癌症成长通常跟随着一个漫长的发展时期。随着时间推移，基因突变经常累积于细胞内，首先引起癌前期的条件，最后导致肿瘤生长。用数学模型，Göttingen、宾夕法尼亚大学和旧金山加利福尼亚大学马普动力学与自组织研究所的科学家们已经揭示，空间组织结构，就如在结肠中发现的，减慢了遗传突变的累积，从而延缓癌症的发生。他们的模型有助于活组织检查的评估，增强特定癌症进展的预测。
许多癌症在体内不为人知地经过数年发展才爆发。偏离点由遗传突变提供，其中遗传突变包括点突变、拷贝数异常、杂合子丢失和其他的结构重组，这些遗传突变在细胞内逐渐累积，导致形成癌前期损伤。如果突变在单个细胞内达到一定量，细胞开始不受抑制地增殖。对于一些癌症，累积过程可花费20年时间。但是，不是每一个带有癌前组织的人都在事实上发生癌症，异常细胞的形成通常没有医学后果。到现在为止，仍不清楚为什么肿瘤在一些情况下发生，而在其他情况下不发生。
由Göttingen马普动力学与自组织研究所Erik Martens 和Oskar Hallatschek牵头的研究小组应用数学模型，研究了遗传突变如何扩散，突变累积过程速度和累积过程对癌前期条件的影响。他们揭示，致瘤或致癌突变的命运部分依赖于它们出现的地方与来自其他的、类似突变的竞争有多大。在没有任何空间结构的环境中，例如血液中，遗传突变传播和累积相对快。在有清晰空间结构的组织中，就象直肠，细胞累积肿瘤形成所需的突变数量需要较长时间。
研究以2个普朗克科学家开发的进化理论模型为依据。许多遗传突变对于已突变细胞是有害的，因此不使它昌盛。另一方面，一些遗传改变给它们的宿主带来优于其他细胞的竞争优势。例如，这包括突变增加细胞分化率。Erik Martens解释到："直接优势使具有这种突变类型的细胞能在组织中增殖和累积；但在一些情况下，也就是有益于细胞的对病人有害，因为它最终导致癌症。"
这项研究所用的模型是以如小肠壁样的组织为依据，这样的组织有许多小孔或隐窝，每个隐窝有独立的可累积和携带不同突变的细胞群。如果突变出现少，它们可不受阻碍地通过癌前组织扩散。但是，如果在通过组织扩散的最早突变前出现其他的突变，各种突变克隆汇集，与另一个竞争生存。在这种情况下，有许多失败者和少许胜利者，只有某些突变能成功地建立自己。
原则上，有益突变在空间结构细胞中增殖不能象在完全混杂或无结构细胞那样快速。结果是，空间结构组织中的突变竞争通常很强烈，突变累积率低于无结构组织。根据这个研究，这就是为什么结构组织达到突变的重要数量花的时间更长，从而延缓了癌症发生。
"纵使许多类型癌症在机体组织中以清晰空间结构出现，大部分癌演进早期模型忽略了这个方面，而以混合细胞群为根据"。Erik Martens解释说，"但是，为了更好地预测癌前条件如何进展，结合结构方面信息是很重要的。例如，在给定的时期，空间结构组织相对于无结构细胞累积更少的突变。因此，触发一定癌症的所需的突变数量就超过估计。"研究人员希望他们的发现有助于改善活组织检查的解释，促进更多真实的癌演进预测。（生物谷bioon.com)
doi:10.1534/genetics.111.130112
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Interfering Waves of Adaptation Promote Spatial Mixing
Erik A. Martens,Oskar Hallatschek
Abstract A fundamental problem of asexual adaptation is that beneficial substitutions are not efficiently accumulated in large populations: Beneficial mutations often go extinct because they compete with one another in going to fixation. It has been argued that such clonal interference may have led to the evolution of sex and recombination in well-mixed populations. Here, we study clonal interference, and mechanisms of its mitigation, in an evolutionary model of spatially structured populations with uniform selection pressure. Clonal interference is much more prevalent with spatial structure than without, due to the slow wave-like spread of beneficial mutations through space. We find that the adaptation speed of asexuals saturates when the linear habitat size exceeds a characteristic interference length, which becomes shorter with smaller migration and larger mutation rate. The limiting speed is proportional to μ1/2 and μ1/3 in linear and planar habitats, respectively, where the mutational supply μ is the product of mutation rate and local population density. This scaling and the existence of a speed limit should be amenable to experimental tests as they fall far below predicted adaptation speeds for well-mixed populations (that scale as the logarithm of population size). Finally, we show that not only recombination, but also long-range migration is a highly efficient mechanism of relaxing clonal competition in structured populations. Our conservative estimates of the interference length predict prevalent clonal interference in microbial colonies and biofilms, so clonal competition should be a strong driver of both genetic and spatial mixing in those contexts.
