揭開白血病的遺傳學(xué)秘密.doc

揭開白血病的遺傳學(xué)秘密陳軼翔/編譯彼得諾維爾(左)和大衛(wèi)亨格福德發(fā)現(xiàn)了費(fèi)城染色體（ph染色體）能夠快速進(jìn)行DNA（脫氧核糖核酸）測序的技術(shù)深刻地揭示了，無論是白血病患者自身，還是各個(gè)白血病患者之間，都存在著遺傳基因的多樣性。1959年，美國費(fèi)城追狐癌癥治療中心的大衛(wèi)亨格福德（DavidHungerford）和美國賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的彼得諾維爾（PeterNowell），在顯微鏡下觀察取自兩位慢性粒細(xì)胞白血病(CML)患者的血細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)其存在著驚人的異常狀況：這些血細(xì)胞中的22號(hào)染色體有很大一部分缺失。這是人們首次關(guān)注白血病與遺傳基因的關(guān)系，實(shí)際上這是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的與癌癥相關(guān)的遺傳基因異?！，F(xiàn)證實(shí)，95%的慢性粒細(xì)胞白血病(CML)患者的血細(xì)胞中均存在粗短的費(fèi)城染色體（因首先在美國費(fèi)城發(fā)現(xiàn)而得名）。當(dāng)部分9號(hào)染色體和22號(hào)染色體發(fā)生易位時(shí)，就形成了費(fèi)城染色體。該易位使得BCR和ABL兩種基因匯聚融合，形成一個(gè)異常的實(shí)體，被稱為一個(gè)融合基因，使細(xì)胞變?yōu)閻盒缘?。盡管這種融合基因很早就已被識(shí)別，然而單基因變化如何就會(huì)導(dǎo)致白血病，人們對這一問題的了解進(jìn)度緩慢?！昂芫靡郧埃覀兙鸵呀?jīng)了解這些染色體的變化，但除此之外，我們知之甚少?！眰惗匕┌Y研究所從事兒童白血病研究的梅爾格里夫斯（MelGreaves）說。但在過去10年左右的時(shí)間里，上述狀況開始有所改觀，快速DNA測序技術(shù)，向我們傳達(dá)了大量的關(guān)于各種類白血病基因變異方面的信息。這些基因的鑒別，有助于研發(fā)新的治療白血病和其他癌癥的方法。研究表明，慢性粒細(xì)胞白血病與單個(gè)基因變異之間的直接關(guān)系，是一種異?，F(xiàn)象。大多數(shù)類型的白血病都是由一組基因變異而引起的，無論是白血病患者自身，還是各個(gè)白血病患者之間，基因變異都存在著很大的差異?？偟膩碚f，有數(shù)百個(gè)基因，包括幾十個(gè)融合基因，牽涉到不同種類的白血病。但個(gè)體病例只是涉及到少數(shù)可能的基因變異。這與實(shí)體瘤形成了鮮明對比，例如，乳腺癌或結(jié)腸癌，在個(gè)體病例中，通常會(huì)有幾十個(gè)基因變異。實(shí)體瘤病例也顯示出，基因組不穩(wěn)定性是普遍存在的，有DNA的復(fù)制、缺失或是大量的互換，而這些在白血病的病例中則是罕見的。每個(gè)腫瘤的基因變異數(shù)量相對較小，或許可以解釋，為什么某些類型的白血病很容易就能治愈。比如，大約95%的被診斷為慢性粒細(xì)胞性白血病的患者，由于服用專門對抗BCRABL融合蛋白的藥物，5年后仍然活著。基因的變異9號(hào)染色體（正中）的一部分與22號(hào)染色體的易位，產(chǎn)生了費(fèi)城染色體根據(jù)引發(fā)白血病的血細(xì)胞前體的類型，白血病可以分為淋巴細(xì)胞白血病和粒細(xì)胞白血病兩種。根據(jù)發(fā)病的急緩，上述兩種白血病又有急性、慢性之分。每一類型的疾病，所牽涉到的基因列表都是不同的，但是彼此之間存在大量的重疊部分。例如，慢性粒細(xì)胞性白血病中的費(fèi)城染色體所具有的特征，也同樣存在于5%的患有急性淋巴細(xì)胞白血?。碅LL，最為常見的兒童期癌癥）的兒童病例中。大約有25%的急性淋巴細(xì)胞白血病患兒，都存在著不同的染色體易位，從而導(dǎo)致了ETV6和RUNX1兩種基因的融合。RUNX1的變異在急性髓系白血病例(AML)中也很常見，該病患者主要為老年人，發(fā)病速度很快。為了找出導(dǎo)致疾病的基因變異，研究人員努力尋找那些經(jīng)常出現(xiàn)的、或是存在于很多患者病例中的基因變異。蒂莫西萊伊（TimothyLey）是來自密蘇里州圣路易斯市華盛頓大學(xué)的一位癌癥遺傳學(xué)家，他所領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)迄今為止規(guī)模最大的白血病基因測序研究，分析了取自于200例急性髓系白血病患者的細(xì)胞。萊伊和他的同事們對其中150例患者的細(xì)胞的外顯子組（即基因組的蛋白質(zhì)編碼部分）進(jìn)行了解碼測序，同時(shí)對其余50例患者的全部基因組進(jìn)行完整測序。他們發(fā)現(xiàn)了非常有價(jià)值的信息。在被研究的急性髓系白血病例中，99.5%的患者至少有一種基因類別（共9種）發(fā)生了變異，包括腫瘤抑制基因，神經(jīng)信號(hào)基因和那些調(diào)節(jié)控制髓細(xì)胞發(fā)展的基因，而正是髓細(xì)胞的發(fā)展會(huì)導(dǎo)致癌癥的出現(xiàn)。萊伊透露說，“幾乎對于每一位病人，我們都已經(jīng)能夠確定其發(fā)生變異的基因組，或是其變異的途徑?！敝档米⒁獾氖?，他們發(fā)現(xiàn)，3/4的急性髓系白血病患者，其牽涉到表現(xiàn)遺傳學(xué)的基因都發(fā)生了變異，表現(xiàn)遺傳學(xué)是指在不改變基因序列的前提下對DNA進(jìn)行化學(xué)修飾，影響DNA的作用功能。位于紐約，紀(jì)念斯隆-凱特琳癌癥中心的腫瘤學(xué)家羅爾思萊文（RossLevine）認(rèn)為，表現(xiàn)遺傳學(xué)的化學(xué)修飾作用在白血病治療中的重要性，已經(jīng)成為擺脫測序研究的、最令人驚異的深刻見解之一。他說，“那些基因在3年或5年前，沒有人會(huì)特別關(guān)注的；但是現(xiàn)在它們會(huì)經(jīng)常性地反復(fù)出現(xiàn)?！卑籽』颊唧w內(nèi)另一類常見的變異基因，涉及到各種類型血細(xì)胞的發(fā)育與分化。根據(jù)引發(fā)急性淋巴細(xì)胞白血病的血細(xì)胞前體類型的不同（B或T是兩種主要的淋巴細(xì)胞），出現(xiàn)變異的基因亦有所不同。B細(xì)胞路徑出現(xiàn)在急性淋巴細(xì)胞白血病兒童病例中的比率為85%到90%，出現(xiàn)在成年人病例中的比率為75%。通常牽涉到基因的變異，例如PAX5或IKZF1，這兩種基因控制著B細(xì)胞的發(fā)育。另一方面，由T細(xì)胞的變異所引發(fā)的病例，一般牽涉到以神經(jīng)信號(hào)為途徑的基因，被稱作是Notch，在T細(xì)胞發(fā)育中起到重要的作用。白血病的復(fù)發(fā)在4種主要類型的白血病中，發(fā)生變異的基因構(gòu)成最為分散的是慢性淋巴細(xì)胞白血病。測序研究表明，慢性淋巴細(xì)胞白血病可能牽涉到大量的基因，每一種變異基因出現(xiàn)在病例中的比率都很小。例如，以Notch為途徑的基因變異，被稱作是NOTCH1，在慢性淋巴細(xì)胞白血病例中出現(xiàn)的比率為12%，POT1的基因變異出現(xiàn)的比率為3.5%（POT1的基因變異在急性淋巴細(xì)胞白血病例中出現(xiàn)的比率為9%）。POT1基因在端粒與DNA綁定，而端粒位于染色體的末端，作用是保護(hù)染色體不被損害。很久以來一直認(rèn)為端粒和癌癥是有關(guān)聯(lián)的，但據(jù)自然遺傳學(xué)雜志于2013年3月的報(bào)道，此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是首個(gè)實(shí)例，展示了一種受到端粒保護(hù)的蛋白質(zhì)，與癌癥是有牽涉的。將白血病中可能出現(xiàn)變異的基因進(jìn)行匯集羅列，這僅僅是了解其基因特征的開始。即使在一個(gè)腫瘤內(nèi)部，都存在巨大的可變性，細(xì)胞亞群往往帶有不同的變異集合?！懊恳晃换颊唧w內(nèi)，都會(huì)發(fā)現(xiàn)癌癥的這種進(jìn)化樹，”梅爾格里夫斯說,“僅僅羅列出發(fā)生變異的基因是不夠的，因?yàn)樗鼈兲幱谶M(jìn)化樹的不同分支上，彼此隔離?！蹦軌蜃C明上述觀點(diǎn)的一個(gè)證據(jù)就是，研究發(fā)現(xiàn)，白血病在被治愈之后有可能復(fù)發(fā)，從基因遺傳角度來看，復(fù)發(fā)的白血病與被治愈前的白血病是不同的。格里夫斯和他的同事利用熒光探針分析5位急性淋巴細(xì)胞白血病患者所出現(xiàn)的基因變異，來研究復(fù)發(fā)的白血病。當(dāng)他們分析復(fù)發(fā)白血病病例時(shí)發(fā)現(xiàn)，最初樣本中的某些腫瘤變異已經(jīng)被其他變異所替代。蒂莫西萊伊的研究團(tuán)隊(duì)利用完整基因組測序，對8位急性髓系白血病患者的診斷和復(fù)發(fā)進(jìn)行了白血病細(xì)胞的DNA對比，發(fā)現(xiàn)急性髓系白血病的復(fù)發(fā)也有上述類似情況出現(xiàn)。變異基因的這種不穩(wěn)定性對于白血病的治療意義重大。針對某一組變異基因的藥物可以消除部分白血病細(xì)胞，但隨后其他細(xì)胞亞群就會(huì)擴(kuò)展并取代被消除的白血病細(xì)胞的位置?！拔艺J(rèn)為，這就可以解釋為什么很多靶向治療最終會(huì)失敗?！钡倌魅R伊說。格里夫斯認(rèn)為，這個(gè)過程就好比是在修剪灌木：削去一個(gè)大的分支只會(huì)刺激其他分支的生長?！拔覀兠媾R的挑戰(zhàn)就是要除去全部有害的生長，并使它永遠(yuǎn)不再復(fù)發(fā)，”他說，“所以我們需要從根基上去切除它?！睆呐R床角度說，這就意味著，治療需要針對的并不是診斷時(shí)發(fā)現(xiàn)的大量繁殖的腫瘤細(xì)胞，而是要針對最初發(fā)生基因變異的細(xì)胞，因?yàn)槟切┳儺悓?huì)出現(xiàn)在整個(gè)腫瘤中。而科學(xué)家們必須解決的問題就是，如何確定這些最初的基因變異。遺傳基因變異性也是基于這樣一個(gè)事實(shí)就像任何一種癌癥一樣，白血病也包括兩個(gè)基因組：一個(gè)是宿主基因組，代表遺傳的基因組；另一個(gè)是腫瘤基因組，包含癌變過程中所出現(xiàn)的變異基因。而大多數(shù)關(guān)于白血病的基因研究，都是主要關(guān)注腫瘤基因組。小兒白血病中的腫瘤基因組很早就已發(fā)生變異，甚至可能在出生之前。胎兒發(fā)育期間，淋巴細(xì)胞前體在肝臟內(nèi)迅速擴(kuò)張，其中之一可能會(huì)產(chǎn)生易位或是發(fā)生變異，使其開始變成惡性腫瘤。例如，與急性淋巴細(xì)胞白血病相關(guān)的ETV6和RUNX1的易位，被發(fā)現(xiàn)存在于新生兒的血液中。出生之后，血液干細(xì)胞的分裂速度要慢很多，平均大約一個(gè)月一次，因此一個(gè)細(xì)胞大概需要數(shù)十年的時(shí)間才能獲得必要的變異組合使其轉(zhuǎn)化為惡性。這就能夠解釋，為什么其他類型的白血病，例如急性髓系白血病，主要患病群體為老年人?！斑@種病確實(shí)有隨機(jī)性，且主要針對老年群體?！钡倌魅R伊說。遺傳性風(fēng)險(xiǎn)盡管基因變異對于引發(fā)白血病的重要性不言而喻，一些研究人員還是比較傾向于關(guān)注遺傳性風(fēng)險(xiǎn)。“我們花費(fèi)了大量時(shí)間研究腫瘤基因組中的變異，但對于宿主基因組我們還沒有足夠的關(guān)注。”美國田納西州孟菲斯市，圣裘德兒童研究醫(yī)院的一位藥劑學(xué)家楊軍說。楊軍正在嘗試著恢復(fù)一種平衡。據(jù)發(fā)布于2013年3月的報(bào)道，楊軍的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)迄今為止規(guī)模最大的關(guān)于遺傳性風(fēng)險(xiǎn)基因的研究，他們對2450名急性淋巴細(xì)胞白血病患兒童進(jìn)行了基因組掃描，同時(shí)進(jìn)行10977項(xiàng)對照實(shí)驗(yàn)。他們所識(shí)別確定的4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)基因中的3個(gè)IKZF1、CEBPE和CDKN2A/2B，其對白血病和血細(xì)胞發(fā)育的影響是已知的。而他們確定的第4個(gè)基因ARID5B，在白血病腫瘤基因組研究中從未被識(shí)別確定，有初步證據(jù)顯示該基因可能牽涉到淋巴細(xì)胞的分化。研究中所確定的，與急性淋巴細(xì)胞白血病相關(guān)的基因變異是普遍存在的：20%以上的人是上述某些變異基因的攜帶者，其中大多數(shù)人并沒有患上白血病。然而，如果存在哪怕僅僅一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)的變異體，那么染上急性淋巴細(xì)胞白血病的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)增加一倍；如果攜帶6個(gè)或以上的變異體，就會(huì)使患病風(fēng)險(xiǎn)增加9倍。還有另一種方法來研究宿主基因組的影響作用，即研究那些幾個(gè)家族成員患上同一類型白血病的情況。這種家族是比較罕見的：例如，家族性急性髓系白血病僅占該類白血病全部病例的1%。然而，美國西雅圖市華盛頓大學(xué)的遺傳學(xué)家馬歇爾霍維茨（MarshallHorwitz）認(rèn)為，若能解決家族性白血病的遺傳基因問題，就可以有力地證明一個(gè)既定基因在癌癥發(fā)展過程中的重要性?；艟S茨和同事曾研究過名為GATA2的基因變異與家族性急性髓系白血病之間的關(guān)系。另有其他研究人員已經(jīng)確定家族性急性髓系白血病與RUNX1和CEBPA基因變異的關(guān)系。GATA2、RUNX1和CEBPA這三種基因，總共占據(jù)了家族性急性髓系白血病的一半。其他類型家族性白血病的基因秘密也開始逐步被揭開：霍維茨透露自己與合作者現(xiàn)有尚未公開發(fā)布的數(shù)據(jù)，可以確定首個(gè)牽涉到家族性急性淋巴細(xì)胞白血病的基因。多種變異然而要想了解白血病的遺傳基因，單單確定可能發(fā)生哪些個(gè)體變異是不夠的。我們還需要了解，多種變異是如何共同作用而引發(fā)癌癥的。這一過程可以在小鼠實(shí)驗(yàn)中得到一步步的探究。英國辛克斯頓，維康信托基金會(huì)桑格研究所血液學(xué)和癌癥遺傳學(xué)家喬治瓦西里歐（GeorgeVassiliou）和同事們通過實(shí)驗(yàn)使小鼠的NPM1基因產(chǎn)生缺陷，該基因在35%的急性髓系白血病患者中均發(fā)生了變異。上述NPM1基因產(chǎn)生缺陷的實(shí)驗(yàn)小鼠有1/3后來都患上了急性髓系白血病。但當(dāng)瓦西里歐的研究團(tuán)隊(duì)使小鼠的血細(xì)胞前體誘發(fā)了額外的基因變異時(shí)，“你會(huì)發(fā)現(xiàn)這大大加快了小鼠患上白血病的進(jìn)程?！蓖呶骼餁W透露說。如果使變異小鼠與攜帶FLT3基因復(fù)制的小鼠進(jìn)行雜交繁殖，也會(huì)出現(xiàn)同樣的情況。這兩種基因的改變在急性髓系白血病例中是最為常見的?！皟煞N孤立存在的基因變異能產(chǎn)生的影響是非常有限的，不會(huì)引起突然的大變化，”瓦西里歐說，“但如果你設(shè)法將這兩者放在一起，作用就截然不同了，小鼠會(huì)很快就患上白血病?！毖芯咳藛T觀察到，人類白血病例中有著同時(shí)存在的基因變異的模式。例如，基因ETV6與RUNX1的易位，基因PAX5的缺失，兩者一般同時(shí)存在于急性淋巴細(xì)胞白血病例的B細(xì)胞中。由于這些模式會(huì)影響到患者的預(yù)后和對特殊治療的響應(yīng)，研究人員開始以基因檔案，而不僅僅是細(xì)胞外觀為基礎(chǔ)對白血病進(jìn)行分類?！?0年前，我們只是將兒童白血病分為5或6種亞型，而10年后，現(xiàn)今已經(jīng)有了11或12種亞型，其中每一種都有一組不同的基因變化?！泵绹锛{西州孟菲斯市圣裘德兒童研究醫(yī)院，研究兒童白血病基因組的查爾斯馬利根（CharlesMullighan）說。相比之下，其他變異似乎是相互排斥的。例如，急性髓系白血病中的RUNX1基因通常會(huì)發(fā)生變異；但是如果急性髓系白血病例中出現(xiàn)了一種名為16倒位的易位，那么RUNX1基因就絕對不會(huì)發(fā)生變異了。這是因?yàn)椋?6倒位會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一種名為CBFBMYH1的融合基因，該基因迫使RUNX1在細(xì)胞轉(zhuǎn)化為惡性方面發(fā)揮作用，美國馬里蘭州貝塞斯達(dá)國家人類基因研究所分子生物學(xué)家劉浦波（于1993年首次對該融合基因進(jìn)行了描述）如是說。劉浦波正在嘗試?yán)迷擁?xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，針對這種急性髓系白血病亞型，研發(fā)一種新療法。他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種化合物，將其作用在實(shí)驗(yàn)小鼠身上，可以擾亂融合蛋白和RUNX1基因之間的交互作用，從而延緩白血病的引發(fā)。他希望能夠很快開始進(jìn)行該藥物的人體試驗(yàn)。羅爾思萊文（RossLevine）的實(shí)驗(yàn)室正在調(diào)查研究與不良預(yù)后相關(guān)的基因變異群，他也認(rèn)為，弄清白血病變異基因的結(jié)合方式是很有發(fā)展前景的?！跋Ｍ覀儾皇窃谘芯恳环N基因，而是在研究一種基因型，”他說，“這可以使我們更好的了解白血病的模式，也可以更深入的了解引發(fā)白血病的整個(gè)過程?！辟Y料來源：Nature責(zé)任編輯：彥隱探尋白血病線索引發(fā)白血病的基因與引起另一組疾