癌症基因组研究对临床癌症防治的影响.doc

癌症基因组研究对临床癌症防治的影响 摘要自二十世纪以来，癌症已成为困扰人类健康的主要危害之一。无论是发达国家还发展中国家，都存在着较高的癌症发病率。据世界卫生组织国际癌症研究中心发布的数据显示，仅在2008年癌症共造成760万人死亡，约占所有死亡人数的13%。其中，大约70%的癌症死亡发生在低收入和中等收入国家。该机构同时预计到2030年死亡人数将超过1310万。而在我国，虽然癌症发病率比发达国家低，但死亡率却远高于发达国家。在我国，每年新发癌症病例200万人，因癌症死亡人数为140万，每死亡5人中，即有1人死于癌症。近日，关于癌症村的报道更是引起国人的广泛关注。由此可见，癌症已成为全球性的医学难题。随着科学技术的进步和研究方法的改善（尤其癌症基因组学），使人们对癌症有一个全新的认识。本文将简要的介绍癌症基因组研究对癌症预防和临床治疗的影响。 癌症相关基因研究的现状 种种迹象表明，癌症是由环境和多个基因共同影响而形成的复杂性疾病。因此，对癌症的研究也必然是复杂的，需要考虑到多种因素作用。随着基因组学的发展，对癌症的研究也已经进入到基因水平，并取得了一定的成果。 原癌基因与抑癌基因 在正常细胞内，存在着原癌基因和抑癌基因，它们负责协同调控细胞的发育、生长和分化，是维持机体正常生命活动所必须的基因。在进化上具有高度的保守性。原癌基因的正常表达可促进细胞的增殖，而抑癌基因可监督原癌基因并抑制细胞的增殖，防止其过度表达使细胞癌变。当原癌基因的结构或调控区发生变异时，基因产物增多或活性增强，使细胞过度增殖，从而形成肿瘤；当抑癌基因发生变异时，其抑制细胞增殖的活性减弱或消失，同样也会引起细胞的过度增殖，进而导致细胞癌变。 癌症进化树 Mike Stratton等1,2通过对21名乳腺癌患者基因组的研究，提出并绘制出乳腺癌体细胞突变的进化树。所谓癌症进化树，即是指发生基因突变的体细胞，与正常体细胞在进行生存竞争的过程中通过不断地进化，最终形成能持续增殖的癌细胞。在这个过程中细胞发生的每一次突变都会在基因组中留下痕迹，通过分析基因组上不同时期体细胞变异时留下的痕迹，就可以得到癌细胞突变的完整进化史。根据癌细胞的进化史可以详细地阐释癌变发生的过程：最初基因突变的体细胞首先会不断分化，形成一个庞大的突变体细胞家族。家族的成员经过体内微环境的“自然选择”，只有生存能力最强的亚克隆才能不断增殖。同时，通过这种方式，癌症基因在突变体细胞内不断累积，后者也逐渐完成了自身的进化。但某一突变体细胞的亚克隆占到其家族细胞总数的半数以上，患者就会临床上表现出癌症的具体症状。癌变发生的过程表明，多数乳腺癌患者在被确诊之前，体内的癌变就已经开始。在临床上，只有癌变发展到一定程度，或者说，只有突变体细胞完成自身的进化，癌变才有可能被目前的诊断手段所发现。而事实上，癌症的发生过程应以体细胞变异为起点。一个人一生中是否容易患癌症，可能在出生的时候已经被肿瘤易感基因决定了。 体细胞突变 尽管体细胞突变会导致机体发生癌变，但是在癌变过程中，不同的体细胞突变所发挥的作用却不尽相同。早在2009年，Mike Stratton等3就提出了“司机突变乘客突变”学说。他们将癌变的细胞比作高速公路上飞驰的汽车。能够直接导致癌变的体细胞突变称之为“司机突变”（Driver Mutation）；而由司机突变引起的、与癌症发生相关但不是起主导作用的突变，被称为“乘客突变”（Passenger Mutation）4。乘客突变只是由于癌症发展过程中染色体稳定性下降而伴发的突变。因此癌症研究的首要目的是鉴定出癌症发生过程中的多个基因突变，随后从中区分司机突变和乘客突变，最终对司机突变的功能研究来确定癌症发生的分子机理。然而，近年来，癌症基因组的研究发现，癌变过程中与之相关的体细胞突变位点有成千上万处。但这其中起决定性作用的司机突变往往只有五个左右，远远小于乘客突变的数目。如何从上万处体细胞突变中找到真正的主导突变，并不容易。另外司机突变的随机组合，也大大地增加癌症个性化治疗的复杂性。Mike Stratton等还发现了一种独特的体细胞突变机制“kataegis”模式5，即在基因组一个小范围的区域内，短时间内会发生大量的基因突变。这与体细胞突变中通常“循序渐进”的方式大相径庭，这种突变的频率与密度，犹如“疾风骤雨”一般，因此，该模式以“kataegis”（希腊语“暴风雨”的意思）来命名。虽然，此突变机制在以前的研究中从未被发现。但是，在被研究的 21名乳腺癌患者体内，至少有13人体内发生了“kataegis”突变。这预示着此种突变方式可能在癌症患者体内广泛存在。进一步的研究发现，“kataegis”突变模式的发生，可能与细胞中的一种蛋白家族有关。癌症基因组学 一直以来，癌症研究都是以癌细胞株或动物模型为对象来鉴定单个癌基因或抑癌基因的突变虽取得了一定进展，但对癌症形成机制仍无法获得全面理解。1986年，诺贝尔奖获得者R.Dulbecco在科学上发表文章指出，传统的癌症研究是一种零碎的研究策略，是分子生物学的一种理想模式，虽简单易行，但并未考虑到癌症的复杂性以及不同器官的癌症发生存在差别，难以从整体上研究癌症发生。R.Dulbecco同时提出，对癌症基因组进行测序的研究策略。所谓癌症基因组即是指所有与癌症发生有关的基因的组合，包括原癌基因、抑癌基因等在内的多种基因。癌症基因组学是在人类基因组学的基础上，寻找肿瘤相关基因组及遗传序列、筛选及检测癌症特异性或相关性表达、判断基因间相互关系并比较个体间基因差异、帮助确定肿瘤的分级与分期，最终用于指导临床治疗的一门学科。随着人类基因组计划的完成，癌症的研究也早已进入到基因组学阶段，在基因水平详细阐明癌症发生的分子机制为今后癌症的预防治疗打下坚实的基础。2005年美国癌症研究所和美国人类基因组研究所共同启动“人类癌症基因图集”计划，旨在绘制500例癌症患者的基因图谱；2008年，国际癌症基因组联合会成立，包括中国在内的九个国家，共同针对临床上的五十余种癌症进行基因组学研究。 癌症基因组的研究内容重点集中在列的DNA(基因组)水平，有时需要RNA(转录组)水平的辅助研究。DNA水平的研究主要包括全基因组测序、外显子测序和甲基化测序6。全基因组测序通过对基因组进行整体水平的测序，最大可能的找出与癌症发生有关的基因变异。但目前，相关费用较为昂贵。外显子测序是利用序列捕获技术将全基因组外显子区域DNA捕捉并富集后进行高通量测序的基因组分析方法，相对于全基因组测序，其成本较低。DNA甲基化是最重要的表观修饰之一，可造成染色体结构、DNA构象、DNA稳定性和DNA与蛋白质作用发生改变。因此对细胞功能具有十分重要的意义。大量研究表明癌细胞的DNA甲基化存在巨大的差异，因此通过对整个基因组的DNA甲基化测序将对理解癌症的发生也有着重要帮助。转录组就是对细胞内所有mRNA进行测序一方面可鉴定出基冈的突变，另一方面在鉴定基因融合和转录后选择性拼接方面有重要意义，也是癌症基因组研究的一个重要方面。此外，小RNA也已经证明与癌症发生密切相关。因此通过比较癌症组织和正常组织中小RNA的差异可确定它们与癌症发生的关联7。 讨论 随着癌症基因组学的发展，人们对癌症的认识也越来越清晰。目前，人们通常是以癌症发生的部位来命名癌症，这只是从表型上去定义癌症。如果从基因、从分子水平重新定义癌症或其他疾病是对传统医学的一个挑战，但这也揭示了疾病发生的本质。癌症病人具有异质性，不同病人相同类型癌症都具有非常大的遗传学和表观遗传学差异，通过癌症基因组学的研究可以实现癌症的个性化治疗。另外，癌症作为一种复杂性疾病，其发生是先天遗传和后天环境共同作用的结果，而单纯的基因组学研究远远不够的。复杂疾病的研究必须要综合环境和遗传两种因素，方可取得更大进展。1Nik-Zainal, S. et al. The life history of 21 breast cancers. Cell 149, 994-1007, doi:10.1016/j.cell.2012.04.023 (2012).2Nik-Zainal, S. et al. Mutational processes molding the genomes of 21 breast cancers. Cell 149, 979-993, doi:10.1016/j.cell.2012.04.024 (2012).3Stratton, M. R., Campbell, P. J. & Futreal, P. A. The cancer genome. Nature 458, 719-724, doi:10.1038/nature07943 (2009).4Vogelstein, B. et al. Cancer genome landscapes. Science 339, 1546-1558, doi:10.1126/science.1235122 (2013).5Ahmed, S. et al. Newly discovered breast cancer susceptibility loci on 3p24 and 17q23.2. Nature genetics 41, 585-590, doi:10.1038/ng.354 (2009).6郭晓强, 桂., 蔡志明等. .癌症基因组学:机遇和挑战. J.科学（上海） 2010,62(2), 62-63.7Meltzer, P. S. Cancer genomics: small RNAs with big