肿瘤是一类严重威胁人类健康的疾病,被称为“众病之王”,是目前人类健康的重要杀手之一。它可发源于人体的各个组织和器官,但都具有一个共同的特征——细胞的异常增殖。在与肿瘤持续斗争的数千年期间,人类对肿瘤的探索从未停止。伴随着科技水平的整体快速发展,人类对于肿瘤的认识程度从最开始的一无所知,到现在已是柳暗花明。借助基因测序技术,我们已经知道肿瘤细胞是由正常细胞经过一系列基因突变转化而来。细胞由于无法对其生长进行正常调控,因此导致自身的异常增殖与分化,从此不再受机体控制,最终破坏人体正常的组织与器官。近几十年来,随着人类对肿瘤认识的不断深入,化疗、放疗、靶向治疗甚至免疫治疗等多种治疗手段不断涌现。但到目前为止,我们仍然没有可以一劳永逸治愈肿瘤的技术手段。2012年癌症基因组图谱组织发起泛癌症研究计划。泛癌症研究将整合分析多种肿瘤类型,旨在从基因组、转录组、蛋白质组等不同组学角度研究肿瘤之间的差异性和相似性,进而希望可以指导临床诊断与治疗。肿瘤研究面临的一个重要难题就是肿瘤的异质性。这种异质性的内在体现是肿瘤细胞在基因组、转录组、蛋白质组等分子水平上具有差别,导致肿瘤在发生和发展过程中的分子机制并不相同。而这种异质性的外在表现则是同类肿瘤的患者在预后状况、治疗效果、是否复发转移等方面可能都存在明显区别,这给肿瘤的诊断与治疗带来了巨大挑战。如能针对不同的肿瘤亚型,采用精确的诊断方法和治疗策略,则可以显著改善肿瘤患者的诊疗体验和效果。另一方面,有研究表明肿瘤之间不仅仅具有差异性,同时还具有相似性。例如不同组织或器官来源的肿瘤可能含有相同分子特征,在这种情况下应用靶向共同特征的药物可以实现精准治疗。综上所述,泛癌症研究分析发现肿瘤之间的差异性与相似性,将有助于加深我们对肿瘤的理解和认识,协助探索肿瘤发生发展过程中的重要分子机制,最终推动临床精准诊断与治疗的发展。本论文主要研究内容包含三部分:即肿瘤类型间相似度的泛癌症研究;肿瘤个体间相似度的泛癌症研究;基于泛癌症分子标志物的肿瘤预后研究。第一部分,肿瘤类型间相似度的泛癌症研究。我们从GEO数据库中收集了144个包含多种肿瘤及其亚型的基因芯片数据集,其中共包含2362个基因表达谱,涉及98种肿瘤及其亚型。基因表达印记是指一系列可以代表数据集的特征基因集合,它能够反映基因表达水平在肿瘤组织和正常组织之间的变异情况。我们采用分层多数表决算法将每个数据集内的基因表达谱融合形成对应的基因表达印记,而后利用基因富集分析方法衡量不同数据集间的相似度。基于肿瘤相似度矩阵,我们应用层次聚类方法探索肿瘤类型及亚型之间的相似程度。分析结果显示,大部分肿瘤类型与同种组织器官来源的肿瘤类型更为相似,如脑肿瘤、肾癌、淋巴瘤、结直肠癌和卵巢癌。但有的肿瘤类型或亚型与其他组织器官来源的肿瘤类型或亚型相似性程度更高,如乳腺癌、肾上腺皮质癌、肺癌、结直肠癌、膀胱癌和胸膜间皮瘤。第二部分,肿瘤个体间相似度的泛癌症研究。我们收集了TCGA中13个肿瘤类型的RNA-seq数据,并从中挑选出633个同时包含肿瘤组织和癌旁正常组织配对数据的样本。根据同一个体肿瘤组织和癌旁正常组织计算得到的转录响应谱,我们采用保守聚类方法将633个样本分为10个类。这10个类在分子表达、富集通路和免疫组成上均有明显差异。其中一类包含膀胱癌、乳腺癌、头颈鳞癌和子宫内膜癌四种肿瘤类型。头颈鳞癌在保守聚类结果中被分为差异明显的两个亚型,一个亚型富集细胞周期相关功能,另一个亚型富集细胞粘附相关功能,二者可能对不同的治疗方式有反应。此外,我们还发现92个基因在多种肿瘤中均上调,文献调研和功能注释的结果表明,这些基因可能参与肿瘤细胞周期、细胞凋亡等过程的调控。我们从中选择了FAM64A和TROAP两个基因进行初步的功能实验验证。RNA干涉实验显示,在MDA-MB-231细胞中分别敲低二者的表达量,可以明显抑制肿瘤细胞的生长。第三部分,基于泛癌症分子标志物的肿瘤预后模型构建。通过文献调研,我们选出了75个在不同肿瘤中与预后相关的分子标志物,这些分子标志物基本覆盖了肿瘤发展过程中涉及到的全部信号通路。采用免疫组化方法,我们在非小细胞肺癌中定量检测了75个分子标志物的表达情况。生存分析显示,在肺腺癌和肺鳞癌中分别有41个和22个分子标志物与临床预后相关,但二者互相之间交集很少。随后我们采用随机森林方法分别筛选出肺腺癌和肺腺癌预后相关的分子标志物组合,并采用支持向量机方法分别构建了肺腺癌和肺鳞癌预后模型,验证结果显示模型的预测性能良好。综上所述,本研究从不同角度开展泛癌症研究,采用不同方法展示了肿瘤之间的相似性和差异性,对肿瘤的临床诊断和治疗具有一定参考价值。本文的主要创新点包括:1.首次将正常样本数据应用于泛癌症研究,从肿瘤类型间和肿瘤个体间相似的两个角度发现了具有生物学意义的研究结果。我们的研究提示癌旁正常组织样本作为肿瘤研究的良好参照因素,可以提供额外的有价值信息,在泛癌症研究中能够发挥积极作用;2.将多种肿瘤的预后相关分子标志物应用于非小细胞肺癌的预后判断,并获得了预测性能良好的预后模型。提示泛癌症分子标志物在不同肿瘤类型中均具有预测生存的能力,对于肿瘤的临床预后研究具有一定借鉴意义。