Cell | 为何肿瘤抑制基因的“二次打击”模式决定癌症的进程与疗效？

生物探索

2024-12-21 15:30发布于江苏科学领域创作者

全文6283字，阅读约需18分钟，帮我划重点

划重点

01Cell研究报道了癌症基因组测序技术对224种肿瘤抑制基因的双等位基因失活模式的分析，揭示了不同癌症类型中TSGs失活的独特模式。

02研究发现，双等位基因失活不仅决定了TSGs的功能丧失程度，还可能成为预测治疗效果和患者预后的重要指标。

03除此之外，某些肿瘤抑制基因的单等位基因失活也可能驱动癌症的发生，挑战了传统“二次打击假说”的观点。

04通过重新思考TSGs的功能，研究人员正在为个体化治疗方案提供更具指导性的依据，为癌症精准医学的发展提供重要启示。

以上内容由腾讯混元大模型生成，仅供参考

引言

癌症的发生和发展通常伴随着基因组的广泛改变，其中包括突变、拷贝数变异以及其他遗传改变。长久以来，人们普遍接受“二次打击假说”（Two-hit hypothesis），即肿瘤抑制基因（Tumor Suppressor Genes, TSGs）的功能失活需要两个等位基因同时发生改变。然而，近年来的研究发现，不同类型的癌症中，TSGs的失活机制可能存在显著差异。一些基因可能需要完全失去两个等位基因的功能（双等位基因失活，biallelic inactivation），而另一些基因的单等位基因改变即可驱动肿瘤形成。这一领域的研究不仅深化了我们对癌症基因功能的认识，也为癌症的精准诊断和治疗提供了新的启示。
12月18日Cell的研究报道“Pan-cancer analysis of biallelic inactivation in tumor suppressor genes identifies KEAP1 zygosity as a predictive biomarker in lung cancer”，采用大规模的癌症基因组测序技术（MSK-IMPACT），分析了超过4.8万名患者的肿瘤样本，涵盖67种癌症类型和498种组织学亚型，特别针对224种肿瘤抑制基因的双等位基因失活模式进行了深入探讨。研究通过综合分析基因突变、杂合性丢失（Loss of Heterozygosity, LOH）、纯合缺失（Homozygous Deletion）以及基因融合等多种遗传改变，揭示了不同癌症类型中TSGs失活的独特模式。这些数据不仅验证了传统的“二次打击”模型，还揭示了许多新的肿瘤抑制基因失活机制。例如，某些基因的双等位基因失活表现出癌种特异性，而另一些基因则可能通过复合突变或其他非经典路径完成失活。
通过分析这些复杂的基因组改变模式，该研究旨在回答以下关键问题：为什么某些TSGs在不同癌症中表现出截然不同的改变倾向？双等位基因失活对癌症的进展和治疗有何影响？是否可以利用TSGs的变异模式作为潜在的生物标志物，从而为个体化治疗提供依据？研究结果显示，双等位基因失活不仅决定了TSGs的功能丧失程度，还可能成为预测治疗效果和患者预后的重要指标。这一突破性发现为理解癌症的发生机制和开发新的治疗策略奠定了重要基础，同时也为癌症精准医学带来了新的希望。

图片

为什么肿瘤抑制基因对癌症如此重要？
在我们的细胞中，肿瘤抑制基因（Tumor Suppressor Genes, TSGs）是保护机制的核心力量，它们就像“细胞卫士”，通过监测细胞分裂、修复DNA损伤、调控细胞凋亡等功能，避免细胞发生不受控制的增殖。然而，当这些基因的功能丧失，细胞便可能陷入失控状态，进而形成癌症。
传统上，研究人员提出了一个被广泛接受的理论——“二次打击假说”（Two-hit Hypothesis），来解释肿瘤抑制基因如何导致癌症的发生。这一假说认为，单个等位基因（allele）的突变通常不足以导致肿瘤形成，只有当肿瘤抑制基因的两个等位基因同时发生功能丧失时，细胞才会完全失去对癌变的控制。例如，RB1基因在视网膜母细胞瘤中的失活就是这一理论的经典案例：仅携带单次突变的患者表现出较低的肿瘤风险，而同时失去两个等位基因功能的患者则几乎必然发展为癌症。
尽管“二次打击假说”解释了许多经典的癌症发生机制，但这一理论并不适用于所有情况。例如，在该研究中发现，并非所有的肿瘤抑制基因都需要两个等位基因的完全失活才能失去功能。TP53基因（一种重要的肿瘤抑制基因）的一些突变形式即可通过“显性负效应”（Dominant-negative effect）阻碍正常基因的功能，而不需要“双击”来完成失活。除此之外，还有一些基因，例如PTEN，虽然在某些癌症中表现为“双等位基因失活”，但在另一些癌症中，单次突变就足以推动肿瘤的形成。
因此，肿瘤抑制基因的重要性不仅在于其保护细胞的多重功能，更在于它们揭示了癌症发生的多样性机制。理解这些机制有助于我们从基因层面重新定义癌症的发生规律，并为精准医学提供方向。

双等位基因失活：癌症基因组中的“致命双打”
肿瘤的发生常被比作一场细胞内的“战争”，而双等位基因失活（Biallelic Inactivation）则是其中最具破坏力的“致命双打”。这一过程指的是肿瘤抑制基因（Tumor Suppressor Genes, TSGs）的两个等位基因功能同时丧失，使细胞完全失去控制，最终走向癌变。与单一突变不同，双等位基因失活被认为是触发许多癌症发生的关键步骤，它不仅让细胞防线全面崩溃，还常常决定癌症的恶性程度和治疗反应。
该研究中，研究人员利用MSK-IMPACT高通量基因测序技术，对48,179名癌症患者进行了详细的基因组分析，重点关注224种肿瘤抑制基因的双等位基因失活模式。结果显示，72%的TSG突变与双等位基因失活有关，远高于致癌基因的9%。研究进一步揭示，双等位基因失活有多种实现方式，例如：
突变+杂合性丢失（Mutation + Loss of Heterozygosity, MutLOH）是双等位基因失活的主要模式，占所有TSGs失活案例的54%。这一机制指的是，首先一个等位基因发生突变，随后另一个等位基因通过染色体的不平衡丢失功能。例如，在研究中发现，TP53基因几乎所有的双等位基因失活都是通过MutLOH实现的，这种模式在肺癌和乳腺癌中尤为常见。MutLOH的高发生率表明，它是癌症基因组选择的核心路径之一。
纯合缺失（Homozygous Deletion）则是另一种重要机制，约占TSGs双等位基因失活的30%。这种模式指的是基因组中直接丢失了该基因的两个等位基因，导致基因功能完全消失。例如，CDKN2A基因的纯合缺失占其所有失活事件的83%，在多种癌症中广泛存在，尤其是在胶质母细胞瘤和头颈部鳞状细胞癌中表现突出。
复合突变（Composite Mutation）是一种较为少见但同样致命的失活方式，它指的是同一基因中发生多个突变，共同导致功能丧失。这一模式在特定癌症中非常显著，例如PIK3R1基因在子宫内膜癌中的失活有70%来源于复合突变，而这一比例在其他癌症中明显较低。
图片

肿瘤抑制基因（Tumor Suppressor Genes, TSGs）双等位基因失活（biallelic inactivation）的多样性及其在不同癌症中的特征（Credit: Cell）

(A) 研究设计：MSK-IMPACT队列的描述
该研究利用了MSK-IMPACT高通量基因测序技术，分析了48,179名癌症患者的肿瘤样本，覆盖67种主要癌症类型，重点关注224种肿瘤抑制基因和186种致癌基因的基因组变异。双等位基因失活的模式主要包括：杂合性丢失（Loss of Heterozygosity, LOH），纯合缺失（Homozygous Deletion），突变+LOH的组合（MutLOH），复合突变（Composite Mutations）。
(B) 肿瘤抑制基因与致癌基因的杂合性变化对比
结果显示，肿瘤抑制基因（224种）和致癌基因（186种）在杂合性变化上的模式存在显著差异：在肿瘤抑制基因中，72%的变异与双等位基因失活相关，这表明完全失去两种等位基因功能是这些基因失活的主要驱动因素；相比之下，致癌基因中只有9%的变异涉及双等位基因失活，表明致癌基因的单等位基因变异通常就足以引发癌症。
(C) 不同癌症中双等位基因失活机制的多样性
图表进一步揭示，不同癌症类型对肿瘤抑制基因的失活机制有着不同的偏好。例如：TP53基因在几乎所有癌症类型中都以突变+LOH为主，这是其双等位基因失活的主要形式；CDKN2A基因主要通过纯合缺失实现双等位基因失活，在多种癌症中比例高达83%；PTEN基因的失活机制在不同癌种中表现出显著差异，例如在前列腺癌中以纯合缺失为主，而在其他癌症中则以突变+LOH占主导。

不同癌症类型中的肿瘤抑制基因：模式与差异
癌症的多样性不仅体现在其表现形式上，也深深植根于基因层面。不同癌症类型对肿瘤抑制基因（Tumor Suppressor Genes, TSGs）的失活需求有着显著差异，这些差异揭示了肿瘤进化过程中基因组选择压力的独特性。这种基因失活模式的多样性，不仅是癌症复杂性的体现，也为精准医学提供了重要线索。
该研究中，分析了不同癌症类型中TSGs的双等位基因失活模式，揭示了高频失活基因与低频特异性基因之间的显著差异。例如，TP53基因是癌症中最常见的肿瘤抑制基因之一，其双等位基因失活率高达92%，几乎横跨所有癌种，如肺癌、乳腺癌和结直肠癌等。这种高度普遍性表明，TP53作为“基因组守护者”，其功能失活对于多种肿瘤的发生和进展至关重要。
相比之下，一些基因的失活模式却表现出极强的癌种特异性。例如，PTEN基因在前列腺癌中主要通过纯合缺失失活（占75%以上），而在卵巢癌中，这一比例甚至高达91%。这种特异性表明，不同癌症类型对同一基因的失活机制有着不同的依赖性。此外，CDKN2A基因的纯合缺失在多种癌症中占主导地位，而PIK3R1基因的复合突变却主要集中于子宫内膜癌，比例高达70%，远高于其在其他癌症中的平均值。
研究还发现，某些罕见基因的失活在特定癌种中却至关重要。例如，BAP1基因在肾透明细胞癌中的失活率高达94%，而在其他癌症中却极为罕见。这种低频但高度特异性的基因失活，往往提示该基因在该癌种中的关键驱动作用。
这些差异反映了癌症对基因组变化的“选择性适应”。高频失活的基因，如TP53和PTEN，往往是肿瘤发展的核心驱动，而低频但特异性高的基因，如BAP1，则揭示了某些癌症的独特分子机制。

癌症基因的个性化特征：每一种突变都在讲述它的故事
癌症不仅是一种疾病，它更像是一场“基因进化”的舞台剧，每个突变都有自己的角色和故事，而这些故事又因癌症类型的不同而各具特色。例如，同样的肿瘤抑制基因（TSGs），在不同癌症中可能展现出截然不同的失活模式，反映了各类肿瘤在基因组改变上的“个性化特征”。
以PTEN基因为例，这个在细胞生长和代谢中起关键作用的基因在不同癌症中的失活模式差异显著。在前列腺癌中，PTEN的主要失活机制是纯合缺失（Homozygous Deletion），占所有PTEN失活事件的75%以上，这一比例在卵巢癌中甚至高达91%。相比之下，在肺腺癌中，PTEN更常通过突变+杂合性丢失（MutLOH）失活。这种机制的选择差异可能与不同癌症在细胞环境和进化压力中的独特需求密切相关。
另一例是CDKN2A基因，该基因在多种癌症中的纯合缺失模式广泛存在，但某些癌症中却表现出低频的特异性失活机制。例如，PIK3R1基因在子宫内膜癌中的失活以复合突变（Composite Mutation）为主，占其失活事件的70%，这一模式在其他癌症中却很罕见。这表明，不同癌症可能会选择最适合其演化需求的基因组改变路径。
为了更好地理解这些独特的失活模式，研究人员通过分类分析，提出了基因与癌症类型间的互补关系框架。他们将224种TSGs按照失活模式和频率分为四类，包括普遍双等位基因失活的“全能型基因”（如TP53）、癌种特异性失活的“专属基因”（如BAP1）、以及那些倾向于保留单个等位基因功能的“例外基因”（如FOXA1）。这些分类帮助研究人员深入挖掘基因突变背后的生物学机制，解释了为什么某些基因在某些癌症中扮演着关键角色，而在其他癌症中却“沉默”。
每一种突变，都是癌症独特的“密码”，它们既定义了疾病的特性，也决定了患者对治疗的反应。

从基因变异到治疗预测：癌症精准医学的新方向
癌症的治疗正迈向个性化和精准化，而基因组变异特别是双等位基因失活（biallelic inactivation）的研究为这一目标提供了新方向。这些失活模式不仅是癌症发生的驱动因素，还可以作为生物标志物，帮助预测患者对治疗的反应和预后。这种精准医学的理念正在不断改变癌症治疗的方式。
以KEAP1基因为例，这是一种调控氧化应激反应的关键肿瘤抑制基因，在肺腺癌（LUAD）中常见其双等位基因失活。KEAP1通过促进NRF2（Nuclear factor erythroid 2-related factor 2）的降解来维持细胞内的氧化平衡，但当KEAP1发生失活时，NRF2会异常激活，增强癌细胞的抗氧化能力和治疗抵抗性。在该研究中，研究人员发现KEAP1的双等位基因失活与患者的预后显著相关：与单等位基因突变或野生型KEAP1相比，双等位基因失活的患者生存期显著缩短，同时对标准化疗和免疫治疗的反应较差。
研究还表明，KEAP1的双等位基因失活可以作为预测免疫治疗效果的标志物。在接受免疫检查点抑制剂（如PD-L1抑制剂）的非小细胞肺癌患者中，KEAP1双等位失活的患者中位无进展生存期仅为2.7个月，而野生型KEAP1患者则达到6.7个月。这种差异可能源于KEAP1失活导致的肿瘤微环境改变，使免疫细胞更难以发挥作用。
值得注意的是，KEAP1的失活模式还可以用于重新分类“意义未明的突变”（VUS）。研究发现，即便是KEAP1中的一些非经典突变，只要表现出双等位基因失活的特征，其生物学功能和临床表现均与经典致癌突变一致。这进一步突显了双等位失活作为精准医学工具的重要性。
通过研究双等位基因失活的机制及其与治疗效果的关系，研究人员正在为个体化治疗方案提供更具指导性的依据。这些发现让人们认识到，不同癌症患者背后的基因密码可以成为未来治疗策略的“指南针”。

跨越传统界限：如何重新定义肿瘤抑制基因的功能？
“二次打击假说”（Two-hit hypothesis）一直是解释肿瘤抑制基因（Tumor Suppressor Genes, TSGs）失活的经典理论，它认为TSGs的功能丧失需要两个等位基因同时失活。然而，近年来的研究表明，这一理论可能过于局限，某些肿瘤抑制基因的单等位基因失活（Monoallelic Inactivation）也可以推动癌症的发生。这一发现挑战了传统观点，为重新定义TSGs的功能开辟了新方向。
该研究中，研究人员通过对48,179名癌症患者的基因组分析，揭示了不同TSGs在癌症中表现出的多样化失活模式。例如，TP53基因的某些突变形式可以通过“显性负效应”（Dominant-negative Effect）阻碍正常等位基因的功能，仅需一个等位基因的突变就足以驱动肿瘤形成。此外，PPP2R1A基因的热点突变也表现出类似的主导效应，而非传统的双等位基因失活。这些基因的单等位突变使细胞内的关键信号通路失去调控，为肿瘤的发生提供了温床。
同时，研究发现某些基因的单等位失活具有“剂量敏感性”（Dosage Sensitivity）。以PTEN基因为例，尽管传统观点认为其双等位失活是癌症的主要驱动因素，但在前列腺癌等特定类型中，PTEN的单等位失活同样能够削弱细胞的抑癌能力，并为后续基因组改变铺平道路。
这些现象表明，TSGs的功能并非简单地“开”或“关”，而是存在于一个复杂的功能谱系中，部分丧失也可能在特定情境下驱动癌症的发生。研究人员进一步提出，TSGs的失活模式应结合肿瘤类型、基因突变形式以及细胞微环境等因素综合分析，重新评估其在癌症中的功能。
通过重新思考“二次打击假说”，我们看到了肿瘤抑制基因功能的多样性及其对癌症研究的深远影响。这一新视角不仅帮助我们更全面地理解癌症的发生机制，也为精准治疗和新型抗癌药物的开发提供了重要启示。



参考文献


Zucker M, Perry MA, Gould SI, Elkrief A, Safonov A, Thummalapalli R, Mehine M, Chakravarty D, Brannon AR, Ladanyi M, Razavi P, Donoghue MTA, Murciano-Goroff YR, Grigoriadis K, McGranahan N, Jamal-Hanjani M, Swanton C, Chen Y, Shen R, Chandarlapaty S, Solit DB, Schultz N, Berger MF, Chang J, Schoenfeld AJ, Sánchez-Rivera FJ, Reznik E, Bandlamudi C. Pan-cancer analysis of biallelic inactivation in tumor suppressor genes identifies KEAP1 zygosity as a predictive biomarker in lung cancer. Cell. 2024 Dec 12:S0092-8674(24)01327-8. doi: 10.1016/j.cell.2024.11.010. Epub ahead of print. PMID: 39701102.



责编|探索君
排版|探索君
转载请注明来源于【生物探索】
声明：本文仅用于分享，不代表平台立场，如涉及版权等问题，请尽快联系我们，我们第一时间更正，谢谢！
查看原图 255K