结直肠癌的分子基础,中文

结直肠癌的分子基础MolecularBasisofColorectalCancer作者：SanfordD.Markowitz,M.D.,Ph.D.,andMonicaM.Bertagnolli,M.D.单位：FromtheDepartmentofMedicineandIrelandCancerCenter,CaseWesternReserveUniversitySchoolofMedicineandCaseMedicalCenter,Cleveland(S.D.M.);theHowardHughesMedicalInstitute,ChevyChase,MD(S.D.M.);andBrighamandWomen’sHospital,Boston(M.M.B.).在美国，每年有160，000例结直肠癌被确诊，并且有57，000例患者因此死亡，这使得结直肠癌成为导致成年人死亡的第二大主要原因。结直肠癌形成初是良性的腺瘤息肉，接着息肉发展成高级的发育异常的腺瘤，然后进一步发展为具有侵袭性的癌症。由于这种Invasivecancer的生长受到结肠壁的限制，因此它是可以被治愈的，这样的癌症被称为tumor–node–metastasisstagesIandII。但是如果不及时治疗，它们会蔓延到附近的淋巴结（stageIII），最终转移到远处的位置（stageIV）。一期和二期的肿瘤可以通过手术切除治愈，有超过73%的三期肿瘤病例可以通过手术和辅助性的化疗两种方法的结合而治愈。尽管最近在化疗方面取得的进展可以提高病人存活率，但是四期病例一般情况下是不可治愈的。结直肠癌的临床特征是很多因子在不同水平上相互作用引起的。（图1—图表内容见最后）我们研究面临的挑战就是：了解不同个体对CRC的易感性的分子基础，找出起始肿瘤发生，促进其发展的因子，并了解它们如何对抗抗肿瘤药物。该综述概述了这个领域最新的进展。基因组不稳定性（genomicinstability）基因组稳定性的丢失可以导致结直肠癌的形成，因为它促使一些肿瘤相关基因的突变。在结直肠癌中，基因组不稳定有几种形式，每种形式都由不同原因导致。1.染色体不稳定性（chromosomalinstability）在CRC中，最常见的基因组不稳定性形式是染色体不稳定。它会导致染色体拷贝数目及其结构发生很大变化。染色体不稳定性也是引起一些肿瘤抑制基因（例如APC，p53，SMADfamilymember4）的野生型拷贝物理缺失的有效机制，而这些基因的正常激活可以抑制一些恶性表型。在CRC中存在这样一些基因的抑制性突变，它们的正常功能是在复制过程中保持染色体的稳定性。这些基因突变的累积性效应导致了在这类肿瘤中大部分的染色体不稳定。与其他的一些癌症相比，CRC一般不涉及基因拷贝数的增加或者基因重排。2.DNA修复缺陷（DNA-repairdefect）在一些CRC患者中，存在一些DNA碱基错配修复基因（mismatch-repairgenes）的失活。（图2，3）这些失活可以是遗传的，例如遗传性非息肉结肠癌（Hereditarynon-polyposiscoloncancer，HNPCC），也可以是获得性的，例如在一些肿瘤中，存在一些编码DNA错配修复蛋白基因的甲基化相关沉默。在HNPCC患者中，碱基错配修复基因（主要是MLH1和MSH2）的生殖系（germ-line）缺陷导致病人在平均年龄45岁时，罹患结直肠癌的风险达到大约80%。HNPCC病人错配修复功能的丧失不仅仅是由于生殖系错配修复基因的突变所导致，它也可以由于野生型的双亲等位基因在体细胞中的失活（somaticinactivation）引起。错配修复缺陷引起的基因组不稳定性大大的加快了HNPCC病人向结直肠癌的发展。因此，我们推荐HNPCC突变携带者每年都做结肠镜检查，有较高程度结肠损伤的病人也应该考虑预防性结肠切除手术。另外一些错配修复基因（MSH6）的生殖系突变减缓了家族性CRC脆弱性。错配修复基因的体细胞失活在非家族性结直肠癌病人中出现的可能性大约是15%。在这些病人中，由于MLH1基因启动子区甲基化导致的双等位基因沉默阻止了错配修复（图2，3）。错配修复功能的丧失很容易通过微卫星不稳定性的相关附带像（epiphenomenon）识别。附带像：在DNA重复序列中不能修复链滑动（strandslippage），从而改变在基因组中分散存在的单核苷酸或二核苷酸重复序列的大小。错配修复缺陷也可以通过免疫组化分析检测到，该方法可以识别到一个错配修复蛋白的缺失。通过错配修复缺陷而定性的癌症主要发生在近端结肠和一些散发病例中，主要跟olderage和femalesex有关。在错配修复缺陷的病人中，一些肿瘤抑制基因是失活的，如transforminggrowthfactorβreceptortypeⅡ（TGFBR2）和BCL2-associatedXprotein（BAX），它们的功能域包含有单碱基或二碱基的重复序列。导致结直肠癌的另一个途径涉及到一个碱基切除修复基因—MUTYH,也叫做MYH---的生殖系失活。MYH蛋白可以切除DNA上的8-氧鸟嘌呤，后者是鸟嘌呤氧化损伤的产物。如果一个人携带有两个生殖系MYH等位基因的失活，那么他会有息肉表型，在60岁时罹患结直肠癌的风险几乎是100%的。MYH相关息肉病的诊断需要基因检测，MYH突变中，Y165C和G382D两个位点的突变率达到了85%。到目前为止，MYH基因的体细胞失活在结直肠癌中还没有被检测到。3.异常DNA甲基化（aberrantDNAmethylation）基因的表观沉默大多数是通过DNA异常甲基化介导的。这也是CRC病人基因失活的一个机制。胞嘧啶的甲基化形式是：在甲基化转移酶（DNMT）的催化下，DNA中CpGisland中的胞嘧啶被选择性的添加甲基，形成5′甲基胞嘧啶。在正常基因组上，胞嘧啶的甲基化发生在外显子之外的DNA重复序列区域；另外在近半基因的启动子区域一般也是没有CpG岛的甲基化现象。相比较而言，在结直肠癌基因组中，尽管也存在一个总体水平上的胞嘧啶甲基化的减少，但是在某些CpG岛相关的启动子中有很多异常甲基化现象。启动子区域的异常甲基化会导致该基因的表观沉默。在一些由于微卫星不稳定导致的结直肠癌散发病例中，体细胞的表观沉默（somaticepigeneticsilencing）阻遏了MLH1基因的表达。在CRC中，有这样一些区域，它们作为群（group）被异常甲基化，这个现象叫做CpG岛甲基子表型（CpGislandmethylatorphenotype，CIMP,orCIMP-high）。尽管我们还不知道CIMP的分子机制，但是这个现象在15%的结直肠癌病人中出现，在100%的MLH1异常甲基化的肿瘤中出现。MLH1沉默能导致的病症已经被确认，但是在结直肠癌中其他的一些表观沉默事件所发挥的作用仍然有待研究。在CIMP中，一个异常甲基化的中间水平被定义为亚型（subtype）（例如CIMP2,CIPM-low），它可以引起30%的CIMP病例。异常甲基化的第三种类型可以用编码波形蛋白（vimentin）基因的外显子1（exon1）来举例说明。尽管这个位点在正常的结肠粘膜或者结直肠癌中是不表达的，但是它在53~83%的结直肠癌病人中视被异常甲基化沉默的。（图3）肿瘤抑制基因的突变失活1.APCWnt信号通路的激活被认为是结直肠癌的起始事件。当致癌蛋白β-链蛋白（catenin）结合到核伴侣（T细胞因子-淋巴细胞增强子家族的成员）时，会导致下游调节细胞活化的转录因子被激活，wnt信号通路发生。（图2，表2）β-链蛋白的降解复合物通过蛋白质水解调控β-链蛋白的水平。APC便是这个降解复合物中的组分，它不仅能够降解β-链蛋白，也能够抑制它的核定位（nuclearlocalization）。在结直肠癌中最常见的突变就是APC的失活突变。当APC不发挥作用时，β-链蛋白在核内积累，使wnt通路持续激活。生殖细胞中APC的突变会引起家族性的腺瘤息肉病。APC基因突变的携带者在40岁时患结直肠癌的风险达到100%。在很多结直肠癌散发病例中存在APC的体细胞突变和缺失。在一小群野生型APC肿瘤病例中，β-链蛋白的突变使APC蛋白不能降解β-链蛋白，最终也导致wnt信号通路的激活。2.TP53由于TP53突变引起的p53通路的失活是导致结直肠癌的第二大关键步骤。在很多肿瘤中，TP53的两个等位基因都是失活的，这通常是通过错义突变—该突变会导致p53转录失活，和17号染色体短臂上第二个TP53等位基因的缺失来实现的。野生型p53介导了细胞周期（cellcyclearrest）和celldeathcheckpoint，它可以被很多细胞压力激活。TP53的失活经常与大腺瘤向侵袭性癌症的转化有关。在很多由于错配修复缺陷引起的结直肠癌中，TP53是野生型的，然而p53通路的活性是降低的，这可能跟BAX突变导致的程序性死亡有关。3.TGF-β肿瘤抑制通路TGF-β信号的突变失活是结直肠癌发展过程中的第三步。大约有三分之一的结直肠癌患者存在由于体细胞突变导致的TGFBR2的失活。在有错配修复缺陷的肿瘤中，TGFBR2的失活是该基因编码序列上多腺嘌呤重复的移码突变引起的。在至少一半的没有错配修复缺陷的结直肠癌中，TGF-β信号通路是被阻断的。这可以通过抑制影响TGFBR2激酶域的错义突变实现。但更普遍的是通过突变或者缺失使得TGF-β信号通路的下游组分SMAD4或者其转录因子伴侣SMAD2或SMAD3失活来使该信号通路被阻断。TGF-β信号通路的失活与腺瘤向高级发育异常或者癌症的发展相关。激活原癌通路（activationofoncogenepathways）1.RASandBRAF一些原癌基因在促进结直肠癌形成过程中发挥着重要作用。RAS和BRAF的突变会激活MAPK（mitogen-activatedproteinkinase）信号通路，这种情况在结直肠癌中分别以37%和13%的比例存在。RAS的突变，主要是在KRAS中，激活了GTPase，GTPase直接作用于RAF。BRAF的突变激活了BRAF丝氨酸-苏氨酸激酶，最终引起MAPK信号级联。BRAF的突变在小的息肉中也可以检测到。与RAS突变相比，它们在增生息肉，锯齿状腺瘤以及近端结肠癌中的突变是普遍存在的。2.PI3K-磷脂酰肌醇激酶（phosphatidylinositol3-kinase）三分之一的结直肠癌病人的PI3KCA处于体细胞激活状态。PI3KCA基因编码PI3K的催化亚基。以下基因的变化和PI3K的突变效果相似：PTEN的丢失，它是PI3K信号的抑制子；IRS2（胰岛素受体底物2）的扩增，它是PI3K信号通路的上游激活子；或者AKT和PAK4的扩增，它们是PI3K信号的下游中介子。结直肠癌基因组测序DNA测序技术取得的进展使得对人癌症的全编码基因组的测序成为可能。高通量测序NCBI参考序列数据库中的18，000个成员，发现癌症相关的体细胞突变基因848个。其中有140个基因被鉴定为癌症基因，并对癌症表型形成有作用。Ⅳ期的结直肠癌基因组中有15个突变的癌症基因和61个passengergene---指低频率的突变基因。低频率突变的优势表明在结直肠癌中大量的遗传异质性（指表现型一致的个体或同种疾病临床表现相同，但可能具有不同的基因型）。高程度的遗传异质性使确定一个单一突变事件的临床表现变得困难。结直肠癌基因组的高通量测序鉴定出了很多新的突变基因。它们包括ephrin受体EPHA3和EPHB6（酪氨酸蛋白激酶受体家族），这两个基因在20%的结直肠癌中都有突变。还有FBXW7，在调节cyclinE水平的蛋白质降解通路中起作用。在20%的结直肠癌中发现有FBXW7基因的突变。在高通量的测序中，我们面临的挑战是如何通过鉴定出一些可以作为突变事件的下游靶标的生物通路和过程，从而降低研究140个癌症基因的复杂性。染色体组变化和肿瘤演进（ge