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2.1癌症生物标志物的开发与应用

Oct 14, 2008 No Comments

2.1癌症生物标志物的开发与应用

三十年来,研究人员一直在寻觅一种有效且对机体无损伤的肿瘤检测方法。终于,在2003年,Cui等人宣称找到了一种理想的肿瘤检测方法[1]。他们开发了一种基于DNA的血液检测法来评估病人罹患结肠癌(CRC)的风险。Cui的这项研究成果受到肿瘤生物学界密切关注,因为该成果是肿瘤检测生物标志物应用及开发领域所取得的重大进展。Cui等人对172例结肠癌病人的组织切片及血液样本进行了研究,分析了这些样本中胰岛素样生长因子II(IGF2)基因的印记缺失(LOI, 见文后小词典)情况。

基因甲基化也可发生于生命晚期。Cui等人证明IGF2基因的印记缺失不仅与CRC家族病史相关,同时也证明与个人结肠腺癌和CRC病史相关[1]。LOI与家族性CRC之间的关联尤为引人注意,因为多达30%-50%的散发性CRC都具有家族病史,但这其中的遗传机制目前还不清楚。然而人们目前已经发现了症状明显但是十分罕见的遗传性CRC综合症-家族性结肠腺瘤性息肉病(familial adenomatous polyposis coli)及遗传性非息肉性结肠癌的分子发病机制。

研究人员在28%的具有CRC家族病史的病人体内发现了LOI,而这一数字在具有个人CRC病史的病人中更是高达56%。与之相反,正常人群中出现LOI的几率不到10%。如果LOI 真是CRC的发病因素之一,那么它与CRC之间的这种关联不仅能够推动基于血液的诊断性生物标志物的开发,同时也加深了我们对于散发性CRC的生物学认识。

LOI很可能通过甲基化这一表观遗传学现象而与肿瘤的发生相关联。DNA甲基化和DNA突变都能够影响遗传信息在DNA-RNA-功能蛋白质这条途径上的传输。DNA中的胞嘧啶发生甲基化会影响基因的表达。在许多情况下,甲基化会抑制转录过程[2](见图)。 

研究人员对甲基化调节这一复杂过程十分感兴趣,因为与DNA突变不同,甲基化过程具有化学可逆性,而且基因的甲基化可能是遗传所致或者由于外界环境所引起。

IGF2是一种重要的肿瘤生长因子,正常情况下,调节IGF2基因表达的DNA序列由于甲基化而被关闭。但是在LOI存在的情况下,这段DNA序列的甲基化状态发生了改变。在Cui领导的这项研究中,发现LOI可能由于遗传或其它原因在生命早期出现,因为他们在多份结肠癌组织切片及少量白细胞样本中都发现了这一表观遗传学现象。但若LOI出现于单集落细胞无性繁殖的生命晚期,则说明LOI可能是结肠组织采取的一种补救措施。

Cui等人开展的这项研究将非损伤性肿瘤检测方法研究又向前推进了一大步,但是该方法是否在临床上也同样有效还需要仔细考虑一下几个因素:

第一,    LOI并不能直接代表CRC,而只能提示一种患病趋势。

这种趋势性的间接判断指标单独或与其它标记联合在临床上还是可能有其用武之地,但前提条件是它们要有足够的灵敏度,而且阴性检测结果必须能确定受检者罹患CRC的风险很低,只有做到以上两点,我们才能省略传统的筛查步骤[3]。

鉴定出不需要进行活组织切片检查等传统筛查步骤的人群亚群,是开发肿瘤生物标志物的重要目标之一。开发其它类型的分子标记的目的并不在于检测一个人一生患腺瘤或CRC的风险和趋势,而是直接判断病人体内是否已经出现肿瘤组织。DNA突变就是这种标记之一,它能够在一定程度上反映正常结肠组织正在向腺瘤及最后CRC发展的进程[4]。病人的粪便[5,6]和血液都可以作为样品来检测肿瘤内的DNA突变。

基于蛋白质组学的检测方法主要检测肿瘤及与之相关的蛋白产物,从而鉴定一个人是否罹患肿瘤[7]。

目前生物标志物开发的主导方法有两种,但现在还不知道究竟哪一种方法的研究成果能够率先应用于临床实践。Cui采用的是一种基于假设的方法。在该方法中,首先假设IGF2分子与肿瘤发生相关,从而为研究提供了一个靶标。利用这种假说,便能够对可能的候选基因或蛋白逐个进行研究。

当然,很可能要整合多种标记才能取得研究最后的成功,因为单一标记无法提供足够的灵敏度和特异性[6]。

任何一种新型标记的研究首先都需要攻克技术难关[5]。因此通常来说,一步一步脚踏实地,在已有的肿瘤生物学知识之上进行研究才是比较合理和有希望取得成果的方式。

另一种称为“基于发现的研究”(discovery-based research)[8]的研究方法也开始逐渐流行起来,这首先要归功于高通量技术的发展,因为该技术能让研究人员同时对成千上万的基因或蛋白进行分析。基于发现的研究方法不需要事先找到一个靶标。例如,在RNA表达芯片技术的帮助下研究人员可以同时对大部分的基因组进行筛查,从而预测肿瘤患者的预后[9]。或者研究人员还可以利用质谱技术筛查病人血清全蛋白质组,以判定该患者是否罹患肿瘤[7]。利用新方法我们得到了复杂的基因表达模式或质谱分析曲线,这些信息可以帮助我们找出一些能够被传统方法用来检测的基因或蛋白质[10]。

与旧方法不同,新的生物标志物研究方法所得到的基因或蛋白质表达模式本身就可以成为一种检测手段,例如“特异性表达谱”[9]或经过计算分析的蛋白质组模式[7],同时我们并不需要准确知道究竟是哪些基因或蛋白构成了这些模式。这种研究可能最终能为我们提供大量有用的结果,但这些结果首先必须通过严格的验证,以避免产生一些所不期望发生的结果[11]。

与30年前相比,今天的生物标志物研究领域更加生机勃勃,因为研究人员在肿瘤分子生物学领域取得的进步为生物标志物研究提供了大量潜在靶标。此外,实验技术的突破,例如PCR、芯片技术和质谱技术也大大推动了生物标志物研究的进展,因为只有在这些技术的帮助下,研究人员才能高通量地筛查靶标。

然而,采用这些新方法得到的数据是如此复杂,这既令人灰心丧气又令人着迷,它们就像一堆无论从整体看还是从细节分析都一样复杂的不规则碎片。这是因为,虽然人们能够观察到越来越多的微小现象,但这并不意味着人们对于这些微小现象的理解会随之自动深入和增加。生物标志物的研究之路还很长,人们需要更多的想象力,更严格的证实手段,当然,还需要一点运气[12]。

原文检索:www.nature.com

知易行难/编译

小词典:

LOI(loss of imprinting):是指基因在胚胎发育时期就通过甲基化作用发生沉默的一种表观遗传学现象。由于印记基因是父源或母源单等位基因表达,基因表达产物量在影响该基因功能方面有重要意义。印记基因引起疾病主要表现在两个方面,一是印记等位基因的再活化,即印记丢失(LOI);二是印记基因的另一拷贝等位基因异常造成该基因失活,而非印记基因是两等位基因同时失活引起疾病。

补充阅读:

基因印记:高等动物的基因组为两倍体,受精卵从双亲中各继承了一套基因组。每一个常染色体均为双拷贝,父源和母源常染色体基因都能有均等的机会表达或受到抑制,这是孟德尔遗传定律的基本要素。上世纪90年代开始,发现了不符合这个定律的遗传现象。某些基因呈单等位基因表达,即父源与母源的基因拷贝不能同时表达,并且,父源或母源等位基因通过某种特异的基因修饰机制,特异性地抑制另一母源或父源染色体等位基因表达。例如:胰岛素样生长因子2基因(insulin-like growth factor 2, IGF2)只表达源自父亲的等位基因,母源等位基因被抑制。相反的例子,胰岛素样生长因子2受体基因(insulin-like growth factor 2 receptor, IGF2R)为源自父亲的等位基因不表达,只表达母源等位基因。这种现象可能是在父母受精卵形成过程中,特异性地对源自父亲或源自母亲的等位基因做一印记使其只表达父源或母源等位基因。这种现象被称作基因印记(gene imprinting)或基因组印记(genomic imprinting)。基因印记的机制现在还不完全了解,从到目前为止的研究成果看,与DNA的甲基化、染色质构造的改变、DNA复制时机的变化以及和非编码RNA的调节作用有关。目前,关于基因印记的研究已成为分子遗传学的一个重要领域。

参考文献:

H. Cui et al., Science 299, 1753 (2003).

M.Verma, S. Srivastava, Lancet Oncol. 3, 755 (2002).

C. A. Lang, D. F. Ransohoff, in Prevention and Early Detection of Colorectal Cancer: Principles and Practice, G. Young, B. Levin, P. Rozen, Eds. (Saunders, London, 1996), pp. 155–170.

B.Vogelstein et al., N. Engl. J. Med. 319, 525 (1988).

G. Traverso et al., N. Engl. J. Med. 346, 311 (2002).

D.A.Ahlquist et al., Gastroenterology 119, 1219 (2000).

E. F. Petricoin et al., Lancet 359, 572 (2002).

R. L. Stears et al., Nature Med. 9, 140 (2003).

M. J. van de Vijver et al., N. Engl. J. Med. 347, 1999 (2002).

S. Markowitz et al., Int. J. Biol. Markers 17, S43 (2002).

R. Simon et al., J. Natl. Cancer Inst. 95, 14 (2003).

D. F. Ransohoff, J. Clin. Epidemiol. 55, 1178 (2002).

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