Gut | 湯富酬研究組與付衛(wèi)研究組合作揭示家族性腺瘤性息肉病的發(fā)病機(jī)制
結(jié)直腸癌在全球范圍內(nèi)是發(fā)病率第三、致死人數(shù)第四的惡性腫瘤(Beattie et al., 2005)(Carey, 2017; Church, 2016)。結(jié)直腸腺瘤是結(jié)直腸癌的癌前病變，根據(jù)組織學(xué)形態(tài)可以分為低級(jí)別腺瘤和高級(jí)別腺瘤，從低級(jí)別腺瘤到腺癌的序列發(fā)生需要10年以上時(shí)間。因此，深入解析低級(jí)別腺瘤向腺癌轉(zhuǎn)化的分子機(jī)制對(duì)于結(jié)直腸癌的預(yù)防、早篩和治療都有重要意義。家族性腺瘤性息肉病（Familial adenomatous polyposis, FAP)約占全部結(jié)直腸癌的1%，F(xiàn)AP的遺傳與APC抑癌基因密切相關(guān)，APC基因的胚系突變啟動(dòng)了大腸癌沿正常粘膜—低級(jí)別腺瘤—高級(jí)別腺瘤—癌的多階段多步驟發(fā)生模式, 如不及時(shí)腸鏡下切除息肉或者手術(shù)切除相應(yīng)腸管，息肉癌變率可高達(dá)90%以上。FAP患者體內(nèi)存在大量的起始于同一APC基因突變的處于不同演進(jìn)階段的結(jié)直腸腫瘤性病變，即同一個(gè)體體內(nèi)同時(shí)存在正常上皮、不同級(jí)別腺瘤、早期癌、進(jìn)展期癌等不同病變。同時(shí)，這些腫瘤性病變具有相同的遺傳背景，面臨相同的致癌因素和選擇壓力(Bodmer et al., 1987; Groden et al., 1991; Kinzler et al., 1991; Nagase and Nakamura, 1993; Rengifo-Cam et al., 2016)。這為研究結(jié)直腸腺瘤的癌變過(guò)程提供了非常好的研究材料。
2019年11月19日，北京大學(xué)湯富酬課題組與北醫(yī)三院付衛(wèi)課題組聯(lián)合在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Gut發(fā)表題目為“Genomic and transcriptomic profiling of carcinogenesis in patients with familial adenomatous polyposis”的研究論文。該研究從6例典型的FAP患者和1例非典型的FAP患者（MUTYH相關(guān)FAP）手術(shù)樣品中共獲取了56 份樣本，包括6份外周血、12份癌旁組織、23份低級(jí)別腺瘤組織、5份高級(jí)別腺瘤組織以及 10份腺癌組織。并通過(guò)全基因組淺測(cè)序和全外顯子組深測(cè)序，深入研究了來(lái)自于同一個(gè)FAP患者的多個(gè)病變組織之間的譜系發(fā)生關(guān)系以及良性腺瘤向惡性腺癌轉(zhuǎn)變過(guò)程中的基因組變異情況。同時(shí)，為了研究腺瘤發(fā)生及腺瘤向腺癌惡變過(guò)程中的轉(zhuǎn)錄組動(dòng)態(tài)變化，該研究對(duì)來(lái)自 6例典型的FAP患者、1例非典型的FAP患者以及 2 例對(duì)照散發(fā)結(jié)直腸癌患者的 8,757 個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了高精度的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。并以這些單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，重構(gòu)了腺瘤發(fā)生以及腺瘤向腺癌惡化的轉(zhuǎn)錄組動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，系統(tǒng)的闡述了該過(guò)程中重要的基因表達(dá)變化事件（圖1）。
該研究的主要發(fā)現(xiàn)有：
1. 在單個(gè)病人的水平上探究了正常上皮向腺瘤以及腺癌發(fā)生過(guò)程中的基因組變異情況。該研究通過(guò)比較來(lái)自于同一個(gè)患者的不同病變階段的腺瘤和腺癌組織，發(fā)現(xiàn)即使是低級(jí)別腺瘤，其體細(xì)胞突變的數(shù)目相對(duì)于癌旁組織已經(jīng)明顯升高。特別是，良性的高級(jí)別腺瘤的體細(xì)胞突變數(shù)目甚至可以比惡性腺癌的體細(xì)胞突變數(shù)目還高。出現(xiàn)頻率最高的潛在體細(xì)胞致病突變是抑癌基因APC基因的二次失活突變（同一個(gè)細(xì)胞中另外一個(gè)野生型APC等位基因的失活突變）（69%），此外，不同患者在其他潛在的致病基因的突變譜上表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的個(gè)體間異質(zhì)性。
圖2. FAP患者中潛在致病基因的突變譜。
2. FAP患者中存在區(qū)域癌變現(xiàn)象。該研究通過(guò)體細(xì)胞突變情況對(duì)來(lái)自于同一個(gè)患者的不同病變組織構(gòu)建了譜系發(fā)生樹(shù)。在其中2例患者中（FAP1和FAP2），發(fā)現(xiàn)物理位置較近的多個(gè)原位腺瘤和腺癌起源于同一個(gè)病變始祖細(xì)胞，這證明了在FAP患者中存在之前在散發(fā)結(jié)直腸癌研究報(bào)道的區(qū)域癌變現(xiàn)象（圖3）(Baba et al., 2016; Curtius et al., 2017; Slaughter et al., 1953)，也就是病變始祖細(xì)胞分裂增殖的后代細(xì)胞遷移到腸上皮組織的不同部位并進(jìn)一步進(jìn)展到腺瘤和腺癌階段，產(chǎn)生物理上分隔開(kāi)（但是有共同譜系來(lái)源的）的不同腫瘤塊。闡明FAP患者中存在區(qū)域癌變現(xiàn)象對(duì)于進(jìn)一步理解結(jié)直腸多發(fā)腺瘤的發(fā)生機(jī)制和臨床治療具有重要的指導(dǎo)意義。
3. FAP患者的所有癌旁上皮細(xì)胞相對(duì)于非FAP患者的癌旁上皮細(xì)胞在基因表達(dá)上已經(jīng)表現(xiàn)出了顯著的癌變傾向。該研究通過(guò)對(duì)來(lái)自于6例FAP患者癌旁組織和2例對(duì)照非FAP患者癌旁組織進(jìn)行了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)FAP患者的癌旁上皮細(xì)胞雖然在基因組中還沒(méi)有積累關(guān)鍵致病基因的突變和拷貝數(shù)變異，但是由于抑癌基因APC基因兩個(gè)拷貝中的一個(gè)拷貝已經(jīng)突變失活，進(jìn)而導(dǎo)致FAP患者所有腸上皮細(xì)胞中WNT信號(hào)通路活性的輕微上升，從而在整個(gè)轉(zhuǎn)錄組水平上發(fā)生異常，特別是細(xì)胞增殖相關(guān)和代謝功能相關(guān)基因的表達(dá)顯著增強(qiáng)，最終導(dǎo)致FAP患者結(jié)直腸隱窩中的上皮細(xì)胞的分裂增殖速度明顯加快，為進(jìn)一步致癌突變的產(chǎn)生和積累創(chuàng)造了條件。這很可能是FAP患者在年輕的時(shí)候就會(huì)在結(jié)直腸上產(chǎn)生數(shù)百甚至上千個(gè)不同腺瘤的分子原因之一。
4. 探究了腺瘤發(fā)生以及腺瘤向腺癌轉(zhuǎn)變過(guò)程中轉(zhuǎn)錄組的動(dòng)態(tài)變化。該研究利用來(lái)自FAP患者癌旁組織、低級(jí)別腺瘤、高級(jí)別腺瘤、以及腺癌的上皮細(xì)胞之間的系統(tǒng)比較揭示了腺瘤發(fā)生和惡化的基因表達(dá)變化的關(guān)鍵特征。發(fā)現(xiàn)那些隨腫瘤發(fā)展呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化的基因按照其變化趨勢(shì)可分為4類(lèi)。其中第一類(lèi)基因隨著腺瘤發(fā)生迅速下調(diào)表達(dá)而在腺瘤向腺癌轉(zhuǎn)變的后期又被部分上調(diào)表達(dá)。GO分析結(jié)果顯示這類(lèi)基因強(qiáng)富集三羧酸循環(huán)和丙酮酸代謝途徑基因。早在1924年糖代謝途徑的重編程就被發(fā)現(xiàn)是癌細(xì)胞區(qū)別于正常上皮細(xì)胞的重要特征之一(Weinberg, 2014)。而該研究結(jié)果指出，三羧酸循環(huán)相關(guān)的代謝基因在良性腺瘤發(fā)生的早期就開(kāi)始強(qiáng)烈下調(diào)表達(dá)，這些基因反而在從良性腺瘤到惡性腺癌的轉(zhuǎn)變過(guò)程中有所回升，但是仍然低于癌旁組織中正常上皮細(xì)胞中的水平。這說(shuō)明三羧酸循環(huán)代謝水平的降低是腫瘤發(fā)生過(guò)程中的最早期事件之一，可能是治療FAP患者的較好的治療靶點(diǎn)通路。
圖5. （A）將隨擬時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的基因按照其動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)聚類(lèi)。（B）對(duì)第一類(lèi)基因做GO分析。
綜上所述，本文以家族性腺瘤性息肉病為模型，在單個(gè)患者的水平上深入探究了結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵分子變化特征，特別是正常上皮向良性腺瘤轉(zhuǎn)化、以及良性腺瘤向惡性腺癌的轉(zhuǎn)化過(guò)程中重要的基因組變異事件和轉(zhuǎn)錄組的變化特征，為研究結(jié)直腸癌發(fā)生的早期事件提供了新的線索和思路。
北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心（BIOPIC）李靜云博士、汪睿博士、以及北京大學(xué)第三醫(yī)院周鑫博士、博士生王文東為該論文的并列第一作者，北京大學(xué)生命科學(xué)院、北京未來(lái)基因診斷高精尖創(chuàng)新中心湯富酬教授和北京大學(xué)第三醫(yī)院付衛(wèi)教授為該論文的共同通訊作者。該課題得到了北京大學(xué)生命科學(xué)儀器中心（成像平臺(tái)）和北京大學(xué)高精尖中心高通量測(cè)序平臺(tái)的協(xié)助與支持。
原文鏈接：
https://gut.bmj.com/content/early/2019/11/18/gutjnl-2019-319438
參考文獻(xiàn)：
ADDIN Mendeley Bibliography CSL_BIBLIOGRAPHY Baba, Y., Ishimoto, T., Kurashige, J., Iwatsuki, M., Sakamoto, Y., Yoshida, N., Watanabe, M., and Baba, H. (2016). Epigenetic field cancerization in gastrointestinal cancers. Cancer Lett. 375, 360–366.
Beattie, J., Crozier, A., and Duthie, G. (2005). Potential Health Benefits of Berries. Curr. Nutr. Food Sci. 1, 71–86.
Bodmer, W.F., BaiJey, C.J., Bodmer, J., Bussey, H.J.R., Ellis, A., Gormanll, P., LucibelIo, F.C., Murday, V.A., Rider, S.H., Scambler, P., et al. (1987). Localization of the gene for familial adenomatous polyposis on chromosome 5. Nature 328, 614–616.
Carey, F. (2017). Pathology of colorectal neoplasia. Surg. (United Kingdom) 35, 126–131.
Church, J. (2016). Molecular genetics of colorectal cancer. Semin. Colon Rectal Surg. 27, 172–175.
Curtius, K., Wright, N.A., and Graham, T.A. (2017). An evolutionary perspective on field cancerization. Nat. Rev. Cancer 18, 19–32.
Groden, J., Thliveris, A., Samowitz, W., Carlson, M., Gelbert, L., Albertsen, H., Joslyn, G., Stevens, J., Spirio, L., Robertson, M., et al. (1991). Identification and characterization of the familial adenomatous polyposis coli gene. Cell 66, 589–600.
Kinzler, K.W., Nilbert, M.C., Su, L.K., Vogelstein, B., Bryan, T.M., Levy, D.B., Smith, K.J., Preisinger, A.C., Hedge, P., McKechnie, D., et al. (1991). Identification of FAP locus genes from chromosome 5q21. Science (80-. ). 253, 661–665.
Nagase, H., and Nakamura, Y. (1993). Mutations of the APC adenomatous polyposis coli) gene. Hum. Mutat. 2, 425–434.
Rengifo-Cam, W., Jasperson, K.W., Burt, R.W., and Jewel Samadder, N. (2016). Familial adenomatous polyposis. Intest. Polyposis Syndr. Diagnosis Manag. 101, 173–195.
Slaughter, D.P., Southwick, H.W., and Smejkal, W. (1953). “Field cancerization” in oral stratified squamous epithelium. Clinical implications of multicentric origin. Cancer 6, 963–968.
Weinberg, R.A. (2014). The biology of cancer second edition (New York: Garland Science, Taylor & Francis Group, LLC).
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