結(jié)直腸癌的分子基礎(chǔ)-中文

1、 結(jié)直腸癌的分子基礎(chǔ) Molecular Basis of Colorectal Cancer作者：Sanford D. Markowitz, M.D., Ph.D., and Monica M. Bertagnolli, M.D.單位：From the Department of Medicine and Ireland Cancer Center, Case Western Reserve University School of Medicine and Case Medical Center, Cleveland (S.D.M.); the Howard Hughes Medical

2、Institute,Chevy Chase, MD (S.D.M.); and Brigham and Womens Hospital, Boston (M.M.B.).在美國，每年有160，000例結(jié)直腸癌被確診，并且有57，000例患者因此死亡，這使得結(jié)直腸癌成為導(dǎo)致成年人死亡的其次大主要緣由。結(jié)直腸癌形成初是良性的腺瘤息肉，接著息肉進展成高級的發(fā)育異常的腺瘤，然后進一步進展為具有侵襲性的癌癥。由于這種Invasive cancer的生長受到結(jié)腸壁的限制，因此它是可以被治愈的，這樣的癌癥被稱為tumornodemetastasis stages I and II。但是如果不準(zhǔn)時治療，它們會

3、集中到四周的淋巴結(jié)（stage III），最終轉(zhuǎn)移到遠處的位置（stage IV）。一期和二期的腫瘤可以通過手術(shù)切除治愈，有超過73%的三期腫瘤病例可以通過手術(shù)和幫助性的化療兩種方法的結(jié)合而治愈。盡管最近在化療方面取得的進展可以提高病人存活率，但是四期病例一般情況下是不行治愈的。結(jié)直腸癌的臨床特征是很多因子在不同水平上相互作用引起的。（圖1圖表內(nèi)容見最后）我們商量面臨的挑戰(zhàn)就是：了解不同個體對CRC的易感性的分子基礎(chǔ)，找出起始腫瘤發(fā)生，促進其進展的因子，并了解它們?nèi)绾螌箍鼓[瘤藥物。該綜述概述了這個領(lǐng)域最新的進展?；蚪M不穩(wěn)定性（genomic instability）基因組穩(wěn)定性的丟失可以導(dǎo)

4、致結(jié)直腸癌的形成，由于它促使一些腫瘤相關(guān)基因的突變。在結(jié)直腸癌中，基因組不穩(wěn)定有幾種形式，每種形式都由不同緣由導(dǎo)致。1. 染色體不穩(wěn)定性（chromosomal instability）在CRC中，最常見的基因組不穩(wěn)定性形式是染色體不穩(wěn)定。它會導(dǎo)致染色體拷貝數(shù)目及其結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化。染色體不穩(wěn)定性也是引起一些腫瘤抑制基因（例如APC，p53，SMAD family member 4）的野生型拷貝物理缺失的有效機制，而這些基因的正常激活可以抑制一些惡性表型。在CRC中存在這樣一些基因的抑制性突變，它們的正常功能是在復(fù)制過程中保持染色體的穩(wěn)定性。這些基因突變的累積性效應(yīng)導(dǎo)致了在這類腫瘤中大部分的染

5、色體不穩(wěn)定。與其他的一些癌癥相比，CRC一般不涉及基因拷貝數(shù)的增加或者基因重排。2. DNA修復(fù)缺陷（DNA-repair defect）在一些CRC患者中，存在一些DNA堿基錯配修復(fù)基因（mismatch-repair genes）的失活。（圖2，3）這些失活可以是遺傳的，例如遺傳性非息肉結(jié)腸癌（Hereditary non-polyposis colon cancer，HNPCC），也可以是獲得性的，例如在一些腫瘤中，存在一些編碼DNA錯配修復(fù)蛋白基因的甲基化相關(guān)沉默。在HNPCC患者中，堿基錯配修復(fù)基因（主要是MLH1和MSH2）的生殖系（germ-line）缺陷導(dǎo)致病人在平均年齡45歲

6、時，罹患結(jié)直腸癌的風(fēng)險達到大約80%。HNPCC病人錯配修復(fù)功能的丟失不僅僅是由于生殖系錯配修復(fù)基因的突變所導(dǎo)致，它也可以由于野生型的雙親等位基因在體細胞中的失活（somatic inactivation）引起。錯配修復(fù)缺陷引起的基因組不穩(wěn)定性大大的加快了HNPCC病人向結(jié)直腸癌的進展。因此，我們推舉HNPCC 突變攜帶者每年都做結(jié)腸鏡檢查，有較高程度結(jié)腸損傷的病人也應(yīng)該考慮預(yù)防性結(jié)腸切除手術(shù)。另外一些錯配修復(fù)基因（MSH6）的生殖系突變減緩了家族性CRC脆弱性。錯配修復(fù)基因的體細胞失活在非家族性結(jié)直腸癌病人中消失的可能性大約是15%。在這些病人中，由于MLH1基因啟動子區(qū)甲基化導(dǎo)致的雙等位基

7、因沉默阻止了錯配修復(fù)（圖2，3）。錯配修復(fù)功能的丟失很容易通過微衛(wèi)星不穩(wěn)定性的相關(guān)附帶像（epiphenomenon）識別。附帶像：在DNA重復(fù)序列中不能修復(fù)鏈滑動（strand slippage），從而轉(zhuǎn)變在基因組中分散存在的單核苷酸或二核苷酸重復(fù)序列的大小。錯配修復(fù)缺陷也可以通過免疫組化分析檢測到，該方法可以識別到一個錯配修復(fù)蛋白的缺失。通過錯配修復(fù)缺陷而定性的癌癥主要發(fā)生在近端結(jié)腸和一些散發(fā)病例中，主要跟older age和female sex有關(guān)。在錯配修復(fù)缺陷的病人中，一些腫瘤抑制基因是失活的，如transforming growth factor receptor type（TGF

8、BR2）和BCL2-associated X protein（BAX），它們的功能域包含有單堿基或二堿基的重復(fù)序列。導(dǎo)致結(jié)直腸癌的另一個途徑涉及到一個堿基切除修復(fù)基因MUTYH,也叫做MYH-的生殖系失活。MYH 蛋白可以切除DNA上的8-氧鳥嘌呤，后者是鳥嘌呤氧化損傷的產(chǎn)物。如果一個人攜帶有兩個生殖系MYH等位基因的失活，那么他會有息肉表型，在60歲時罹患結(jié)直腸癌的風(fēng)險幾乎是100%的。MYH相關(guān)息肉病的診斷需要基因檢測，MYH 突變中，Y165C和G382D兩個位點的突變率達到了85%。到目前為止，MYH基因的體細胞失活在結(jié)直腸癌中還沒有被檢測到。3. 異常DNA甲基化（aberrant

9、DNA methylation）基因的表觀沉默大多數(shù)是通過DNA異常甲基化介導(dǎo)的。這也是CRC病人基因失活的一個機制。胞嘧啶的甲基化形式是：在甲基化轉(zhuǎn)移酶（DNMT）的催化下，DNA中CpG island中的胞嘧啶被選擇性的添加甲基，形成5甲基胞嘧啶。在正?；蚪M上，胞嘧啶的甲基化發(fā)生在外顯子之外的DNA重復(fù)序列區(qū)域；另外在近半基因的啟動子區(qū)域一般也是沒有CpG島的甲基化現(xiàn)象。相比較而言，在結(jié)直腸癌基因組中，盡管也存在一個總體水平上的胞嘧啶甲基化的削減，但是在某些CpG島相關(guān)的啟動子中有很多異常甲基化現(xiàn)象。啟動子區(qū)域的異常甲基化會導(dǎo)致該基因的表觀沉默。在一些由于微衛(wèi)星不穩(wěn)定導(dǎo)致的結(jié)直腸癌散發(fā)病

10、例中，體細胞的表觀沉默（somatic epigenetic silencing）阻遏了MLH1基因的表達。在CRC中，有這樣一些區(qū)域，它們作為群（group）被異常甲基化，這個現(xiàn)象叫做CpG島甲基子表型（CpG island methylator phenotype，CIMP,or CIMP-high）。盡管我們還不知道CIMP的分子機制，但是這個現(xiàn)象在15%的結(jié)直腸癌病人中消失，在100%的MLH1異常甲基化的腫瘤中消失。MLH1沉默能導(dǎo)致的病癥已經(jīng)被確認(rèn)，但是在結(jié)直腸癌中其他的一些表觀沉默大事所發(fā)揮的作用仍然有待商量。在CIMP中，一個異常甲基化的中間水平被定義為亞型（subtype）（

11、例如CIMP2,CIPM-low），它可以引起30%的CIMP病例。異常甲基化的第三種類型可以用編碼波形蛋白（vimentin）基因的外顯子1（exon1）來舉例說明。盡管這個位點在正常的結(jié)腸粘膜或者結(jié)直腸癌中是不表達的，但是它在5383%的結(jié)直腸癌病人中視被異常甲基化沉默的。（圖3）腫瘤抑制基因的突變失活1. APCWnt信號通路的激活被認(rèn)為是結(jié)直腸癌的起始大事。當(dāng)致癌蛋白-鏈蛋白（catenin）結(jié)合到核伴侶（T細胞因子-淋巴細胞增強子家族的成員）時，會導(dǎo)致下游調(diào)節(jié)細胞活化的轉(zhuǎn)錄因子被激活，wnt信號通路發(fā)生。（圖2，表2）-鏈蛋白的降解復(fù)合物通過蛋白質(zhì)水解調(diào)控-鏈蛋白的水平。APC便是這

12、個降解復(fù)合物中的組分，它不僅能夠降解-鏈蛋白，也能夠抑制它的核定位（nuclear localization）。在結(jié)直腸癌中最常見的突變就是APC的失活突變。當(dāng)APC不發(fā)揮作用時，-鏈蛋白在核內(nèi)積累，使wnt通路持續(xù)激活。生殖細胞中APC的突變會引起家族性的腺瘤息肉病。APC基因突變的攜帶者在40歲時患結(jié)直腸癌的風(fēng)險達到100%。在很多結(jié)直腸癌散發(fā)病例中存在APC的體細胞突變和缺失。在一小群野生型APC腫瘤病例中，-鏈蛋白的突變使APC蛋白不能降解-鏈蛋白，最終也導(dǎo)致wnt信號通路的激活。2. TP53由于TP53突變引起的p53通路的失活是導(dǎo)致結(jié)直腸癌的其次大關(guān)鍵步驟。在很多腫瘤中，TP53

13、的兩個等位基因都是失活的，這通常是通過錯義突變該突變會導(dǎo)致p53轉(zhuǎn)錄失活，和17號染色體短臂上其次個TP53等位基因的缺失來實現(xiàn)的。野生型p53介導(dǎo)了細胞周期（cell cycle arrest）和cell death checkpoint，它可以被很多細胞壓力激活。TP53的失活常常與大腺瘤向侵襲性癌癥的轉(zhuǎn)化有關(guān)。在很多由于錯配修復(fù)缺陷引起的結(jié)直腸癌中，TP53是野生型的，然而p53通路的活性是降低的，這可能跟BAX突變導(dǎo)致的程序性死亡有關(guān)。3. TGF- 腫瘤抑制通路TGF-信號的突變失活是結(jié)直腸癌進展過程中的第三步。大約有三分之一的結(jié)直腸癌患者存在由于體細胞突變導(dǎo)致的TGFBR2的失活。

14、在有錯配修復(fù)缺陷的腫瘤中，TGFBR2的失活是該基因編碼序列上多腺嘌呤重復(fù)的移碼突變引起的。在至少一半的沒有錯配修復(fù)缺陷的結(jié)直腸癌中， TGF-信號通路是被阻斷的。這可以通過抑制影響TGFBR2激酶域的錯義突變實現(xiàn)。但更普遍的是通過突變或者缺失使得TGF-信號通路的下游組分SMAD4或者其轉(zhuǎn)錄因子伴侶SMAD2或SMAD3失活來使該信號通路被阻斷。TGF-信號通路的失活與腺瘤向高級發(fā)育異?；蛘甙┌Y的進展相關(guān)。激活原癌通路（activation of oncogene pathways）1. RAS and BRAF一些原癌基因在促進結(jié)直腸癌形成過程中發(fā)揮著重要作用。RAS 和 BRAF的突變會

15、激活MAPK（mitogen-activated protein kinase）信號通路，這種情況在結(jié)直腸癌中分別以37%和13%的比例存在。RAS的突變，主要是在KRAS中，激活了GTPase，GTPase直接作用于RAF。BRAF的突變激活了BRAF絲氨酸-蘇氨酸激酶，最終引起MAPK信號級聯(lián)。BRAF的突變在小的息肉中也可以檢測到。與RAS突變相比，它們在增生息肉，鋸齒狀腺瘤以及近端結(jié)腸癌中的突變是普遍存在的。2. PI3K-磷脂酰肌醇激酶（phosphatidylinositol 3-kinase）三分之一的結(jié)直腸癌病人的PI3KCA處于體細胞激活狀態(tài)。PI3KCA基因編碼PI3K的催

16、化亞基。以下基因的變化和PI3K的突變效果相像：PTEN的丟失，它是PI3K信號的抑制子；IRS2（胰島素受體底物2）的擴增，它是PI3K信號通路的上游激活子；或者AKT和PAK4的擴增，它們是PI3K信號的下游中介子。結(jié)直腸癌基因組測序DNA測序技術(shù)取得的進展使得對人癌癥的全編碼基因組的測序成為可能。高通量測序NCBI參考序列數(shù)據(jù)庫中的18，000個成員，發(fā)現(xiàn)癌癥相關(guān)的體細胞突變基因848個。其中有140個基因被鑒定為癌癥基因，并對癌癥表型形成有作用。期的結(jié)直腸癌基因組中有15個突變的癌癥基因和61個passenger gene-指低頻率的突變基因。低頻率突變的優(yōu)勢表明在結(jié)直腸癌中大量的遺傳

17、異質(zhì)性（指表現(xiàn)型全都的個體或同種疾病臨床表現(xiàn)相同，但可能具有不同的基因型）。高程度的遺傳異質(zhì)性使確定一個單一突變大事的臨床表現(xiàn)變得困難。結(jié)直腸癌基因組的高通量測序鑒定出了很多新的突變基因。它們包括ephrin 受體EPHA3和EPHB6（酪氨酸蛋白激酶受體家族），這兩個基因在20%的結(jié)直腸癌中都有突變。還有FBXW7，在調(diào)節(jié)cyclin E水平的蛋白質(zhì)降解通路中起作用。在20%的結(jié)直腸癌中發(fā)現(xiàn)有FBXW7基因的突變。在高通量的測序中，我們面臨的挑戰(zhàn)是如何通過鑒定出一些可以作為突變大事的下游靶標(biāo)的生物通路和過程，從而降低商量140個癌癥基因的簡單性。染色體組變化和腫瘤演進（genomic cha

18、nges and tumor progression）通過對同一個患者的原發(fā)性結(jié)直腸癌（primary colorectal cancer）和遠處轉(zhuǎn)移（distant metastases）進行全基因組測序，結(jié)果表明在遠處轉(zhuǎn)移中沒有發(fā)現(xiàn)新的突變存在。這說明對癌癥轉(zhuǎn)移來說不需要形成新的突變。也說明在原發(fā)性腫瘤中，當(dāng)最終的突變（final mutation）消失時，癌癥會迅速轉(zhuǎn)移，需要的時間不足兩年。生長因子通路（growth factor pathway）1. 前列腺素信號的異常調(diào)節(jié)（aberrant regulation of prostaglandin signaling）在結(jié)直腸癌中，一些

19、生長因子通路的激活是普遍存在的。腺瘤發(fā)育中的早期關(guān)鍵步驟是激活前列腺素信號。炎癥或者絲裂原相關(guān)的COX-2的激活，都可以導(dǎo)致前列腺素E2的合成，該因子與結(jié)直腸癌的形成有親密關(guān)系。另外，15-PGDH（15-prostaglandin dehydrogenase），一種催化前列腺素降解的速率限制酶，它的缺失可以增強前列腺素E2的活性。接近2/3的結(jié)直腸癌中有COX-2的上調(diào)表達，80%的結(jié)直腸腺瘤和癌癥都存在15-PGDH的缺失。臨床試驗表明，用非甾體類抗炎癥藥物（nonsteroidal antiinflammatory drugs）抑制COX-2的表達后，新的腺瘤發(fā)育被阻止，已經(jīng)形成的腺瘤也

20、有消退。2. 表皮細胞生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）EGF是一種對小腸細胞有營養(yǎng)作用的可溶性蛋白。臨床商量表明EGFR在結(jié)直腸癌亞群中有重要作用。EGFR通過激活MAPK和PI3K信號級聯(lián)介導(dǎo)了信號傳導(dǎo)。最近的臨床試驗表明：一些高級的結(jié)直腸癌，指具有上述通路中的促腫瘤突變-包括KRAS，BRAF，和PI3K的p110亞基的激活突變，抗EGFR藥物對這些大腸癌不起作用。3. 血管內(nèi)皮細胞生長因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）組織損傷或正常組織的生長都會誘導(dǎo)VEGF的產(chǎn)生，但商量表明VE

21、GF的表達會促使血管形成（angiogenesis）。臨床商量表明，血管形成通路在結(jié)直腸癌的進展中甚至有致死的可能性。用抗VEGF的抗體阿瓦斯?。╞evacizumab）處理后，高級結(jié)直腸癌患者的壽命平均延長了4.7個月。4. 干細胞途徑（stem cell pathway）可以自我更新的結(jié)直腸癌干細胞，會存在于一些合適的地方，例如肝，并會導(dǎo)致癌癥轉(zhuǎn)移。目前，盡管一些細胞表面蛋白（像CD133，CD44，CD166和乙醛脫氫酶1）都是promising 標(biāo)志，但是我們?nèi)耘f不行能分離出個體的結(jié)直腸癌干細胞。正常的干細胞存在于結(jié)腸腺窩中，它依靠于粘性和可溶的基質(zhì)-表皮相互作用來維持分裂和分化。結(jié)直

22、腸癌干細胞的調(diào)節(jié)機制是很有前途的商量領(lǐng)域，由于能夠掌握結(jié)直腸癌干細胞生長的agents理論上可以用作癌癥治療。猜測和預(yù)后的標(biāo)志（predictive and prognostic markers）我們?nèi)耘f面臨的挑戰(zhàn)還有如何將我們對結(jié)直腸癌在基因組水平上的生疏應(yīng)用到臨床上的猜測和預(yù)后。（表3）目前，依據(jù)EGFR信號組分RAS和BRAF的突變，抗EGFR的藥物已經(jīng)被應(yīng)用在結(jié)直腸癌治療中。對預(yù)后有用的基因標(biāo)識很少。例如，一些抑癌基因，例如APC，MLH1和MLH2，的生殖細胞突變，表明患結(jié)直腸癌的高風(fēng)險，推舉這樣的病人能夠?qū)嵭星谐中g(shù)。其他的一些體細胞突變標(biāo)志還沒有被確認(rèn)有預(yù)后價值。錯配修復(fù)缺陷突變

23、的預(yù)后價值在散發(fā)性結(jié)直腸癌中較好。期和期大腸癌的低存活率與p27-細胞周期的前凋亡調(diào)控子-的缺失有關(guān)，或者與18號染色體長臂上的異質(zhì)性丟失有關(guān)。非侵襲性分子檢測（noninvasive molecular detection）對結(jié)直腸癌早期檢測的分子診斷學(xué)的進展在結(jié)直腸癌遺傳學(xué)向臨床實踐過渡的過程中起重要作用。例如對一些只在結(jié)直腸癌中特異的突變進行檢測，對結(jié)直腸癌患者的排泄物DNA中的癌癥相關(guān)DNA異常甲基化的檢測。這些化驗對檢測早期的大腸癌有4670%的敏感性，優(yōu)于便血檢測。結(jié)直腸癌的排泄物DNA檢測（stool DNA testing）已經(jīng)被列為美國癌癥社會（American cancer

24、 Society）中對癌癥檢測的指導(dǎo)方針。血漿中細胞游離（cell-free）DNA的化驗在臨床上對發(fā)育期的癌癥檢測可能是有用的，對腫瘤特異的血漿蛋白或者RNA表達譜仍然有待商量。人群易感性的遺傳學(xué)影響（genetic influences in population susceptibility）遺傳流行病學(xué)和雙胞胎商量表明，35100%的結(jié)直腸癌和腺瘤在有遺傳易感性的人群中發(fā)生。另外，有一些家族患有HNPCC相像?。℉NPCC-like syndrome），但是沒有任何跡象表明該家族中有錯配修復(fù)缺陷。用連鎖的方法已經(jīng)找到了一些包含高滲透易感基因的基因位置（genomic loci），但是很

25、多還未發(fā)現(xiàn)。一些基因組水平上的商量也鑒定出了一些跟易感性相關(guān)的生殖細胞DNA變異子，但是臨床應(yīng)用很可能受限制，由于跟這些變異子相關(guān)的風(fēng)險較低？。結(jié)論分子水平上對結(jié)直腸癌的商量可以供應(yīng)對高風(fēng)險家族性疾病的遺傳檢測，也找出了一些猜測標(biāo)志可以讓病人在藥物治療中對癥下藥，另外分子診斷學(xué)也在早期癌癥的非侵襲性檢測中發(fā)揮重要作用。此外，一些可以作為新的藥物靶標(biāo)的生物通路也被鑒定出來。高頻突變基因?qū)λ幬镩_發(fā)而言是吸引人的，但是這些突變下游的一些普遍的信號通路也可以作為藥物治療的靶標(biāo)，而且后者相對更容易駕馭。對早期結(jié)直腸癌的分子分析最近取得的進展表明，對掌握疾病最早形成步驟中的基因和通路和對個體易感性的商量，在臨床管理中起作用。對引起癌癥轉(zhuǎn)移表型的信號的商量可以在藥物研發(fā)中供應(yīng)必要的信息，這些藥物可以掌握或抑制更近一步的