肿瘤基因组计划简介

1、肿瘤基因组计划简介Jun 12, 2010No Comments很快，我们的基因组序列数据库当中又会新增来自25000个肿瘤组织的基因组序列信息。Heidi Ledford在本文中将向大家介绍科研人员们在搜寻基因组序列真实含义时所面临的困难和挑战。2006年，科学家们在对35例结肠癌肿瘤组织进行研究时首次发现，IDH1基因突变似乎与结肠癌发病的关系并不明显。因为只在一例结肠癌肿瘤组织当中发现了突变的IDH1基因，而且后来这些科学家们又对300多例结肠癌肿瘤组织进行了分析，结果也没有在该基因当中发现更多的突变情况。实际上，IDH1基因中只有一个碱基发生了突变，导致其编码的异柠檬酸脱氢酶（isoc

2、itrate dehydrogenase）这种参与三羧酸循环的管家酶（housekeeping enzyme）发生了突变。加上科研人员们对这些肿瘤组织样品当中的13000个基因进行了测序之后发现了各种各样的突变，因此参与这项研究的科研人员之一，美国约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University）悉尼金梅尔综合癌症中心（Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center）的Victor Velculescu这样说道：“没人会想到IDH1基因会与结肠癌肿瘤扯上什么关系。”但是随着对肿瘤组织进行DNA测序这一类的研究开展地越来越多，大家逐渐发现ID

3、H1基因突变似乎对肿瘤发生发展起到了某种重要的关键性作用。在被研究的12%的脑多形性恶性胶质瘤（glioblastoma multiforme）和8%的急性粒细胞白血病（acute myeloid leukaemia）肿瘤组织样品当中都发现了IDH1基因突变的情况。结构学分析发现，IDH1基因突变之后改变了它编码的异柠檬酸脱氢酶的活性，从而使细胞当中出现了一种能够促进肿瘤形成的代谢方式。目前世界上至少有一家制药公司已经开始针对这条机制研发相应的抗癌药物了，这家制药公司就是美国Agios制药公司。今天，距离前文介绍的那项于2006年开展的研究项目已经过去了四年，如果我们现在问问从事肿瘤研究的科学

4、家为什么肿瘤基因组项目（cancer genome projects）如此重要，他们可能都会给我们举出IDH1基因突变的例子。不过，我们今天能够从基因组的海洋当中捞出IDH1基因这根针还得感谢越来越强大的基因组测序技术。在最近这两年里，世界各地的实验室联合起来对数以万计的采自同一个体的肿瘤组织样品和健康组织样品进行了测序分析，已经得到并且公布了大约75个肿瘤组织基因组序列，科学家们希望能在今年年底之前获得数百种肿瘤的完整基因组序列信息。如此庞大的基因组测序工作当然也就随之诞生了更为浩瀚的基因组数据信息海洋。将任何一个肿瘤基因序列与正常基因序列对比都能发现一大堆碱基突变、重复突变、缺失突变、交换

5、突变以及反转突变等情况（详见知识框）。约翰霍普金斯大学Ludwig癌症遗传与治疗中心（Ludwig Center for Cancer Genetics and Therapeutics at Johns Hopkins）专门肿瘤方面研究的科研人员Bert Vogelstein说：“困难在于我们该如何利用如此海量的信息帮助人们解决肿瘤这个大麻烦，而不是简单地罗列出一大堆的基因突变信息。”不管各种肿瘤在临床医生的眼里看起来是多么的相似，大部分的肿瘤从遗传学的角度来看，相互之间的差异是非常大的。这极大地妨碍了我们区分“司机突变（即导致肿瘤发生发展的原发突变）”和“乘客突变（即由于肿瘤生长和DN A

6、修复机制障碍导致的继发突变）”的研究工作。研究人员可以通过肿瘤基因组项目发现一次又一次出现的突变，也可以发现在各个关键“节点”出现的信号通路改变情况，但是总体来说，这个项目带给我们的答案要比问题多得多。美国贝勒大学医学院（Baylor College of Medicine）的儿科肿瘤学家Will Parsons说道：“当你从突变基因表当中挑出最前面那几个突变基因打算继续进行深入研究时你对剩下的那些基因有没有什么想法？你是如何决定到底应该挑出哪些基因进行后续研究的呢？这才是最难解决的问题。”上图简单介绍了几种在基因组当中常见的突变情况。外圈表示人体的各条染色体，内圈简单列举了四种常见的基因组突

7、变类型。 有哪些“司机突变”因为肿瘤是一种与基因突变密切相关的疾病，因此很多人都希望能够借助人类基因计划（Human Genome Project）的开展来促进肿瘤研究的发展。2008年，成立了国际癌症基因组协会（International Cancer Genome Consortium，ICGC），当时的目标是希望能够针对50种不同类型的肿瘤采集500份样品进行基因组测序研究。整个项目需要花费10亿美元的科研经费。全球有11个国家参与了这个项目，共选择了20多种肿瘤进行了研究（图1）。国际癌症基因组协会接管了两项在2008年之前就已经开始的比较大型的科研项目，分别是由英国剑桥维尔

8、康姆基金会桑格研究所（Wellcome Trust Sanger Institute）主持的肿瘤基因组项目（Cancer Genome Project）和由美国国家卫生研究院（US National Institutes of Health）主持的癌症基因组图谱项目（Cancer Genome Atlas，TCGA）。目前肿瘤基因组项目已经获得了100多个部分基因组序列和大约15条完整基因组序列，他们计划在未来57年内完成2000至3000个基因组测序工作。与此同时，癌症基因组图谱项目已于去年圆满完成了为期3年的三癌试点项目（three-cancer pilot project）。现在，他们正

9、在全力以赴进行下一个项目，计划在5年内对20多种肿瘤500多个样品进行完整基因组测序。 图1 各国参与肿瘤基因组项目的基本情况。图中列举的11个国家按照他们各自对国际癌症基因组协会的承诺共需要对20多种类型肿瘤的500多个样品进行基因组测序研究。初步估计每一种肿瘤需要花费2000万美元的科研经费。 虽然有多个团队通力合作，但是癌症基因组图谱项目还是不能完全参加到国际癌症基因组协会组织当中，因为每个团队各自对基因组数据的掌控程度都有所不同。现在，这两个团体的成员都对同一种肿瘤的大约100例不同样品进行测序研究，他们今后还将继续工作下去，完成计划的每种肿瘤检测500例样品的目标

10、。美国加利福尼亚州加州大学伯克利分校劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的肿瘤研究人员Joe Gray认为这是非常有用的，但这仅仅只是一个开始。他说：“起初，我认为对几百个肿瘤组织样品进行测序就足以解决问题了。但是当我们检测了1000多个样品之后我才发现我们还没找到想要的东西。”检测的样品数量越多，我们才越有可能发现IDH1基因突变这样的司机突变情况。研究人员们认为这样能够帮助我们找到一条攻克癌症的明路。有很多科学家们都在寻找在某一种类型的肿瘤当中反复出现的基因突变。“如果某一个基因当中出现了很多异常，那么最大的可能就是这些突变是

11、被肿瘤选择出来的，能够促进肿瘤发生发展的司机突变。”肿瘤基因组项目的共同负责人Michael Stratton这么说道。这种大规模测序的策略对于研究某些肿瘤非常有效。比如在12%的神经胶质母细胞瘤（glioblastoma）都能发现IDH1基因突变的情况。使用这种方法来研究突变情况整体较少的肿瘤经常能获得不错的收获。对急性粒细胞白血病肿瘤细胞进行全基因组测序之后只发现了10处蛋白编码基因突变的情况，但是其中有8起突变都是新发现的与急性粒细胞白血病相关的突变。不过使用这种策略去研究其它一些类型的肿瘤就没有这么容易了。比如我们在研究结肠癌时最开始就没有太注意IDH1基因突变的情况，直到后来对其它肿

12、瘤开始研究工作之后逐渐意识到IDH1基因突变与肿瘤之间的关系。另外，有一些司机突变也并不像我们通常所认为的司机突变那样。Vogelstein 介绍说：“我们现在对这些肿瘤细胞当中的所有编码基因都已经测过序了。我们发现了一些突变频率很低的司机突变，这些司机突变发生的频率连1%都不到。”为了发现这些低频率的司机突变，科学家们进行了大量辛勤的工作，只有对每一种肿瘤检测500个以上的样品，才能发现突变频率只有3%的司机突变。虽然这些司机突变可能不是最主要的致癌原因，但它们的意义依然非常重要。Stratton说：“我们需要了解这些情况，只有了解了这些情况之后我们才能对肿瘤遗传学、肿瘤基因组学有一个全面的

13、了解。”研究肿瘤还有一种非常常用的方法，那就是寻找在某条信号通路上频繁出现的基因突变，这些突变可能会散步在这条信号通路的某些关键节点上。比如Vogelstein科研团队在对24例胰腺癌样品开展的研究当中发现了有12条信号通路都发生了改变。不过，Vogelstein也提醒说这种研究方法并不容易操作，因为在体内有很多条信号通路彼此之间都是相互重叠的，它们之间的界限并不清晰。而且因为有很多信号通路都是建立在来自不同动物或细胞系的实验数据之上，因此也不能完全反映、符合人体内的实际情况。Vogelstein说：“当你试图去解释为什么肿瘤细胞并不像正常细胞那样有清楚的界限时，你会发现这是非常困难的一件事。

14、” 需要检测多少样本才可以？当科研人员们进行肿瘤细胞全基因组测序时他们发现要区分司机突变和乘客突变变得更加困难了。到今天为止，只有很少一部分的肿瘤经过了完整的全基因组测序。处于科研经费的考虑，大部分肿瘤细胞都只对整个外显子进行了测序，而这在整个基因组当中只占1.5%的比例，不过这部分是最容易分析的部分。要发现基因组中非蛋白编码区序列发生突变后的作用将更为困难，因为目前我们对这些区域的正常功能还不够了解，不过这些区域突变应该是对肿瘤发生发展具有重要意义的，因为在基因组中，绝大多数的突变都集中在非编码区。比如对肺癌组织进行全基因组测序之后发现了22910处点突变，而其中只有134处位于蛋

15、白编码基因当中（图2）。不过发现这些突变还是非常有价值的，Stratton说：“这些突变当中与肿瘤发生发展有关的突变可能一个都没有，但是也可能都有关。在没有系统的调查研究之前谁也不知道真实的情况。”不过大家的看法也不全然相同。有一些科研人员就认为现在用在肿瘤基因组项目当中的经费太多了，投入产出比太不经济。比如美国纽约韦尔康奈尔医学院（Weill Cornell Medical College）的肿瘤研究人员Ari Melnick就认为再过几年随着新一代测序技术的成熟，测序费用肯定会大幅降低，他觉得为什么不等到那时候再开展肿瘤基因组项目呢？不过现在也有可能“捧得一个大西瓜”，比如美国马萨诸塞州波

16、士顿哈佛大学医学院（Harvard Medical School）的遗传学家Stephen Elledge就持这种观点。他认为在基因组当中能够影响到同一基因多个拷贝的突变就比较容易进行分析研究，能够以较低的成本获得比较重要的成果，比如能够帮助我们更深入地了解肿瘤细胞的生物学过程等等。Elledge说：“比如你失掉这些基因，那么就能非常有效地关闭某条信号通路。如果你过表达这些基因，那么就能增强这条信号通路的活性。如果在这些基因当中引入突变，那么就有可能产生两种效果了。”图2 图中列举了几种肿瘤的完全或者部分基因组测序结果以及其意义。 美国密苏里州圣路易斯（St Louis, Misso

17、uri）华盛顿大学（Washington University）的测序技术专家Elaine Mardis介绍说，使用相对来说较经济同时又更快速的芯片技术可以很容易地发现基因拷贝数变异的情况，不过基因组测序可以提供更精确的信息。通过基因组测序，我们能够更精确地发现插入突变和基因扩增之间的界限，也可以发现用芯片技术无法检出的微小缺失和基因扩增现象。Mardis和Richard Wilson等人一起使用测序技术对乳腺转移癌患者进行了测序，发现了彼此重叠的缺失突变。这些缺失突变分布于CTNNA1基因当中，CTNNA1基因被认为是能够抑制肿瘤转移的基因。现在，越来越多的大型中心性研究项目也逐渐开始采用肿

18、瘤基因组研究技术了。比如由美国田纳西州孟斐斯（Memphis, Tennessee）的圣裘德儿童研究医院(St Jude Childrens Research Hospital)和华盛顿大学的科研人员们一起承担的耗资6500万美元，耗时3年的儿科肿瘤基因组项目。他们计划对600例儿科肿瘤样品进行基因组测序研究。还有更多小型的科研项目也开始涉足这个领域。比如加拿大温哥华（Vancouver, Canada）加拿大英属哥伦比亚大学 (University of British Columbia)的肿瘤研究人员Sam Aparicio就介绍说有很多本来对肿瘤基因组学研究不感兴趣的肿瘤研究中心也都开始踊跃购买测序仪了。为什么有些人支持现在就开始肿瘤基因组测序工作而不是等到测序费用大幅度降低之后再开始，其中有部分原因是因为有一些本该在测序开始之后进行的工作现在已经都完成了。正如Velculescu指出的那样：“最终我们还是需要进行老式的、经典的生物学研究方法去验证这些突变究竟能造成什么后果。”正因为如此，美国国家