癌癥相關遺傳變異的新進展及其在診斷研發中的意義

南娟 翻譯 曹志成 校對

1天津醫科大學總醫院,天津市肺癌研究所,天津市肺癌轉移與腫瘤微環境重點實驗室;2香港特別行政區 伊利沙伯醫院 臨床腫瘤科

"了解更多癌癥相關的遺傳變異可能有助于癌癥的預防和早期診斷,以及為癌癥個體化診斷和治療方案開辟新途徑."

遺傳變異通過與其它組分或分子相互作用直接或間接地調控基因表達.它們會導致同種異體間的表達差異[1].從理論上講,了解更多癌癥相關的遺傳變異可能有助于癌癥的預防和早期診斷,以及為個體化癌癥診斷和治療方案開辟新途徑.

單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphism,SNP)是人類基因組中最常見的遺傳變異.公共數據庫中儲存了逾一千萬個SNPs.通過連鎖不平衡分析,它們已被證實為檢測癌癥變異有用的遺傳標志物[2].

結構變異也是廣泛分布于人類基因組中的遺傳變異的重要來源[3].結構變異包括拷貝數目變異(copy number variant, CNV)和中性拷貝變異(copy neutral variation),其中,CNVs包括插入和缺失,而中性拷貝變異包括倒位和易位[4].CNV的特殊位點新生突變率較SNPs頻繁100-10,000余倍[5].CNVs間接影響個體的癌癥易感性,如改變抑癌基因或致癌基因的基因數目[6].因此,基因組拷貝數目的改變是許多癌癥的特征,且CNV分析有望揭示參與癌變的基因[7].

癌癥的全基因組關聯研究

全基因組關聯(genome-wide association, GWA)研究在基因-癌癥關聯的發現中引起了劃時代的變革.GWA研究的最終目標是形成一種整合遺傳、環境、自身危險因素的綜合危險預測模型,以利疾病的診斷、預防和治療[8].在過去的幾年里,已鑒定出許多常見癌癥的新型遺傳變異[9].本文將重點介紹那些有助于新型診斷和治療策略的發展之遺傳變異.

前列腺癌

在歐洲人群中,染色體8q24上存在rs1447295和rs6983267可導致前列腺癌[10].染色體8q24上的易感性變異在歐洲人群中相對罕見(2%-4%),而在非裔美籍人群中則較為常見(~42%),這易感性變異與診斷時患者年紀較小有關[11].在選定個體中已鑒定出許多可預測高風險的易感性基因,包括HNF1B、MSMB、CTBP2、JAZF1、CPNE3、IL16和CDH13[12].一個研究小組顯示有兩種遺傳變異(Xp11.22上的rs5945572和2p15上的rs721048)與前列腺癌的侵襲性密切相關[13].他們還報道位居5種遺傳變異(3q21.3上的rs10934853[A]、8q24.21上的rs16902094[G]和rs445114[T]、11q13上的rs11228565[A]和19q13.2上的rs8102476[C])的危險因素分布首1.3%的歐洲人群罹患前列腺癌的風險增高2.5倍[14].

乳腺癌

FGFR2基因內含子2的SNP rs1219648已被證實與個別絕經后乳腺癌的風險相關[15].有4個遺傳變異(2q35上的rs13387042[A]、5p12上鄰近MRPS30的rs4415084和rs10941679、以及16q12上鄰近TNRC9的rs3803662[T])僅與雌激素受體陽性腫瘤的風險相關[16,17].其它乳腺癌易感性遺傳變異包括1p11.2上鄰近NOTCH2和FCGR1B的rs11249433、3p24上包括SLC4A7和NEK10的rs4973768、6q25.1上位于ESR1上游的rs2046210、8q24上的rs1562430、14q24.1上駐于RAD51L1的rs999737以及17q23.2上包括COX11的rs6504950[18-21].

結直腸癌與胃癌

GWA研究已鑒定了許多結直腸癌易感性變異(8q23.3上標識EIF3H的rs16892766、8q24上的rs6983267和rs7014346、10p14上的rs10795668、11q23上的rs3802842、18q21上的rs4939827)[22-24].這些發現拓寬了我們對常見遺傳變異在結直腸癌病因學中的作用的理解.此外,一項GWA研究鑒定了一種前列腺干細胞抗原遺傳變異(rs2976392),它可能參與調節胃上皮細胞增殖,并影響彌漫型胃癌的易感性[25].

白血病

3個急性淋巴細胞白血病的風險變異(7p12.2上鄰近IKZF1的rs4132601、10q21.2上鄰近ARID5B的rs7089424和14q11.2上鄰近CEBPE的rs2239633)可能參與祖B-細胞的轉錄調節和分化[26].此外,已鑒定出12個慢性淋巴細胞白血病的風險變異(2q13上的rs17483466、2q37.1鄰近SP140的rs13397985、2q37.3上鄰近FARP2的rs757978、6p25.3上鄰近IRF4的rs872071、8q24.21上的rs2456449、11q24.1上的rs735665、15q21.3上的rs7169431、15q23上的rs7176508、15q25.2上鄰近CPEB1的rs783540、16q24.1上的rs305061、18q21.1上的rs1036935和19q13.32上鄰近PRKD2的rs11083846),它們可能為這血癌的病因提供新的見解[27,28].

黑色素瘤與基底細胞癌

有2個遺傳變異(第20號染色體上的rs910873和rs1885120)被鑒定為黑色素瘤風險位點,在早期發病的病例中具有強烈相關性[29],而在歐洲人群中有3個遺傳變異(9p21上鄰近MTAP和CDKN2A的rs7023329、11q14-q21上包含TYR的rs1393350和16q24上包含MC1R的rs258322)與黑色素瘤風險具有獨立的相關性[30].有些遺傳變異(1q42上鄰近RHOU的rs801114、1p36上包括PADI4、PADI6、RCC2和ARHGFF10L的rs7538876、9p21上鄰近CDKN2A和CDKN2B的rs2151280[C]、7q32上鄰近印記基因KLF14的rs157935[T]以及KRT5中編碼G138E替代的rs11170164)與基底細胞癌易感性相關,但與黑色素瘤或著色性狀無關.確鑿的證據表明TERT-CLPTM1L位點的rs401681[C]與基底細胞癌易感性相關,但對黑色素瘤有防護作用[31,32].

"有研究假設EGFR拷貝數增多與肺癌強侵襲性和低分化相關"

肺癌

GWA研究也鑒定了一些疾病標記物(5p15.33上包括CLPTM1L和TERT的rs401681、rs402710 和rs2736100、6p21.33上匹配BAT3-MSH5的rs3117582、15q25.1上包括PSMA4、CHRNA3和CHRNA5的rs1051730和rs8034191)與肺癌風險顯著相關,表明這些遺傳變異可能在肺癌發病因素中發揮作用[33-35].有臨床研究顯示,EGFR基因拷貝數目越多,采用吉非替尼治療的效果就越好[36],還有研究假設,EGFR拷貝數目增多與肺癌強侵襲性和低分化相關[37-39].

神經膠質瘤與神經母細胞瘤

一項神經母細胞瘤的GWA研究發現了兩個遺傳變異(2q35上BARD1位點內的rs3768716和rs6435862),它們導致臨床密切相關亞型人神經母細胞瘤侵襲的發生[40].神經膠質瘤的研究發現,有兩個遺傳變異(9p21上鄰近CDKN2B的rs1412829和20q13.3上內含RTEL1的rs6010620)與高惡性度神經膠質瘤的易感性相關[41].

胰腺癌

兩項GWA研究已鑒定了一些與胰腺癌相關的遺傳變異(1q32.1上匹配NR5A2的rs3790844、5p15.33上匹配CLPTM1L-TERT的rs401681、9q34上的rs505922、13q22.1上的rs9543325和rs9564966)[42,43].SNP rs505922與ABO血型基因第一內含子匹配,表明與A型或B型相比,O型血患者罹患胰腺癌的風險較低[42].

鼻咽癌

一項鼻咽癌的GWA研究鑒定了3個易感性變異(3q26上鄰近MDS1-EVI1的rs6774494、9p21上鄰近CDKN2A-CDKN2B的rs1412829、13q12上鄰近TNFRSF19的rs9510787).這些發現通過強調鼻咽癌涉及TNFRSF19和MDS1-EVI1相關通路以及HLA分子,為其發病機制提供了新見解[44].

MicroRNA靶點的SNPs

作為主要的基因調節因子,microRNAs(miRNAs)是細胞通路的重要調控因子,它們在腫瘤形成中發揮關鍵作用[45].有些miRNAs被證實為致癌基因、抑癌基因或腫瘤干細胞和轉移的調控因子[46].許多位點與基因組的非編碼區結合,而miRNA位點或靶點的SNPs或可作為癌癥風險的低外顯率修飾因子[47].因此,研究miRNA靶點SNPs的功能作用有助于診斷的研發[48].在過去的幾年里,基于SNPs的miRNA研究已鑒定了許多與各種癌癥相關的遺傳變異[49],本文將重點關注其中一部分.

在中度吸煙者中KRAS 3′非翻譯區的let-7互補位點LCS6的SNP與非小細胞肺癌風險的增加顯著相關[50].在絕經前的女性中,ESR1中miR-453靶點內的另一變異(rs2747648)與家族性乳腺癌風險的增強在臨床上具有相關性[51].MiR-196a2位點的變異(rs11614913, C/T)與肺癌、乳腺癌、食道癌、胃癌和頭頸癌相關[52].

"大部分已鑒定的遺傳變異只與相對少的癌癥風險有關,且僅能解釋很小比例的家族性聚集."

罕見變異

盡管最近公布了許多GWA研究的重要成果,但是癌癥的許多遺傳風險仍未明瞭.大部分已鑒定的遺傳變異只與相對少的癌癥風險有關,且僅能解釋很小比例的家族性聚集[53].這意味著遺傳風險的盲區.許多未知的遺傳控制是由現有GWA研究無法篩選的罕見變異造成的,這些罕見變異對疾病風險的影響相對較大[54].全力鑒定罕見變異導致候選基因的系統篩查.新一代測序技術的出現可大幅提高生成數據的速度和容量,免除克隆偏見以及毛細管測序時標本準備的困難[55].1000基因組項目亦鑒定了許多低頻等位基因的遺傳變異[101].

癌癥相關遺傳變異在診斷發展中的意義

在過去的幾年中,GWA研究被證實在鑒定各種癌癥的遺傳變異中是有效的.無論類型(SNP或CNV)和頻率(常見或罕見變異),數以百計或甚至千計的基因變異與癌癥風險有關.這些變異可能為診斷、患者分層和治療或預后分類提供有用的標記物.此外,匯編遺傳變異有助于將疾病中調控細胞活性的生物通路聯系起來.常見通路的遺傳異質性的鑒定,或有利于根據致病基因位點的生物化學靶點設計新的診斷試驗,并制定新的治療策略以控制癌癥的肆虐[56].

"若結合家族史信息,遺傳變異將更具有臨床實用性……"

有些公司已開始為個體化風險預測提供SNP基因分型.然而,已知的SNP風險等位基因的預測效能仍然有限,有待發現更多的變異來提高它們在癌癥篩查中的意義.若結合家族史信息,遺傳變異將更具有臨床實用性,如決定哪些患者應接受結腸鏡檢查或乳腺癌的MRI篩查[57].

未來挑戰

在GWA研究的時代,預計最近GWA研究的趨勢將持續.盡管已鑒定出了許多癌癥的新型遺傳變異,但鑒定有實際功能的遺傳變異的工作仍待進行.由于鑒定罕見SNPs時統計學效能顯著降低,因此有待增加樣本數量來檢測罕見變異.恰當的研究設計在決定GWA研究的成敗中亦起關鍵作用.芯片需包含更多SNPs的罕見變異,并應采用嚴格的對照組來提高基因分型的準確性.也需發展整合分析CNVs和GWA的研究方法,包括GWA序列設計的創新和SNPs與常見拷貝數目多態性間連鎖不平衡關系的使用.為了獲得更有意義的薈萃分析結果,建議采用更具有一致性的實驗設計和統計方法.我們在理解遺傳變異在癌癥治療中的作用方面仍處于早期階段.接下來的研究趨勢是整合各種有用的DNA和RNA信息(編碼與非編碼轉錄)的生物組學技術和鑒定癌癥診斷或治療進展的遺傳變異的數據庫[58,59].

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