Nature：癌症驱动因素的发展方向

yinfuhua

Nature：癌症驱动因素的发展方向, p1 t4 e, ^  |$ ]4 m6 E
2014-08-22 1 来源：生物360 作者：筱玥
( e; o3 _. c3 S4 _) X& v" G" C1 N- D- p/ A6 H0 H+ w
通过对103名大肠癌患者的癌细胞和正常细胞的比较，研究者发现了大量在肿瘤细胞内异常表达的基因，这些异常表达是由于转录调控的改变而导致的。4 i8 D6 |! M/ p* `7 F
由于基因突变所导致的基因异常表达，对于癌症的发生发展而言，到底起了多大的作用？这个基础性的问题在近年的癌症基因组研究领域却很少引起人们的注意，究其原因，可能是由于人们普遍认为，那些可以通过药物进行靶向治疗的突变，都是可以引起蛋白质结构变化的。Ongen等人的研究中，则向我们展示了，如何同时使用基因表达谱及全基因组基因分型技术，对大肠癌的基因转录调控过程进行研究。其研究向我们提供了两个发人深思的结果：在过量的调控突变中可以找到致癌基因改变，而“神秘的”调控基因突变具有改变癌症进展的功能。6 N4 k, c' x: {- g: s
在癌症中，基因表达发生了改变，已经是个为大众所接受的理论。尽管肿瘤的衍生过程各有不同，但是同种类型的肿瘤往往会具有相同的、新的基因表达谱。起源于癌症基因图谱项目的各项研究都发现，在晚期肿瘤组织内存在着不同的肿瘤驱动性以及肿瘤抑制性基因的转录。但是在肿瘤中由于存在如此之多的基因转录改变，因此，很难分辨哪些改变“驱使”肿瘤的生成，而哪些只是“打酱油”的。此外，表观遗传学改变——对基因表达进行修饰，但并不改变基因序列——已经在癌症中被发现，其中也包括大肠癌。有研究者已经开始对肿瘤内的转录及表观遗传学改变进行更广泛的检测，但其规模与分辨率都未达到Ongen等人的水平。他们采用RNA-Seq的方法，对细胞的转录组（所有RNA分子组成）进行测序。& i! Y9 a) `6 U" Y7 l
在过去数年里，对癌细胞外显子的测序（仅限蛋白质编码区）结果表明，在癌细胞内大约有250个左右的基因的随机突变机率比预想要高得多。其中，大部分是所有癌症内都会出现的基因突变，也有一些是具有肿瘤特异性的。对具有调节功能的DNA进行相似的分析较为困难，原因主要有两个：第一，我们刚刚开始学会如何鉴定存在于基因与基因之间很长的序列内具有调节功能的片段；第二，基因表达的改变很多是由于基因组内其它基因的改变所导致的。Ongen等人克服了上述种种局限性，他们将目光集中于杂合等位基因肿瘤细胞与相应的正常细胞中的表达比率上。他们在最近的另一项大肠癌分析中，也使用了这种思路，并把这种现象称作“等位功能失调基因”（GAD）。  M# F/ w% g  I0 n$ X' a- U
尽管等位特异性表达也可能是由于其它基因的改变，但是，在绝大部分情况下最有可能的是由于原位调控基因的突变。Ongen等人观察到体细胞（非生殖细胞）突变率和等位基因特异性表达之间的高度相关性，此外，在所有103份正常-肿瘤细胞的成对分析中，在杂合位点，大约有200个转录本呈现等位表达比例的癌症特异性偏离。他们给出的解释是，由于调控序列的改变，等位基因中的一个比另一个更容易被转录。
) _$ `* }# A$ L$ m' _+ o" _- I研究者发现，其中有些偏离可以归因于相似的癌症相关突变类型，包括杂合度的缺失以及拷贝数的改变等，而有些则可能是（还未确定）调控基因突变导致。研究者检测了所有样本以确定是否都存在这样的情况，并且采用两种方法进行统计以减小统计偏差，最终，他们发现了总共71个GAD在肿瘤细胞内出现频率比在正常细胞内更高，其中有9个与现存的所有癌症都存在的驱动性突变基因一致。这些发现为调控基因突变可导致癌症的假说提供了确凿证据。也许没必要给每个突变都起一个名字，但是“GPS突变”这个概念应该进入人们的观念了，因为正是这些突变指引着癌症驱动性的突变的功能，但是，目前还不清楚如果没有这些指引的帮助，肿瘤是否会最终形成vengeance——这有点像给我们指路的导航系统。
  A; Y6 f. n. q# b  s% _另一类突变，被形象地称作“后座司机”，意思是它们会在调控癌症进展或者转移等过程中发挥作用，但是，是以其它癌症驱动性（driver）突变为基础的。Ongen等人的第二项重要发现是，除了存在于GAD中的GPS突变，还有另外一类重要的癌症调控基础：神秘的遗传变异（cryptic genetic variation）（图1）。这些变异在正常情况下彼此并不相关联，但在特定情况下，则可能会在癌症驱动基因表达修饰上起到关键作用。具体而言，研究者想要寻找个体内与不同的基因表达相关的共同变异，他们发现，至少有三分之一的表达调控变异（eSNP）是具有肿瘤特异性的。
$ c& ^, w: |, F  T- P. ~, G 7 B" C+ H3 \1 b4 T7 F" U# o2 W
图1 肿瘤细胞内神秘的基因调节。a，杂合等位基因意味着在某一特定位点（本图，A和C）包含不同的核苷酸。在正常细胞内，两种不同基因拷贝额表达量是相同的，都较低。在这个例子中，转录体中的等位基因与基因的调控区域内正常情况下无关，或者被叫做“神秘”的变异等位基因相关（A和T，C和G)。b，在肿瘤细胞内，以转录因子的高表达为特征，这一神秘的变异基因变得具有相关性，因为转录因子和含有T的等位基因结合，但是不能与含G的等位基因结合。这样一来，就使得含有A的等位基因呈现高表达，而含有C的等位基因则低水平表达，因此，使得等位基因表达比例发生改变。
+ u1 i4 ^! O! e( l( X% R1 p此外，这些多态性在六个已知的癌症相关转录因子结合位点上呈现富集状态，在大肠癌中全部出现上调。研究者认为，当这些因子（IRX3、E2F4、NFIL3、TFAP2A、CUX1或LEF1）中的一个过表达，在正常细胞内不影响相邻基因表达的多态性变得彼此相关。从目前的研究结果来看，由于在大肠癌的全基因组相关研究（GWAS）中，只发现了上述多态性中等程度的富集，因此还不清楚它们是否在癌症进展中扮演着“后座”基因修饰者的关键角色。也可能在对进展期肿瘤进行GWAS时，我们会发现更高程度的富集。" w& Z0 N; L* a3 `  Z% D
关于这个研究需要引起人们注意的方面，可以用两点来概括。第一，目前并未对任何候选突变进行功能方面的研究——也就是说，所有的结果都是基于统计学相关性得出的。第二，任何进行RNA-Seq验证的研究者都会很快发现，上述研究中所进行检测的位点上，很多都会出现背道而驰的结果。鉴于最近在科学界对实验结果可重复性的关注，有人指出，期刊杂志应该进行第三方的独立平性全盲实验分析，从而在文章发表前得到结果的确认。这一建议并非是对Ongen等研究者们所进行的谨慎、深入的分析的诋毁，而只是基于RNA-Seq、GWAS及富集分析等技术固有的复杂性而提出的普遍要求。不同的分析者有可能得到完全不同的详情信息。但是，后天发生的突变，在许多尚未知的调控修饰背景下，通过控制基因表达来驱动癌症的发生，这一假说为我们提供了癌症研究领域的新视角。目前，类似的分析可以在其它数据库基础上进行，也可以对除癌症之外的其它由于基因表达调控改变而出现的疾病进行分析。接下来的另一个挑战是，对鉴定出的调节基因变异进行临床应用。
0 O  c( m7 t( \* [' ^原文检索：4 q4 ^: H" W* r
Greg Gibson. Cancer: Directions for the drivers. Nature, 23 July 2014; doi:10.1038/nature13649
) u  \# s' T: Y0 a7 X