4%的拷贝数与受试者特定的正常对照基线相比没有变化，25.4%显示增加，22.2%显示减少。
cCGH对29名受试者的85个位点进行了研究。为了评估转移细胞的可能克隆关系，cCGH对24名受试者（80个样本，范围2-8个样本/受试者）的两个或多个解剖上分离的癌灶进行了研究。微阵列显著性分析（SAM）11用于检测基因组中受拷贝数增加或丢失影响的218个位点。对80个样本的218个位点的拷贝数数据进行了无监督层次聚类分析(). 24名受试者中有15名（63%）的cCGH数据来自按来源受试者分组的所有样本，这表明大多数受试者的单独转移样本具有很强的克隆关系。
在具有多个解剖分离样本的大量受试者（15/24）中，转移性cCGH拷贝数数据的受试者特定“完美”聚类导致我们进一步探索其与基因组拷贝数的关联12通过一个无监督的聚类-主题匹配测试，一个基于监督分类的评估13,14通过基于距离的分析，所有这些都拒绝了观察到的聚类是随机的零假设。
为了更好地显示所研究的80个样本之间拷贝数数据的关系，我们通过加权Fisher准则基判别成分分析（wFC-DCA）提取的三维欧氏空间中的顶部判别成分来显示完整的cCGH数据集15，其中聚类情况（例如情况17，青色圆圈）和非聚类情况（例如情况33，品红色三角形）的总体受试者内拷贝数模式相似性是明显的(). 结合cCGH数据聚类结果，这些数据表明，在大多数情况下，特定受试者的转移细胞可能具有克隆起源。
为了进一步研究潜在的克隆起源，我们对来自14名受试者的样本子集进行了Affy6分析，其中至少有三个转移沉积物可供分析。Affy6基因组位置分辨率约为5000倍cCGH分辨率，总计180多万个探针之间的平均物理距离约为700个碱基对。对14名受试者的58个样本进行了特定受试者“完美”聚类(). 与cCGH结果相似的基于排列的统计分析表明，有证据拒绝了随机主题特定聚类的无效假设。有趣的是，Affy6数据的判别成分分析结果的投影()与cCGH数据相比，同一受试者解剖上不同的癌症样本之间显示出更紧密、更“排他性”的关联()，表明cCGH数据中的样本聚类错误可能是由于分析分辨率较低。
对来自不同个体的DNA样本的共同起源概率的分析现在相对常规。证明来自同一个体的不同群体的突变细胞的共同起源并非常规，但长期以来一直是与转移癌起源相关的研究课题16.以前的细胞遗传学、同工酶和X染色体失活分析9,17,18数据以及基于细胞系的实验性转移研究7,9最近对一个或几个基因位点（包括PTEN和TMPRSS2-ETS基因畸变）的特异性分析表明，转移性黑色素瘤和前列腺癌的克隆起源8-10,19,20至少有相当大比例的转移性癌症患者。
作为克隆性标记的来源，由于其独特的基因组位置和相对拷贝数变化，其信息量可能更大，我们试图通过检测等位基因特异性的获得和丢失模式以及受纯合缺失影响的基因组区域，进一步验证转移性前列腺癌克隆起源的假说。
对两名受试者的等位基因特异性拷贝数数据的代表性样本进行了分析（图。和). 研究的每个样本中都存在拷贝数增加和减少的特征模式，并且每个解剖分离的癌症DNA样本中都有这种特征的元素。所有样本中出现的变化在这里称为全克隆，而其他称为亚克隆的变化仅存在于给定受试者研究的样本子集中。染色体位置和拷贝数独特的全克隆变化的存在强烈地表明，这些受试者中的所有转移癌细胞都有一个单克隆癌细胞来源，并表明对癌症患者的多个转移的研究可以用于推导最终母细胞中的一组变化。描述了全克隆和亚克隆变化的存在（图。,、和)提供了一张图片，展示了源于单亲癌细胞的拷贝数变化的主题特异性特征集的高保真维护，以及不同程度的额外亚克隆维护的变化。还建议受试者之间的全克隆和亚克隆变化具有可定义的“性格”，例如受试者17中有适度数量的全克隆变化和罕见的亚克隆变化，受试者19中全克隆变化相对稀疏，亚克隆变化相对较多，受试者33的全克隆变化数量显著增加，但相对较小，亚克隆变化数量适中。
受试者17（第6和13染色体）的等位基因特异性拷贝数数据的代表性样本第2页：所有样本中出现的变化称为全克隆（绿色圆圈）。2厘米：研究的样品中只有一个（深蓝色）、一对（棕色）或三个（浅蓝色）出现亚克隆变化。在染色体上，整个染色体臂的增加或丢失似乎发生在复杂的染色体内增加或丢失发生之前或之后，用现有技术很难解释，并且标记为不确定（粉红色）。二维：检测到的所有更改的摘要。第二版：描述所研究的每个转移部位检测到的变化，叠加在后路骨扫描图上，棕色圆圈代表前列腺，黑色圆圈代表能够转移的癌症。母体癌细胞出现在前列腺中，包含一组克隆维持的拷贝数变化，在每个三角形的底部用绿色表示，包含每个转移癌样本中识别的标记变化。母体癌细胞分裂，保持原有的一系列变化，但也产生一些新的变化，这些变化也在离开前列腺的细胞中亚克隆地保持，以填充本研究分析的各种转移部位。亚克隆多样化可能发生在前列腺和初次转移后的部位，最简单的可能情况（前列腺中的亚克隆多样化）仅用于讨论目的，亚克隆多样化可能发生在前列腺和转移部位。
受试者34（第5和第8染色体）的等位基因特异性拷贝数数据的代表性样本3亿：所有样本中存在的变化被称为全克隆（绿色圆圈）。3立方厘米：研究的样品中只有一个（深蓝色）、一对（棕色）或三个（浅蓝色）出现亚克隆变化。不确定的更改用粉红色圈出。三维：检测到的所有更改的摘要。第三版：描述所研究的每个转移部位检测到的变化，叠加在后路骨扫描图上，棕色圆圈代表前列腺，黑色圆圈代表能够转移的癌症。
我们发现17个纯合子缺失在染色体位置上是唯一的，并且是10个研究对象中唯一的(补充表8). 17个纯合子缺失中的15个（88%）在来自特定受试者（“全克隆”）的所有研究样本中都有类似的表现，强烈表明这些受试者中转移癌细胞群的共同细胞克隆起源。受克隆纯合缺失影响的基因包括PTEN、BRCA2、TGFBR2、PCAF、PR、FHIT、PPP2R2A、BNIP3L、CDKN2A和ACVRL1型.
男性播散性前列腺癌转移影响的解剖部位谱是可变的21，并可能通过基因组水平的变异来解释。检测特异性克隆或亚克隆改变是否与特定的转移解剖部位相关21，我们使用基于排列的分析来比较从按解剖位置分组的所有85个DNA样本中观察到的cCGH和Affy6拷贝数数据，并且在此基础上没有发现拷贝数模式相似性的统计证据（补充图。4和8).
与其他种族相比，非洲裔美国人前列腺癌在各个阶段都更具侵袭性22我们使用基于排列的分析来比较cCGH数据中四位非洲裔美国人和Affy6数据中两位非洲裔美国男性前列腺癌样本的拷贝数发现。虽然结果基于小样本，但未检测到总体基因组模式的差异（数据未显示）。
雄激素途径的改变被认为在前列腺癌发展为致命疾病中起着关键作用，雄激素受体上调(应收账)基因表达是一个一致的发现。关于应收账拷贝数，我们发现只有两名受试者（17、34）表现出正常的单一拷贝应收账存在于所有转移部位。7名受试者（3、12、19、22、31、32、33）从2-8份拷贝中获得收益，其中大多数稳定在2-3份拷贝范围内。五个受试者（16、21、24、28、30）显示应收账获得9–40个拷贝，类似于先前基于原位杂交的研究中在少数病例中发现的高水平增长23,24有趣的是，作为平均水平应收账每个受试者的转移组中的拷贝数增加，来自特定受试者转移样本中拷贝数的变化也趋于增加，尽管在大多数受试者中总体上应收账单个受试者在转移位点的拷贝数相对稳定，与克隆起源一致，亚克隆变异如整体拷贝数分析所示(补充图11).
融合转录本形成TMPRSS2型和电动滑行系统家庭成员在所有前列腺癌中的发病率为50%或更多TMPRSS2-ERG公司最常见的是融合转录本。关于TMPRSS2-ERG公司融合，我们发现电子邮箱和TMPRSS2型Affy6研究的14名受试者中有7名受试。如Mehra等人之前观察到的，当它出现时，在给定病例的每个转移部位都发现了相同的缺失事件10。我们检查了TMPRSS2-ERG公司从这些受试者的子集中分离出的18个前列腺癌转移样本的融合转录状态，在所有9个受试者研究的样本中都一致存在ERG公司删除，并且在所有9个受试者的研究样本中一致缺失ERG公司删除(补充表9和补充图10). 这些观察结果与这种缺失和由此产生的融合转录物形成是一种常见的早期、转移前事件相一致，尽管成功的肿瘤细胞传播显然不需要这种事件。有必要对所有ETS家族基因融合进行更彻底的分类，以了解其在肿瘤进展中的作用。
除了证明每个受试者的转移样本中存在克隆和亚克隆变化外，还显示了基因组变化的总体模式()不同科目之间差异很大。为了测试这些总体模式是否与接受的治疗有关，我们比较了克隆和亚克隆变化频率(补充表10)7名接受了DNA损伤化疗（环磷酰胺、拓扑替康、足叶乙甙和/或卡铂）的受试者与7名未接受DNA损伤化疗的受试对象相比，未发现统计学差异(补充表11和补充图。12-14).
据我们所知，本文报道的研究首次提供了人类多发转移癌拷贝数变化的全高分辨率基因组概览，对其进行分析为克隆起源的讨论增添了实质性的深度。这项研究提供了迄今为止最全面的证据，证明所有或至少绝大多数转移性前列腺癌患者的癌症起源于单个异常细胞，这一发现可能扩展到其他癌症，并证明使用转移部位比较来推导每个受试者的母细胞中的一组变化是可行的。研究结果还表明，特定受试者的转移癌部位存在大量但数量可变的亚克隆维持性改变。
我们的发现为先前发表的数据提供了新的线索，这些数据表明原发性前列腺癌通常是多灶性的1-三通常有多个独立的克隆亲本细胞来源4-6我们的数据表明，致命的转移性前列腺癌细胞来源于一个共同的母细胞，也表明亚克隆变化出现并持续存在。使用全基因组基因座组对个体受试者的原发性癌症进行解剖分离研究，以重新审视这个问题，并确定以前的研究是否动力不足，是否检测到亚克隆保持差异，但遗漏克隆改变，或者原发性前列腺癌是否真的像目前普遍认为的那样是多灶性的。
我们最近对同一受试者样本中选定的CpG岛上相对高甲基化和低甲基化的研究表明，某些高甲基化变化在特定受试者中是“克隆的”25而低甲基化变化则更加异质26这些发现，以及Shah等人对类似受试者进行的转录和蛋白表达研究27这表明，在更大范围的转移性癌症患者中，将来自多个转移样本的遗传、表观遗传和蛋白质水平的数据进行基于路径的完全整合，可能是一种独特的强有力的方法，可以为开发新药和诊断靶点确定优先的靶点列表。
这些数据的几个方面与目前在大基因组水平上已知的人类转移癌相关。首先要强调的是，克隆起源的有力证据并不意味着在给定的转移癌部位所有细胞的基因组都是相同的。细胞遗传学和其他研究表明，转移癌细胞中存在一定程度的基因组拷贝数“抖动”18这里的数据显示，尽管存在这种“抖动”，但在大多数转移性前列腺癌病例中，拷贝数变化的相对干净、清晰和高度个体化的模式，并且与基于细胞系的转移研究相比，这种模式在个体的多个转移位点中以惊人的保真度总体保持28.
其次，这里报道的发现是基于每个研究样本中数百万转移性前列腺癌细胞基因组的聚合信号。两个或多个克隆种群相互依赖以获得转移“成功”是可能的，但似乎不太可能有完全不同的拷贝数变化，这些变化与我们在这里观察到的数据之和是完全不同的。第三，这些数据不能排除另一种假设，即观察到的克隆出现和个体独特的拷贝数模式可能是个体受试者对成功转移的特定要求的结果。在另一种情况下，多克隆、高度基因组不稳定的癌细胞只有满足特定对象的严格拷贝数增益和丢失要求，才能“成功”。很难想象一种可行的生物机制，通过这种机制，这种特异性可以从本地细胞中产生，因此这种假设似乎不太可能是正确的。最后，如果大多数患者的转移性前列腺癌细胞具有共同的克隆起源，这表明具有干细胞特性的癌细胞在一组共享的个体特异性拷贝数变化的背景下获得这些特性，这与最近的发现一致29.
我们的结果表明，在大多数情况下，如果不是所有的话，单个男性的转移性前列腺癌沉积物具有克隆起源。将受试者A17作为当前研究中所有受试者的代表，并考虑到有关前列腺癌细胞可能在骨髓中休眠多年的报告30,31，具有共同克隆起源的癌细胞以“直接克隆”或“间接克隆”模式扩散，如图5所示。大的褐色圆圈代表前列腺，而黑色圆圈代表能够致命扩散的前列腺癌。Ellis等人的数据表明，绿色圆圈代表无法扩散的局部前列腺癌，黄色圆圈代表非致命性扩散癌30在尸检时从前列腺分离出的前列腺癌病灶和尸检时前列腺癌病灶从前列腺分离出来的5名受试者的不同部位转移的前列腺癌灶中，我们发现拷贝数模式没有显著差异。“直接克隆”致命转移为这些发现提供了最简单的解释，因为“间接”转移需要转移的前列腺癌转移回前列腺，如虚线箭头所示。
总之，这些数据表明，在大多数（如果不是全部）转移性前列腺癌病例中，不同转移性前列腺肿瘤沉积物中癌细胞的起源可以追溯到单个基因组异常前列腺细胞，其宏基因组拷贝数的变化在每个细胞分裂中相对稳定地复制。在这个相对稳定的拷贝数变化基础上，会发生额外的拷贝数改变，并在亚克隆中持续。这些发现对转移性前列腺癌的治疗具有潜在的重要意义：了解和预测个体的治疗成功可能取决于克隆一致性的程度以及特定患者转移病灶的特定基因组改变模式。假设，由于高克隆多样性应能提高癌细胞的存活率以应对变化，因此特定患者转移性前列腺癌细胞的克隆程度对治疗反应的影响可能与前列腺癌细胞中发现的特定基因组变化模式一样重要。需要进行更多的研究，以确定此处研究的大多数转移性前列腺癌患者的大基因组单克隆性与微基因组（个体碱基对）水平的发现之间的关系。
