代表性分子标志物:DNA突变及甲基化丨肿瘤蓝皮书连载第二篇

 引言 

肿瘤(包括癌症及其他恶性肿瘤)的本质是细胞恶性增殖,父本或母本遗传,或病毒以及外界刺激诱导自身基因突变,都可能激活原癌基因或使抑癌基因失活,形成肿瘤,通过多次变异、选择和扩增,肿瘤细胞会从早期良性肿物演化为癌症。

基因是肿瘤的核心分子标志物。基于“中心法则”的理念,遗传信息从 DNA 转录到 RNA,再翻译成蛋白质。

因此,蓝皮书连载第二篇及第三篇主要围绕核酸(DNA 和 RNA)以及蛋白质这两大类主要研究对象,展开对肿瘤分子检测标志物的探讨。

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蓝皮书连载内容介绍

本蓝皮书通过以下内容呈现宏观框架、中观产业发展、微观技术创新及转化应用:

  • 行业背景和概况;

  • 肿瘤基因及分子标志物简介;

  • 肿瘤基因及分子检测技术简介;

  • 分子检测应用临床肿瘤诊疗的场景;

  • 肿瘤基因及分子检测行业简析;

  • 未满足需求及发展趋势。

肿瘤及肿瘤标志物
1.1 肿瘤的定义及分类
1.1.1 肿瘤定义

肿瘤(包括癌症及其他恶性肿瘤)的本质是细胞恶性增殖,发病原因包括遗传、病毒体感染以及外界环境刺激等。父本或母本遗传,或病毒以及外界刺激诱导自身基因突变,都可能激活原癌基因或使抑癌基因失活,形成肿瘤,通过多次变异、选择和扩增,肿瘤细胞会从早期良性肿物演化为癌症。

1.1.2 肿瘤分类(从遗传学角度)
1.2 肿瘤标志物定义
肿瘤标志物是指由肿瘤组织和细胞产生的与肿瘤的产生、发生和发展相关的物质。随着肿瘤基因及检测技术的研究发展,分子标志物得到日益重视,特别是 DNA 突变、甲基化等。
DNA突变与肿瘤诊疗
2.1 DNA突变

基于中心法则,DNA 突变会影响对应编码蛋白的结构或功能,从而影响机体。

2.2 DNA突变类型

DNA突变的4种常见类型中,点突变(point mutation)或者称核苷酸置换(subtitution)是肿瘤突变中最为常见的形式。

2.3 肿瘤相关基因的分类

从作用上分为两类:

● 原癌基因(proto-oncogene):原癌基因促进细胞生长和激活细胞周期、抑制细胞凋亡,例如 HER2 基因;

●抑癌基因(tumor suppressor genes):负向调控细胞生长和细胞周期、促进细胞凋亡,执行 DNA 损伤修复,例如 BRCA 基因和 p53 基因。

2.4 与肿瘤相关的突变的分类

从突变来源分为两类:

●体细胞(somatic)或获得性(acquired) 突变:发生在出生后(或至少在受孕后)。它们仅存在于肿瘤细胞中,而不存在于身体的其他细胞中。发育早期发生的体细胞突变可能会影响更多细胞(镶嵌现象)。体细胞突变也通常被称为驱动突变,当检测到已开发靶向治疗的体细胞突变时,它被称为可操作突变(actionable mutation)。近年来,已经开发出许多针对这些突变的药物,以控制癌症的生长。

● 胚系(germline)或遗传性(hereditary)突变:从父母处遗传的突变,并在受孕时出现。有时在受孕时会发生突变(散发性突变),因此它不是从母亲或父亲那里遗传的,而是可以遗传给后代的。胚系突变可能是显性的(dominant)或隐性的(recessive);此外,胚系突变的外显率(penetrance)——携带特定基因变异的人未来出现基因型对应表型的比例也各不相同。

2.5 肿瘤基因突变的发现经历了以下阶段

2.5.1 针对特定肿瘤的基因鉴定

2.5.2 候选肿瘤基因突变谱分析

随着对肿瘤研究以及肿瘤基因序列的更多了解,科研和临床工作者发现同一基因在不同位点 (即基因序列上的位置)存在突变,并由此带来对机体表征及治疗截然不同的影响。对于基因突变图谱中,较受关注的概念以及后来衍生成为标记物的是肿瘤突变负荷(TMB, tumor mutation burden),即肿瘤基因的突变密度,具体指肿瘤组织中每 M 体细胞碱基中非同 义突变(包括点突变和插入 / 缺失突变)的总数;一般来说,肿瘤细胞中包含的基因突变越多, TMB 越高,肿瘤对免疫疗法的反应越好。对于大多数肿瘤,PD-1 抑制剂治疗的有效性几乎与  TMB 呈线性关系;对于某些药物(如 Opdivo),相比 PD-L1 水平,选择 TMB 作为预测 NSCLC  治疗疗效的生物标志物可以更好地区分有益人群(PMID: 32676325)。

2.5.3 基因家族突变分析

基因家族,是源于同一祖先,由单个原始基因复制而成的若干相似基因的集合,通常具有相似的结构和功能,编码相似的蛋白质产物。同一家族基因有时排列在一起形成基因簇,有时存在不同染色体不同位置,具有不同的表达调控模式。大量植物由于全基因组复制存在基因家族。

2.5.4 针对特定基因的泛癌种分子检测

肿瘤靶点的研究,从单个基因、不同基因位点的突变谱、发展到多个基因家族。随着高通量测序大数据、分子遗传及病理等跨学科合作带来新的启示,除了按发病部位对进行肿瘤分类诊疗, 以肿瘤相关的基因为新的诊疗维度带来新的认知,特别是靶向药。

甲基化与肿瘤诊疗
3.1 甲基化与表观遗传

甲基化是研究最深入的表观遗传的一种。表观遗传(Epigenetic)是指 DNA 序列不发生改变的情况下,发生可遗传的基因表达的变化。即控制基因表达的表观遗传独立于 DNA 序列将信息传递给下一代细胞。这种模式有时会引 起胎儿发育异常以及成人正常衰老过程异常,增加儿童癌症和成人常见癌症的发生风险,同时表观遗传还促进人类肿瘤细胞的克隆进化,促进肿瘤发展。

3.2 DNA 甲基化与肿瘤发生发展的联系

● 启动子区域内高甲基化(Hypermethylation)使得某些肿瘤抑制基因失活;

● 低甲基化(Hypomethylation)导致基因组不稳定性,也促进细胞转化;

● 启动子 CpG 的高甲基化可以作为生物标志物;

● 与基因改变不同,DNA 甲基化是可逆的,这为治疗提供可能的路径。

3.3 低甲基化、基因激活与肿瘤

低甲基化(Hypomethylation),即 CpG 双核苷酸的 DNA 甲基化缺失或不足,是在肿瘤细胞中发现的第一个表观遗传异常。

3.4 高甲基化、基因沉默与肿瘤

高甲基化(Hypermethylation),也翻译称超甲基化,顾名思义即甲基化水平高于正常水平。在癌症中,整体上低甲基化的情况偏多,但某些基因会由于调节区域中 CGI 的高甲基化而失活(PMID:20920744)。高甲基化和肿瘤之间的联系是通过视网膜母细胞瘤肿瘤抑制基因 (RB1)  建立的。

3.5 主要的甲基化检测技术

产业创新案例 

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 连载预告 

▲ 文章预告:“2021肿瘤蓝皮书”连载系列第二篇《肿瘤基因及分子标志物简介(下篇)》
▲ 发布平台:基因慧公众号
▲ 发布时间:9月29日(下周三)
本篇介绍了肿瘤基因及分子标志物中的DNA突变和甲基化,
第三篇将介绍分子标志物中的转录组、蛋白质组及新型分子标志物。
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