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家族性结直肠癌和息肉病的遗传学新发现

【2016-11-29】

导读

近年来随着医学遗传学的发展,研究发现,很多病征都与遗传有关,如结直肠癌(crc),分为遗传性结直肠癌和散发性结直肠癌。据报道,约80-85%的crc由染色体不稳定性(cin)引起,包括家族性腺瘤性息肉病(fap)和散发性crc(apc、p53、dcc、kras等基因突变);而另外15-20%的crc则主要是由微卫星不稳定性(msi)引起,包括遗传性非息肉病性结直肠癌(hnpcc,又称lynch综合征)和散发性msi( )crc。

lynch综合征,是由mmr基因胚系突变所致的显性遗传病。90%以上的lynch综合征具有msi特征,而散发性结直肠癌中则有约15%,所以临床上可用msi检测来进行lynch综合征的筛查。nccn专家强烈建议在所有50岁以下的结肠癌患者中开展msi检测,因为该群体属于lynch综合征的可能性更大。

阅微基因一直致力于基因检测领域的产品研发与生产,国内首创肿瘤细胞微卫星不稳定性(msi)检测试剂盒,检测准确全面,包含nci建议的所有单核苷酸位点,并增加可用以识别潜在样品混杂或污染的检测标的,降低错误风险 (专利号 : zl 2011 1 0152226. x)


长期观察人们发现部分结直肠癌患者有家族聚集现象,说明共同的遗传学改变和环境因素在癌症发病中发挥作用。随着检测技术的不断发展,已发现的致病性遗传学改变有哪些呢,它们分别对应哪些临床综合征?对仍未发现遗传学改变的病例今后的研究重点又是什么呢?



结直肠癌(crc)是发病率最高的癌症之一,多数crcs源于体基因组改变,这些改变损害结肠上皮的关键生理过程。癌症家族史是crc最强的风险预测因子,家族内受累人数越多、发病年龄越小风险越高。统计显示20-25%的crc患者至少有一名亲属患有crc,这可能是由共同的遗传学和/环境因素所致。

据估计大约3-6%的crc患者携带胚系突变,导致有症状的遗传性crc。crc的遗传学易感性与某些基因的胚系突变或表观突变有关,如dna误配修复(mmr)基因mlh1、msh2、msh6和pms2突变与非息肉病性crc有关,apc和mutyh基因突变(隐性遗传)与腺瘤性结肠息肉病有关。其它的crc易感综合征,主要表现为错构瘤性息肉,由smad4、bmpr1a、stk11和pten突变所致。

不过许多crc的遗传学易感性未知,可能是多因素所致,如多个中低危遗传学变体同时存在所致,也可能是与环境或生活方式联合所致。据估计低外显率crc变体,约占5-10%的crc遗传学易感性。最新的模型可以根据普通crc遗传学易感性损害计算crc风险,结果显示风险累积与crc家族史明显相关。

鉴定与家族crc风险相关的胚系病理突变的真正意义在于指导家族成员的检查治疗,所以人们一直在尝试发现新的crc易感性基因。西班牙的valle教授在clin gastroenterolhepatol杂志上阐述了上述领域的最新进展、面临的问题和未来的方向。


鉴定新的遗传性crc基因的方法

高通量和二代测序技术之前,遗传性癌症研究主要依据全基因组连锁分析,然后定位克隆和体突变分析,鉴定了上面提到的遗传性crc基因。虽然鉴定出了多数显性遗传性crc基因,但并不能鉴定附加基因改变,仍存在杂合性、寡/多基因模式遗传或非传统机制的基因失活可能性。

随着技术不断发展,进一步鉴定新的遗传性癌症基因再次成为可能。最常用的方法是全基因组(wgs)和全外显子测序(wes)和全基因组阵列分析拷贝数,在单个高危家族或多个家族中进行以鉴定共同的致病基因。有时还会将上述方法联合应用,优化分析过程。


新的遗传性crc基因

随着新方法的应用发现了一些与遗传性crc及息肉病有关的基因,有些基因已纳入常规遗传学诊断,有些基因则需要在高危家族内进一步鉴定研究后才能应用于临床。


1. 采用筛查方法鉴定的基因

(1)新的遗传性crc基因

①pole和pold1:聚合酶校对相关息肉病

采用wgs/wes和连锁分析≤60岁、>10个腺瘤、无apc/ mutyh/ mmr胚系突变的先证者,palles发现有多个结直肠腺瘤和crc的个体/家族中,dna聚合酶ε(pole)和δ (pold1)的校对区存在突变,同时还观察到女性pold1突变携带者高风险罹患子宫内膜癌。进一步的研究明确了胚系聚合酶校对区突变在crc和息肉病易感性中的因果作用,该结果有助于更好的定义综合征和相关表型。

数据表明高外显性常染色体综合征的特征是削弱的或寡腺瘤性结直肠息肉病、crc、胃十二指肠腺瘤和脑肿瘤,女性pold1突变携带者高危发生子宫内膜癌,中危发生乳腺肿瘤,某些家族内还报道有其它肿瘤存在,其表现与dna错误修复机制缺陷相符。

聚合酶校正相关表型看起来表现为非息肉病crc综合征,有时肿瘤内也存在误配修复缺陷。因聚合酶校正突变异常而发生的肿瘤,不论是胚系还是体突变,都是高突变表型,有超过100万的碱基异常替代,与微卫星不稳定性(msi)相似,pole体突变与散发肿瘤的良好预后相关,但不清楚是否适用胚系突变肿瘤。

 

②nthl1相关腺瘤性息肉病

对40个家族51例腺瘤性息肉病和crc进行wes分析,weren发现3个荷兰家族具有nthl1基因纯合截短突变,为隐性遗传性疾病。三个家族携带相同的nthl1纯合突变,c.268c>t (p.gln90*)。nthl1与隐性腺瘤性息肉病基因mutyh相似,编码转葡糖基酶,参与碱基切除修复(ber),是氧化dna损害的主要修复途径,但nthl1能修复更多的dna损害。

目前只发现4个家族携带nthl1纯合突变,nthl1相关表型特征是削弱的腺瘤性息肉病和crc,可能还代表多肿瘤综合征,但精确的肿瘤谱仍有待确定。

 

③grem1:德系犹太人的混合性息肉病

遗传性混合性息肉病综合征并不常见,表现为多个息肉和混合的形态学,包括锯齿形损害、peutz-jeghers息肉、幼年息肉、传统腺瘤和crc,缺少可鉴定的结肠外特征。对遗传性混合性息肉病的德系家族分析,混合性息肉基因(也称作crac1)定位于15q13.3,在该区域鉴定了一个共同的单倍型,提示为单一基础突变,但在该区域未发现新的潜在致病性的基因突变。

在染色体15:30鉴定出40kb杂合单拷贝重复区域,采用定制的寡核苷酸阵列鉴定拷贝数变化,发现参研家族中的受累成员存在77mb的变化,是简单的首尾重复,伴有未知来源的30bp的插入,该重复序列由scg5的内含子2开始,延伸至grem1基因的cpg岛上游,与基因grem1表达增加相关。

目前grem1 40kb上游重复序列只在具有单一基础突变的德系犹太人后裔中存在,疾病表型不仅限于混合性息肉病,当德系犹太人出现多发结直肠息肉或满足非息肉病crc标准时,推荐遗传学检查grem1。最近在一个非德系家族的grem1调节区发现一个可致病的16kb重复,表现为削弱的息肉病,息肉形态特征与幼年和转化型息肉部分相似。

另外发现一例早发crc的全grem1基因重复,该患无混合性息肉病特征。现已证实常见的影响扩增子rs16969681的grem1变体与crc易感性相关,增加普通人群患crc风险20%。


④rnf43相关锯齿形息肉病

锯齿形息肉病是临床定义的综合征,患者表现为结直肠内多个锯齿形息肉,crc风险增加。按照who标准,锯齿形息肉病综合征(sps)的真正发生率并不清楚,根据结肠镜筛查结果,该病发生率可能<0.09%,发生crc的风险低于最初的估计,是否发生crc主要与锯齿形息肉中是否存在不典型增生、是否为进展期腺瘤和/who标准1和3同时存在。

多年来一直没有成功鉴定锯齿形息肉病的遗传学病因,最后是gala及其团队对20例多发锯齿形腺瘤的无关个体进行wes分析,5例中鉴定出atm、pif1、telo2、xaf1和rbl1胚系突变,2例中发现rnf43基因无义突变。rnf43编码的蛋白是泛素连接酶,是wnt途径的负调节信号,敲除该基因有助于小鼠肠道息肉病表型。

接下来在锯齿形息肉病家族中进行wes分析,包括二名受累和二名未受累个体,结果显示二名受累个体均有rnf43突变,健康个体没有。

另一个wes分析4个锯齿型息肉病家族中的6名成员,均有rnf43特异位点突变,导致蛋白截短,此突变在一个家族中的三个同胞中鉴定,二名分别于65和64岁时诊断锯齿形息肉病,另一名49岁时诊断增生型息肉,该患的二个孩子也是rnf43突变携带者,分别于35和37岁时经结肠镜检发现锯齿形腺瘤或增生性息肉,另有四名家族成员筛查未发现突变,镜检结果正常。5名突变携带者共有16个锯齿形息肉、5个腺瘤和1个肿瘤可用作分析,结果显示所有野生型等位基因体突变失活,这也证实rnf43的肿瘤抑癌基因作用。

总之胚系rnf43突变在满足who锯齿形息肉病综合征的无关患者中发生率为12.5% - 25%,需要对rnf43进行常规胚系突变检查。体外和临床前证据显示rnf43突变肿瘤对wnt分泌抑制剂敏感,为rnf43突变携带者的治疗开辟了一条新路。


(2)新的侯选基因

与遗传性crc有关、证据较明确的侯选基因包括fan1、rps20、ptpn12、lrp6、bub1和bub3、focad,还有ptprj的结构性表观沉默。fan1、bub1和bub3与dna损害反应和遗传学不稳定性有关,lrp6是wnt-fzd-lrp5-lrp6复合物的构成成分,能启动β连环蛋白信号,rps20编码核糖体蛋白,focad是粘着斑蛋白,ptpn12和ptprj是蛋白酪氨酸磷酸酶。

还有几个侯选基因仍需证据明确是否在crc中发挥作用。sema4a基因是首个认为是遗传性非息肉病crc的侯选基因,但后续研究未能证实其影响crc的作用。总之证实所有侯选基因的诊断价值需要进一步的证据支持。


2. 通过侯选基因鉴定的基因异常

已知的遗传性crc基因与dna修复或相关途径有关,研究进一步评估其它基因在crc易感性中的作用。axin2是wnt途径的组分,充分证据表明在削弱的家族性腺瘤性息肉病中的致病性。但下述基因如ogg1、nudt1、bmp487和ephb88一直缺乏足够证据。此外amer1、unc5c和galnt12不再作为高外显性基因,但中低风险作用仍不能除外。


dna误配修复基因的双等位基因胚系和体突变失活

mmr基因胚系突变的临床谱最初只限于林奇综合征的单等位基因突变。结构性误配修复缺陷(cmmrd)是独特的儿童癌症易感综合征,其特征是mmr基因纯合或双等位基因胚系突变。双等位基因胚系突变携带者表型可表现为血液系统恶性肿瘤、脑肿瘤和胃肠道癌症以及咖啡斑和与i型多发性神经纤维瘤相似的改变。

2014年cmmrd论坛报道了23例cmmrd儿童的遗传学和临床特征,患儿普遍存在咖啡斑和高外显性癌症,进行遗传学分析的18例患者中一半存在胃肠道息肉病。

几项观察性研究显示纯合突变时只有弱外显性mmr基因突变患者才能存活,而二个基因都发生高外显性突变时胚胎死亡,如引起林奇综合征的基因,患者具有如下特征:父母缺少林奇综合征相关癌症,其它亲属中无双等位基因突变携带者;cmmrd中报道的很多胚系突变在林奇综合征中并未报道;msh2突变在林奇综合征中最常见且高外显性,但在cmmrd中报道最少。

最近对102例腺瘤性息肉病、缺少胚系基因突变的无关患者进行wes分析,发现一例pms2双等位基因突变,二例msh3双等位基因突变,后者是dna误配修复基因,患者表现为隐性遗传,4个msh3突变皆是有害的,肿瘤显示高度微卫星不稳定性,msh3蛋白表达完全缺失。

目前共鉴定了4例msh3双等位基因携带者,多数病例在30岁左右时诊断,表型特征为结直肠腺瘤性息肉病,伴胃肠道内或肠外良恶性损害,如十二指肠腺瘤、甲状腺瘤、导管内乳头瘤、胃癌和星形细胞瘤。msh3双等位基因携带者的表型与削弱的家族性腺瘤性息肉病相似,但保留一些cmmrd的特征,可能是由于msh3突变的杂合性,并不是疾病的始动因素。

临床和分子生物学上怀疑是林奇综合征的患者中60%-70%的患者遗传学检查都未能鉴定出mmr基因的胚系突变,这些病例称作林奇样改变。与散发微卫星不稳定crcs不一致的是,林奇样的crcs无mlh1的表观失活,也不存在braf突变。现在已知50-60%的林奇样改变病例,mmr缺陷可能是双体突变引起,多数为散发病例。

削弱dna错误修复能力的其它基因胚系突变,如mutyh或pole和pold1的校对区,可能在一些病例中引起mmr缺陷。由于林奇样改变的异质性,同时缺乏明确的胚系缺陷,遗传学咨询与临床监控应在有家族史或有个人肿瘤病史时才进行。


遗传性癌症综合征的重叠

研究者一直致力于鉴定新的遗传性crc基因,然而新发现的病理性突变很少。但通过二代测序,在遗传性crc家族中鉴定出与其它癌症综合征相关的胚系致病性突变,如brca1、brca2、tp53、bard1或brip1,或是与其它crc/息肉病综合征相关的改变,例如在遗传性非息肉病crc家族中发现腺瘤性息肉病基因mutyh和pold1、幼年息肉病基因bmpr1a。

上述结果支持在遗传性癌症常规检查中应包括这些重叠基因的检查,而且更多基因的检查可以用作鉴别诊断。不过这种情况的发生频度并不高,临床表型仍是最佳的首诊方法,检查主要用于尚不明确的变体。


1000余例家族和早发crc患者的外显子组

人们一直尝试鉴定存在分子易感基础的crc所占比例,chubb分析了罕见胚系突变对crc风险的影响,采用wes方法,共1006例早发无关crc患者(诊断时<55岁),至少一名一级亲属患有crc,健康对照1609例。9%的患者携带已知高外显性基因突变,包括msh2、mlh1和apc基因,但只有31%的家族性crc可用已知的遗传性crc基因解释。

其它crc基因,包括msh6和pms2在内,并没有明显的相关性,说明对crc易感性的作用有限。研究者一直在分析那些可能导致crc易感的基因的突变情况,据此鉴定了il12rb1、limk2和pole2作为侯选基因,后续研究显示dna依赖性dna复制基因与crc明显相关,可能受突变的mmr、pole2、pot1和mre11a基因驱动。

结语

通过wes、wgs等方法,已鉴定出新的遗传性结直肠癌和息肉病综合征基因,不过现在仍有很大一部分息肉病用已知的基因无法解释。pole、pold1和grem1基因筛查已作为常规检查,nthl1、msh3和rnf43基因的研究结果也即将面世。根据已知的临床表现,通过遗传学筛查,必将发现更多的突变携带者。

遗传性非息肉病综合征缺少主基因和其它遗传学异质性是目前研究的主要结论,wes/wgs鉴定新的遗传性非息肉病crc基因的结果仍很少,而且没有有力的证据支持侯选基因用于常规遗传学诊断,这是现在和未来的研究热点。

复杂的环境因素可能是遗传学变体产生的原因,这些变体会妨碍发现新的基因。 首先人类基因组有许多罕见变体,其中大部分与疾病表型的关系并不清楚;第二一些变体可能与其它遗传学和/环境因子相互作用,这可能反过来决定其表达性。

鉴定新的crc/息肉病易感基因或侯选基因的研究中已有一些突破性进展,包括与dna修复、dna复制和维持基因组稳定性的相关基因。种族研究显示,如德系犹太人或芬兰/荷兰人,其基础突变对鉴定新的基因很有帮助,譬如grem1基因和nthl1基因就是这样发现的,这说明区域或国家的联合研究非常重要。

交叉表型的存在,例如引起其它肿瘤或表型的胚系突变已有报道,不过这种现象并不是很常见,但它可以解释更多特征不显著的家族性病例。

目前只有遗传性非息肉病crc(限于msh2、mlh1、msh6和pms2杂合性突变)的mmr突变在临床和分子谱上有了进展:cmmrd由胚系等位基因突变所致;存在胚系双等位基因突变的削弱的腺瘤性息肉病,包括msh3在内,该mmr基因在杂合状态时没有作用;体突变失活时产生林奇样综合征(2次体突变打击)。

寡基因或多基因遗传的可能性不再是理论假说,一个例证是同时存在多个高外显性癌症易感基因的胚系致病性突变,导致多位点基因遗传肿瘤综合征(minas),另一个例证是携带多个低外显性等位基因者患癌风险增加。这些例子只是冰山一角,应进一步鉴定中低表达性基因及变体,它们同时遗传并处于某种特殊环境条件时,就可能发挥作用,这项研究可能是目前面临的最大挑战。

目前有大量crc聚集家族,经wes或wgs未能鉴别出显著影响功能的单基因改变,寡基因或多基因遗传联合遗传学或表观遗传学改变的研究是今后研究的重点。

 

链接:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27712984

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