基因突變與癌癥：種誰的因，結(jié)誰的果,？

songsfj 2017-05-17

展開全文

在上一篇關(guān)于癌癥與基因突變的文章《為什么說癌癥是基因突變引起的,？》中，我們主要從科學發(fā)展史的角度,，粗略梳理了一下經(jīng)過幾千年的科學發(fā)展和進步,，人類對癌癥認識的變化，最后落腳到現(xiàn)代生物醫(yī)學對癌癥的認識上：癌癥,，歸根結(jié)底,，是由基因突變引起的。而由于篇幅所限,，文章并沒有圍繞這個問題本身做更加深入和全面的討論,，從而使這個結(jié)論下的略顯倉促而籠統(tǒng)，更有一些讀者朋友在與筆者的私下交流中,，對這個結(jié)論本身提出了一些異議：基因突變并非癌癥發(fā)生的“因”,，而是“果”。今天,，我們就針對這個看起來類似“雞生蛋,，還是蛋生雞”的問題與讀者作進一步的討論。

撰文木東

編輯李娟

在筆者開始學習癌癥生物學之前,，作為癌癥研究領(lǐng)域的理論基礎(chǔ),，“癌癥由基因突變引起”這個結(jié)論，早已作為被生物醫(yī)學科學界廣泛接受的主流觀點,，寫進教科書,；而且,，這個觀點與筆者已有的其他生物學知識也十分契合，也就沒有產(chǎn)生對此提出異議的想法,。然而這顯然不符合“賽先生”的科學質(zhì)疑精神,；歷史也多次證明，如果這樣的做法上升到整個科學界的層面,，有時還會嚴重阻礙科學的發(fā)展和進步,。因此，有必要嘗試對癌癥和基因突變兩者的因果關(guān)系做更全面和系統(tǒng)的梳理,。

在正式討論癌癥和基因突變之前,，我們有必要先稍微研究一下什么是“因果關(guān)系”。對因果關(guān)系,，哲學家已經(jīng)討論了幾千年,，今天仍是現(xiàn)代哲學的重要課題——要享受形而上的思維樂趣固然很好，但面對生物醫(yī)學這樣的實驗科學問題,，我們最好避免深陷其中,，否則就是自找麻煩，問題恐怕會永遠得不到解決——要討論癌癥和基因突變的因果關(guān)系問題,，我們只需要一點“樸素”的認識就夠了,。

維基百科對因果關(guān)系是這樣描述的：因果關(guān)系是一個事件（即“因”）和第二個事件（即“果”）之間的關(guān)系，其中第一個事件對第二個事件的發(fā)生負有責任（至少是部分責任）,，而第二個事件的發(fā)生依賴第一個事件的發(fā)生,。一般來講，一個事件的發(fā)生有很多原因,，都屬于誘發(fā)該事件發(fā)生的因素,，而它們在事件發(fā)生之前已經(jīng)出現(xiàn)?！保ā癈ausality is the agency or efficacy that connects one process (the cause) with another process or state (the effect), where the first is understood to be partly responsible for the second, and the second is dependent on the first. In general, a process has many causes, which are said to becausal factors for it, and all lie in its past.”）^[1]

從對因果關(guān)系的簡單闡述,，我們可以看到，要想得出“基因突變”是“癌癥發(fā)生”的“因”而非“果”的結(jié)論,，至少要弄清以下幾個問題：1）癌癥發(fā)生是否總會伴隨基因突變,？ 2）基因突變在癌癥發(fā)生之前是否已經(jīng)存在？3）誘導基因突變,，能否引起或促進癌癥發(fā)生,？接下來，我們嘗試就此作進一步的討論,。

一、癌癥發(fā)生是否總會伴隨基因突變,？

隨著分子生物學技術(shù),，特別是DNA測序技術(shù)的進步,，生物信息學的發(fā)展以及癌基因組計劃的推進，我們對癌細胞基因組的認識不斷全面,、細化和深入,，也在不斷修正對“癌癥發(fā)生是否總會伴有基因突變”這一問題的認識。對癌癥基因突變理論的質(zhì)疑,，其中某些很重要的依據(jù),，或者是來源于以前存在局限的研究結(jié)果，或者是對這些研究的錯誤理解和解讀,。

例如,，基因突變理論的反對者經(jīng)常提到，只有30%的腫瘤細胞能檢測到常見的致癌基因突變,，而有些腫瘤中根本沒有發(fā)現(xiàn)任何基因變異,。這些結(jié)論的根據(jù)是發(fā)表于2007年的一項大規(guī)模（大約1000例腫瘤組織樣本）癌基因測序分析^[2,3]。在這項研究當中,，研究人員分析了17個已知的重要癌基因,，發(fā)現(xiàn)有大約30%的腫瘤樣品中含有至少這17個突變癌基因的一個。

首先,，該研究僅僅關(guān)注了已知的一些重要癌基因突變,，對其他基因未能進行深入的分析。其次,，限于測序技術(shù)和分析手段,，迄今為止大部分針對癌細胞基因組的研究，僅局限于編碼區(qū),，而占整個基因組98.5%的非編碼區(qū),，在染色體高級結(jié)構(gòu)的形成以及基因表達調(diào)控過程中，發(fā)揮至關(guān)重要的作用 ^[4],。（圖1）

圖1. 人類基因組組成,，蛋白編碼區(qū)DNA僅占1-2%。（圖片來源：http:///slide/5771877/）

發(fā)生在編碼區(qū)的突變可以產(chǎn)生變異蛋白,，而非編碼調(diào)控區(qū)的DNA突變,，雖然不能改變基因表達的產(chǎn)物，卻能夠使基因表達失去控制,，同樣誘發(fā)癌癥,。例如，最近在T細胞急性白血病方面的研究發(fā)現(xiàn),，在轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域的幾個DNA堿基的缺失或插入,，甚至單個堿基的突變，就能夠使癌細胞高表達原本不表達的癌基因TAL1,，LMO1或者LMO2 ^[5,6,7],。隨著對基因組認識的深入,，會有越來越多非編碼區(qū)DNA突變的功能得到解析。事實上,，隨著癌基因測序結(jié)果的積累,，每個癌細胞都含有大量的基因突變，已經(jīng)是一個不爭的科學事實,。

二,、基因突變在癌癥發(fā)生之前是否已經(jīng)存在？

2015年,，發(fā)表在Science上的一項研究,，分析了人皮膚上皮細胞的基因組，著重研究了74個已知癌基因的突變情況^[8],。研究結(jié)果表明,，正常上皮細胞的基因組中，大約每1百萬DNA堿基,，平均有2到6個堿基發(fā)生突變,，而且其突變模式顯示大部分突變是由于長期紫外線照射引起。更重要的是,，一些含有某些已知癌基因突變的“正?！奔毎c其它細胞相比,，已經(jīng)或多或少具有了生存和分裂的競爭優(yōu)勢,。比如，具有NOTCH1突變的皮膚細胞克隆所獲得的競爭優(yōu)勢使它們得以開疆擴土,，擴增到占到細胞總數(shù)的20%,。而具有其他癌基因突變或者突變組合的細胞，也在不同程度上得到擴增,。

之前針對白血病的一系列研究也發(fā)現(xiàn),，正常造血細胞基因組中同樣積累了某些已知的與白血病有關(guān)的癌基因突變，并發(fā)生某些細胞克隆不同程度的擴增現(xiàn)象^[9-12],。可以說,，機體組織環(huán)境中的這類“正常”細胞克隆,，已經(jīng)開始相互角逐,，其生長優(yōu)勢超過其他細胞。它們摩拳擦掌,，吹響癌變的號角,，等待著最終沖破囹圄、修煉成“癌”的“機會”——或者是其他關(guān)鍵基因的突變，或者是機體免疫力的下降,，或者是生存微環(huán)境的某些改變（圖2）,。

圖2. 從正常細胞基因突變到癌細胞的轉(zhuǎn)移（圖片來源：Genetics Home Reference-NIH）

另一個廣為人知的例子恐怕要數(shù)BRCA1/2的基因突變,。家族性BRCA1/2突變攜帶者患乳腺癌或卵巢癌的幾率高至60％以上^[13,14,15],。

通過以上的分析，我們可以清晰地看到,，基因突變確實在癌癥發(fā)生之前已經(jīng)發(fā)生,。由于癌癥的復雜性，癌變不僅僅是含有突變基因的細胞克隆的個體行為,，也與其所處環(huán)境有關(guān),。因此，基因突變雖然不是癌癥發(fā)生的充分條件,，但癌癥發(fā)生依賴基因突變的積累,。

當然，在癌細胞里檢測到的突變絕非都發(fā)生在癌變之前,。事實上,，由于分裂迅速、DNA損傷修復機制異常等原因,，癌細胞的基因組變得更加不穩(wěn)定,，DNA突變更容易發(fā)生。正因如此,，患者體內(nèi)的癌細胞進入更加快速的進化之中,，每個癌細胞各自積累不同的新突變，變得各不相同,。這也是癌癥難治,、復發(fā)的一個重要原因——大量不同的癌細胞中，總可能有一個在進化中獲得了抵抗現(xiàn)有治療手段的能力,，存活了下來,。然而，這改變不了正常細胞癌變需要最初的基因突變積累的事實,。

三,、誘導基因突變，能否引起或促進癌癥的發(fā)生,？

在這三個問題當中,，這個問題至關(guān)重要。在《為什么說癌癥是基因突變引起的,？》中,，筆者曾提到致癌物質(zhì)的致癌性與引起基因突變的能力之間的聯(lián)系：誘發(fā)基因突變能力越強的化學物質(zhì)，其誘發(fā)癌癥的能力也越強。另外,，大量癌癥相關(guān)的家族遺傳病學研究發(fā)現(xiàn),，某些基因突變，比如BRCA1/2對于卵巢癌和乳腺癌,，以及NF1對于兒童成神經(jīng)細胞瘤（Neuroblastoma）,，能夠極大增加突變基因攜帶者患癌的幾率。這些可以看作支持“誘導基因突變能夠引起癌癥發(fā)生”在流行病學和統(tǒng)計學上的間接證據(jù),。

除此以外,，借助基因工程，特別是基因編輯技術(shù),，已有大量動物實驗結(jié)果表明基因突變能夠引起并促進癌癥發(fā)生,。比如，通過基因編輯技術(shù),，在斑馬魚的造血細胞中高表達人類白血病關(guān)鍵癌基因MYC,，能夠使幾乎100％的斑馬魚患上T細胞急性白血病^[16]；而在相應神經(jīng)細胞中過表達兒童成神經(jīng)細胞瘤關(guān)鍵癌基因MYCN ^[17],，或者敲除關(guān)鍵的抑癌基因NF1 ^[18],，也能夠誘發(fā)神經(jīng)細胞瘤。

同樣,，以較低等的果蠅,，或更高等的哺乳動物、與人類基因組有高度同源性的小鼠作為模式生物,，也得出更多類似的結(jié)果,，不勝枚舉。也正因如此,，科學家得已建立起模擬人類不同癌癥的各種動物模型（圖3）,，一方面進行癌癥基礎(chǔ)醫(yī)學研究，探索癌變機理,，另一方面用來研發(fā)癌癥治療藥物,。

圖3. 模式生物：小鼠、斑馬魚和果蠅（圖片來源：Genetic Science Learning Center, University of Utah）

四,、一點補充：關(guān)于表觀遺傳學

近幾年來,，隨著表觀遺傳學（表觀遺傳學這個名詞，現(xiàn)在的內(nèi)涵與早先經(jīng)典遺傳學時期的內(nèi)涵有很大不同,，變得更寬泛,，這里不做進一步討論）越來越引起癌癥研究領(lǐng)域的重視，癌癥基因突變理論的反對者更以此作為立論依據(jù),，認為表觀遺傳的變化同樣能夠誘發(fā)癌癥,。

毫無疑問，表觀修飾在基因表達的調(diào)控中起著重要作用。很多表觀遺傳蛋白因子的小分子抑制劑在癌癥治療方面展現(xiàn)出了令人鼓舞的前景^［19],。癌細胞與正常細胞相比,，其表觀修飾確實發(fā)生了很大的變化。然而,，造成癌細胞表觀修飾異常的原因,，很大程度上仍然是基因突變。由基因突變所引發(fā)的細胞信號通路網(wǎng)絡(luò)的變化,，通過轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控,，自然能夠引起表觀修飾的異常；更重要的,，在許多癌癥當中，參與DNA和組蛋白修飾的表觀遺傳調(diào)控蛋白也出現(xiàn)了基因突變,。

例如,，超過20%的癌癥中都存在SWI/SNF染色質(zhì)重塑復合物（SWI/SNF chromatin-remodeling complex）突變，而它僅僅是細胞中存在的100多種染色質(zhì)重塑復合物之一^[20],。另外,，DNA甲基化修飾因子TET2和DNMT3a的突變，在白血病發(fā)病過程中發(fā)揮重要作用^[21],。除此以外,，某些基因，如異檸檬酸脫氫酶（IDH）的突變,，導致代謝產(chǎn)物的異常積累,，或者改變某些重要細胞信號通路的調(diào)控，從而間接影響癌細胞表觀遺傳修飾^[22],。因此,，癌細胞中表觀遺傳學的變化，歸根結(jié)底還是落腳在相關(guān)基因的突變,。

通過以上分析,，筆者更加相信基因突變是癌癥發(fā)生的“因”，而非“果”,。但反對該觀點的人又要說了：如果癌癥確實是由基因突變引起的,，那么得證明阻斷了基因突變，人就不會得癌癥了,。然而,，想要徹底阻斷基因突變——這個千百萬年來生物進化的源泉——無異于逆天而行，這讓現(xiàn)代科學的研究者們從何下手呢,？

參考資料：

[1] https://en./wiki/Causality

[2] High-throughput oncogene mutation profiling in human cancer. Thomas RK et al., Nat Genet. 2007Mar;39(3):347-51. Epub 2007 Feb 11.

[3] The devil is in the DNA. Chanock SJ, Thomas G. Nat Genet. 2007 Mar;39(3):283-4.

[4] Role of non-coding sequence variants in cancer. Khurana E, Fu Y, Chakravarty D,Demichelis F, Rubin MA, Gerstein M. Nat Rev Genet. 2016 Feb;17(2):93-108. doi:10.1038/nrg.2015.17. Epub 2016 Jan 19.

[5] APOBEC signature mutation generates an oncogenic enhancer that drives LMO1 expressionin T-ALL. Li et al., Leukemia. 2017 Mar 28. doi: 10.1038/leu.2017.75. [Epubahead of print]

[6] Activation of the LMO2 oncogene through a somatically acquired neomorphic promoter in T-cell acute lymphoblastic leukemia. Rahman et al., Blood. 2017 Mar 7. pii:blood-2016-09-742148. doi: 10.1182/blood-2016-09-742148. [Epub ahead of print]

[7] Oncogene regulation. An oncogenic super-enhancer formed through somatic mutation of anoncoding intergenic element. Mansour et al., Science. 2014 Dec12;346(6215):1373-7. doi: 10.1126/science.1259037. Epub 2014 Nov 13.

[8] High burden and pervasive positive selection of somatic mutations in normal human skin. Martincorenaet al., Science 22 May 2015: Vol. 348,Issue 6237, pp. 880-886 DOI: 10.1126/science.aaa6806

[9] Age-related clonal hematopoiesis associated with adverse outcomes. Aiswal et al., N. Engl.J. Med. 371, 2488–2498 (2014). doi:10.1056/NEJMoa1408617 pmid:25426837

[10] Clonal hematopoiesis and blood-cancer risk inferred from blood DNA sequence. Genoveseet al., N. Engl. J. Med. 371, 2477–2487 (2014). doi:10.1056/NEJMoa1409405pmid:25426838

[11] Age-related mutations associated with clonal hematopoietic expansion and malignancies. Xieet al., Nat. Med. 20, 1472–1478 (2014). doi:10.1038/nm.3733 pmid:25326804

[12] Leukemia-associated somatic mutations drive distinct patterns of age-related clonal hemopoiesis. McKerrell et al., Cell Reports 10, 1239–1245 (2015).doi:10.1016/j.celrep.2015.02.005 pmid:25732814

[13] Howlader N,Noone AM, Krapcho M, et al. (eds). SEER Cancer Statistics Review, 1975-2011,National Cancer Institute. Bethesda, MD, http://seer./csr/1975_2011/, based on November 2013 SEER data submission, posted to the SEER web site,April 2014.

[14] Antoniou A,Pharoah PD, Narod S, et al. Average risks of breast and ovarian cancerassociated with BRCA1 or BRCA2 mutations detected in case series unselected forfamily history: A combined analysis of 22 studies. American Journal of Human Genetics 2003; 72(5):1117–1130. [PubMed Abstract]

[15] Chen S, Parmigiani G. Meta-analysis of BRCA1 and BRCA2 penetrance. Journal of ClinicalOncology 2007; 25(11):1329–1333. [PubMed Abstract]

[16] Myc-inducedT cell leukemia in transgenic zebrafish. Langenau DM, Traver D, Ferrando AA,Kutok JL, Aster JC, Kanki JP, Lin S, Prochownik E, Trede NS, Zon LI, Look AT.Science. 2003 Feb 7;299(5608):887-90.

[17] Activated ALK collaborates with MYCN in neuroblastoma pathogenesis. Zhu et al., CancerCell. 2012 Mar 20;21(3):362-73. doi: 10.1016/j.ccr.2012.02.010.

[18] Synergy between loss of NF1 and overexpression of MYCN in neuroblastoma is mediated by the GAP-related domain. He et al., Elife. 2016 Apr 27;5. pii: e14713. doi: 10.7554/eLife.14713.

[19] The cancer epigenome: Concepts, challenges, and therapeutic opportunities.

Dawson MA.Science. 2017 Mar 17;355(6330):1147-1152. doi: 10.1126/science.aam7304. Epub2017 Mar 16.

[20] Mammalian SWI/SNF complexes in cancer: emerging therapeutic opportunities. Pierre RS,Kadoch C. Curr Opin Genet Dev. 2017 Apr 5;42:56-67. doi:10.1016/j.gde.2017.02.004. [Epub ahead of print]

[21] Therapeutic targeting of acute myeloid leukemia stem cells. Pollyea DA, Jordan CT. Blood.2017 Mar 23;129(12):1627-1635. doi: 10.1182/blood-2016-10-696039. Epub 2017 Feb3.

[22] Roles of IDH1/2 and TET2 mutations in myeloid disorders. Inoue S, Lemonnier F, Mak TW.Int J Hematol. 2016 Jun;103(6):627-33. doi: 10.1007/s12185-016-1973-7. Epub2016 Mar 15.