《自然》子刊：放疗是把双刃剑！科学家首次揭露放疗与基因组的相互作用，发现放疗与某些影响肿瘤不良预后的...

放疗是作为癌症治疗的主要方法之一，50%以上的肿瘤患者接受放射治疗。放疗既可以是根治性的，亦可以是姑息治疗。

然而放疗在起治疗作用的同时，对肿瘤的基因组也可产生不利于患者预后的影响。

近日，美国、德国和荷兰的科学家通力合作，在顶级学术期刊《自然·遗传学》上发表了放疗与肿瘤基因组之间的相互作用的初步研究结果[1]。

他们发现，放疗可致肿瘤基因突变，以小片段缺失为主要表现，且高突变负荷提示不良预后。

论文首页截图

放疗的治疗原理是电离辐射损伤DNA，如造成DNA双链断裂（DSBs），DNA损伤如不及时修复则可导致细胞死亡。另外，如修复机制出问题，影响后续DNA复制，亦可导致细胞死亡。

DSBs可触发DNA修复途径，包括无错的同源重组（HR），以及另外3种易出错的通路：经典非同源端部链接（c-NHEJ）, 替代端链接（a-EJ），以及单链退火（SSA）[2]。DNA修复过程中产生的错误可能改变肿瘤基因组，测序可检测出这些基因突变。这些基因突变可能预示治疗有效，也可能提示肿瘤耐药（对放疗不敏感）。

例如研究人员已观察到，在接受烷化剂治疗的患者肿瘤中出现大量突变，这种现象在替莫唑胺治疗胶质瘤中特别明显。类似的现象在放疗诱发的第二原发肿瘤（放疗的远期效应之一，于放疗结束多年后发生，包括白血病、实体瘤等）中亦可见到，如突增的微小片段缺失突变。

然而，目前放疗对基因组的影响鲜有研究，姑息以及根治放疗对散发肿瘤的基因组影响尚不明确。

为了探究放疗所致基因突变的影响，研究者选取了胶质瘤纵向研究队列（GLASS）以及Hartwig医学基金会（HMF）数据库，分析了190位胶质瘤患者资料（来自GLASS[3]）。这190例患者均为复发胶质瘤患者，具有完整的临床及肿瘤基因测序资料，包括治疗前的原发肿瘤以及治疗后复发肿瘤样本的测序信息（全基因组测序或全外显子测序）。

根据WHO标准，190例患者分为3组：IDH突变合并1p/19q共同缺失（IDHmut-codel），仅IDH突变（IDHmut-noncodel），IDH野生型 （IDHwt）。

另外，研究者又选取了HMF数据库中3693名治疗后复发转移的肿瘤患者（包含多部位肿瘤）数据作为验证分析。研究者从以下几个方面比较了放疗前后肿瘤基因组变化：突变类型、突变负荷、突变特征、结构异常、微卫星不稳定性（MSI）、同源重组缺陷（HRD）、非整倍体。

咱们先来看看放疗对肿瘤的突变负荷究竟有何影响。

从研究结果来看，放疗与缺失突变增加有显著关联，根治性放疗和姑息性放疗均可增加肿瘤小片段缺失突变负荷，且该关联不受肿瘤MSI和HRD状态影响。

姑息放疗患者的肿瘤突变负荷介于未放疗及根治性放疗之间，提示放疗所致的突变负荷增加与放疗剂量相关。

小片段缺失突变负荷与放疗剂量相关（RT^-，未放疗；RT^+pal，姑息放疗；RT^+cur，根治性放疗）

那么放疗导致的肿瘤突变是否有某些特征呢？

研究人员发现，放疗所致的片段缺失长度多介于5-15bp，根治放疗中缺失片段长度较姑息放疗长，该现象可能与放疗剂量有关。

对于IDH突变的胶质瘤患者基因分析显示，放疗所致的基因缺失突变为随机分布，并不局限于某个特定位点。

放疗所致的基因片段缺失突变长度多为5-15bp，且根治性放疗中基因缺失片段较长

那么这些小片段缺失突变与DNA修复途径有什么关系呢？

肿瘤细胞在增殖过程中所积累的体细胞突变，该突变称为突变标记。通过GLASS数据库中放疗前后IDH突变的胶质瘤基因组对比，研究者发现放疗后ID8类型突变量显著上升（ID8及下文的ID6均为indel插入/缺失突变的不同类型）。

而HMF中的数据分析进一步证实了该突变标记与放疗相关。在HMF病例中，12种肿瘤中9种肿瘤在放疗后表现出ID8类的突变量增加。将病例再分为HRD和不含HRD的两组，分析显示，HRD与ID6相关。ID6与ID8均与DSBs修复中易出错的修复途径有关。

此外，研究人员还发现，单碱基替换（SBS）也是放疗后肿瘤突变标记。在IDH突变的胶质瘤中，可见大量SBS11，在合并MSI的样本中还可见到SBS44、SBS26、SBS21突变增多，合并HRD的病例中则可见SBS21增多。

总的来说，GLASS序列中，放疗与SBS13突变显著相关，在HMF病例中则为SBS2和SBS13.SBS2和SBS13均为APOBEC标记[4，5]。

以上分析再次证明，突变标记可能由DNA损伤-修复循环所致。放疗导致的DSBs通过c-NHEJ途径修复，从而导致特异的小片段缺失突变（ID8），而SBS2和/或SBS13则可能与修复过程中APOBEC胞嘧啶脱氨酶激活有关。

ID8和SBS与放疗的关系

实际上，研究人员发现，除了小片段缺失突变，放疗还能造成其他类型的基因突变。

GLASS序列患者中，放疗后肿瘤中可见大片段缺失突变（>20bp），与未放疗肿瘤样本差异显著，放疗后肿瘤中基因倒置错位亦明显增加，而两组在重复及异位基因突变数量方面则无明显区别。

放疗可增加片段缺失及倒置突变

IDH突变的胶质瘤患者中，原发肿瘤中罕见CDKN2A基因突变，该基因获得性纯合性缺失仅见于放疗后复发患者中，提示CDKN2A基因获得性纯合缺失可能可以作为IDH突变胶质瘤放疗效果不佳的标志物。

但此结论不适用于IDH野生型胶质瘤患者，因该类患者中常见CDKN2A纯合缺失。

在IDH突变胶质瘤患者中，放疗与染色体数目异常有关，但进一步分析显示，该关联仅见于合并CDKN2A纯合缺失突变的患者中。因而，非整倍体突变可能并非是放疗的直接效应，而是继发于放疗所致的CDKN2A缺失突变。这两者之间的相互作用还需进一步研究。

放疗后的肿瘤中出现CDKN2A纯合性缺失突变

研究者最关心的实际问题是放疗所致的基因突变与预后的关系。

生存分析显示，CDKN2A纯合性缺失突变较CDKN2A野生型预后差。分层分析显示，低非整倍体突变负荷的肿瘤患者预后较好，反之，具有高非整倍体突变负荷的肿瘤患者预后差。

再次提示获得性CDKN2A纯合性突变可能作为复发后放疗不敏感的标志物。对于复发患者的临床评估应包含CDKN2A基因突变检测。

除了CDKN2A纯合性缺失之外，GLASS序列患者中，小片段缺失突变负荷高的肿瘤患者预后明显较负荷低的患者差，且与放疗剂量相关。而对HMF中放疗后的样本分析显示，具有高小片段缺失突变患者的预后较差。

将生存期分为术后至放疗开始的间隔期以及放疗后的生存期，进一步分析发现：生存差异仅局限在放疗后的生存期，术后至放疗开始的间隔期则不同片段缺失突变负荷组间无明显差别。

研究人员由此推测，胶质瘤患者可能从初次放疗中获益均等，但放疗所致的基因突变可使部分肿瘤对放疗敏感度下降，导致最终预后出现明显差异。

至于背后的原因，研究人员认为，高突变负荷可能提示肿瘤细胞内DNA修复过程活跃，肿瘤细胞死亡减少，表现为放疗疗效不佳。

a：不同基因突变负荷患者在手术至放疗后的生存期方面无明显差别（p=5.6×10^-1），而放疗后生存期有明显差别（p=3.4×10^-3）b: 高基因突变负荷的患者预后差

总的来说，该研究首次揭示了放疗在肿瘤治疗中的“双刃剑”效应。

即，放疗在治疗作用之外，亦可因其治疗原理导致部分基因突变，而某些基因突变反而可降低放疗疗效、导致不良预后。

此外，该研究拓展了我们对于放疗的认识，对于某些与放疗相关的基因突变的识别，可能是预测复发肿瘤对于放疗的敏感性的新的标志物，也为科学家开发新的放疗增敏剂指明了新的方向。

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参考文献：

1.     Kocakavuk E, Anderson KJ, Varn FS, et al. Radiotherapy is associated with a deletion signature that contributes to poor outcomes in patients with cancer [published online ahead of print, 2021 May 27]. Nat Genet. 2021;10.1038/s41588-021-00874-3. doi:10.1038/s41588-021-00874-3

2.     Chang HHY, Pannunzio NR, Adachi N, Lieber MR. Non-homologous DNA end joining and alternative pathways to double-strand break repair. Nat Rev Mol Cell Biol. 2017;18（8）:495-506. doi:10.1038/nrm.2017.48

3.     Barthel FP, Johnson KC, Varn FS, et al. Longitudinal molecular trajectories of diffuse glioma in adults. Nature. 2019;576（7785）:112-120. doi:10.1038/s41586-019-1775-1

4.     Alexandrov LB, Kim J, Haradhvala NJ, et al. The repertoire of mutational signatures in human cancer. Nature. 2020;578（7793）:94-101. doi:10.1038/s41586-020-1943-3

5.     Roberts SA, Lawrence MS, Klimczak LJ, et al. An APOBEC cytidine deaminase mutagenesis pattern is widespread in human cancers. Nat Genet. 2013;45（9）:970-976. doi:10.1038/ng.2702

责任编辑丨BioTalker