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非编码DNA揭示晚期前列腺癌对疗法呈抵抗性的路径

  • Dr. Matthew Freedman

    中为Matthew Freedman博士

  • Dr. Matthew Meyerson

    Matthew Meyerson博士

  • 2018年6月14日——美国马萨诸塞州波士顿讯

    近期,学界汇集了有关转移性前列腺癌肿瘤(metastatic prostate cancer)耐药性的表观遗传学开关的发现。本研究凸显了探究基因调控以及癌症基因组内大规模、结构性变化的深远意义。

    在对激素抑制疗法(hormone-blocking therapies)呈耐药性的转移性前列腺癌病例中,约有75%的病例或可成为雄激素受体(androgen receptor, AR)和此前未有过的基因开关(也称基因增强子)复制的温床。这种雄激素受体可助力转移性前列腺癌对疗法的耐药性,而基因增强子则会促进雄激素受体基因的表达。在对肿瘤进行时雄激素受体靶向药物(AR-targeting drugs)治疗后,会出现雄激素受体基因的复制,以及表观遗传症状显示基因增强子处于活跃状态的现象。

    这些癌细胞内遗传学及表观遗传学上的变化,与肿瘤基因组结构内一种独特的、广泛的大规模变化规律相一致。由此可推断出在分子防护系统(molecular safeguards)中出现了断裂,在正常情况下,分子防护系统能够让一个细胞的基因组保持在稳定状态。

    最新一期的《细胞》期刊(Cell)发表了相关的研究成果。带领两组研究的科学家们分别来自麻省理工学院与哈佛大学旗下的博德研究所(Broad Institute of MIT and Harvard)以及丹娜—法伯癌症研究所(Dana-Farber Cancer Institute)。

    在对疗法呈耐药性的转移性前列腺癌病例中,两组研究均发现了重要的分子特征,但是这些特征并非从早期肿瘤病例中得来。此外,两组研究还凸显了这些肿瘤演化成对疗法呈现耐药性的一个路径,并为以后进行相关的临床试验指明了方向。

    来自美国国家癌症研究所(National Cancer Institute)的数据显示:在美国,晚期或转移性前列腺癌是人类第六大致死癌症的类型,每年约有3万美国患者死亡。目前,美国境内约有三百万男性患有前列腺癌。

    雄激素受体蛋白质(AR protein)是一种刺激晚期前列腺肿瘤的受体,致使肿瘤对两种名为睾酮(testosterone)和二氢睾酮(dihydrotestosterone)的激素作出反应。科研人员对雄激素受体展开研究已有二十余载,包括该对雄激素受体编码的基因(称为AR基因)以及它的信号通路。许多研究都聚焦在疗法的开发上,例如:直接干扰雄激素受体功能,或在血液中降低激活这种蛋白质的激素水平,暨雄激素阻断疗法(androgen-deprivation therapies, ADT)。

    两组新的研究均呈现出探究雄激素受体基因调节器的必要性,包括对基因增强子的探究(非编码DNA的延伸;这种非编码DNA是协助基因表达的蛋白质的集合),以及对其它非编码基因组或表观遗传元素的研究。当前,学界的研究聚焦于基因组结构内的大规模变化及其对雄激素受体活动的潜在影响,以及这些变化或与疾病状况关联,而上述两个研究组对此提出质疑。

    “在癌症研究上,我们越来越趋向于以基因为中心的研究,研究的问题也都是诸如 ——“什么是靶向基因的复制数量增长与消除?” ——我认为,当我们对非编码基因组的了解更深入时,我们会看到更多的癌症病例中非编码驱动因素的例证”,Matthew Freedman博士说道,他是丹娜—法伯癌症研究所的一位癌症遗传学家,也是此次发表在《细胞》期刊上的两篇论文之一的一位资深作者。

    “癌症基因组研究的第一个时期首要关注的是局限性前列腺癌(localized prostate cancer), 以及局限性疾病中的编码基因变化。然而,我们现在观察到的是,在前列腺癌各异的疾病状态里,有着非常突出的基因差异。而正是由于这些独特的基因变化(基因组的编码及非编码区域皆有)可与晚期前列腺癌同时出现,且能够对疗法作出反应”,Srinivas Viswanathan博士说道。Viswanathan博士是丹娜—法伯癌症研究所的一位前列腺肿瘤内科学家、博德研究所癌症项目组(Broad Institute Cancer Program)的一名研究员,此外还是此次《细胞》期刊发表的另外一篇论文的联合作者之一,其它作者还包括:博德研究所及丹娜—法伯癌症研究所研究员Gavin Ha,挪威奥斯陆大学和博德研究所的研究员Andreas Hoff。

    Freedman博士的研究由博德研究所及丹娜—法伯的David Takeda及丹娜—法伯的Sandor Spisák带领,他们是研究的联合第一作者,也是博士后研究人员。研究组在对雄激素阻断疗法呈耐药性的转移性前列腺肿瘤中鉴别出一种非编码DNA的延伸,且后者与呈现出表观遗传学标记的AR基因(暨划分DNA处于活跃状态与否的化学标志)之间有超过五十万个碱基对(base pairs),因此,研究组提出:这种非编码DNA延伸是一个活跃的基因增强子(active enhancer)。这种基因增强子标记仅存于对治疗呈耐药性的转移性前列腺癌患者的肿瘤细胞内,局限性患者体内的肿瘤细胞则没有该基因增强子的标记。

    通过利用染色体构象分析(chromosome conformation analysis, 用来测量基因组的部分物理互动方式),Freedman博士、Takeda以及Spisák研究小组发现:这种非编译的区域调动了AR基因启动子(AR gene promoter)。故此,研究组提出进一步的建议:非编码DNA扮演着增强子的作用。此外,他们还表示,研究组可通过用基于CRISPR编译技术的基因组与表观基因组编辑试剂来抑制增强子,以抑制转移性前列腺癌细胞系内雄激素受体蛋白质的产出及细胞生长。他们还发现:将一份单独的、额外的增强子副本添加到细胞系(cell line)上,他们可以观察到对恩杂鲁胺药物的增长的抵抗性。恩杂鲁胺(enzalutamide)是一种抗雄激素受体药物,目前被用来治疗对雄激素阻断疗法成耐药性的前列腺癌。

    Freeman博士说道: “这是一种非常强劲的增强子,且对于雄激素受体基因来说,它扮演着一个类似远程遥控的角色。今后,或许会有一些小分子药物的开发,用来阻断一些附着在这种增强子上的蛋白质。故此,这些新药物能够抑制雄激素受体在耐药性、转移性癌症中的信号通路” 。

    发表在《细胞》期刊的另一项研究是由Viswanathan、Ha、Hoff以及Matthew Meyerson博士带领的。Meyerson博士是博德研究所成员,亦是丹娜—法伯癌症研究所癌症基因组学(cancer genomics)的主任。该研究组从耐药性、转移性前列腺癌患者处收集了23个切片火箭样本,以探究与晚期前列腺癌相关的结构性基因组变化。这类结构变异(structural variations)涉及到DNA分段(DNA segments, 超过50-100个碱基对)的长度延伸,且能够展现出基因的复制、删除、染色体倒位(inversions)及更复杂的变化。

    Meyerson博士团队的数据是由10X Genomics开发的远程连接的读取测序技术而来,揭示了广泛分布的结构变异,且其中很多的结构变异都导致了一些抑制肿瘤生长基因的钝化作用(如:PTEN)。该团队的数据还揭露了一种新型结构变异——串联重复(tandem duplications),在局部、转移性肿瘤样本的整个基因组里,广泛分散着数百种串联重复。这些串联重复与CDK12基因的功能性缺失有关联,而这些功能可帮助保持基因组的稳定性。

    Viswanathan解释道: “伴有这种串联重复体模式的肿瘤基因或许能够一同激活许多致癌途径(oncogenic pathways)。故此,这样的现象亦可导致基因组的不稳定性,而后者或可致使这些细胞对某些化疗药物——如铂类药物(platinum agents)或聚腺苷二磷酸核糖聚合酶抑制剂靶向疗法(PARP inhibitors)更为敏感” 。

    令人震惊的是,Freedman博士团队鉴别出的雄激素受体基因(AR gene)以及雄激素受体基因增强子(AR enhancer),正是Meyerson博士团队专攻的频繁结构变异。Meyerson博士团队研究的70%的样本都含有雄激素受体基因和雄激素受体基因增强子额外的副本;其它17%的样本(总体为87%)仅含有雄激素受体基因增强子的额外副本。在他们研究的所有样本中,没有找到一个雄激素受体基因能够在没有增强子的帮助下进行单独复制的例子。

    Meyerson博士评论道: “在我们的非编码DNA中有一个及其复杂的调控网络,其中有很多针对癌症的网络都有改变,而对此,我们才刚开始有了解。增强子复制或调变(modulation)的发生与一系列的致癌基因(oncogenes)有关,且我们发现了另外一个例证,暨通过这种机制,一个致癌基因被激活的例子” 。Meyerson博士是博德研究所癌症项目(Cancer Program)的癌症基因组主任。

    Meyerson博士和同事们利用血液活检(blood biopsies)验证了他们的发现。血液活检是一种对血流中流通的肿瘤细胞和DNA进行分离、抽样的技术。通过利用由博德研究所Ha和血液活检团队(Blood Biopsy Team)开发的一项创新型技术,Meyerson博士团队对232位转移性前列腺癌患者进行血样采集,并从中提取游离肿瘤DNA(cell-free tumor DNA),团队在整个基因组数据中发现了变化。与团队采集的实体肿瘤活检样本一样,70%的血液活检含有雄激素受体基因的多余副本、雄激素手提基因增强子的多余副本,或两者兼有。

    Viktor Adalsteinsson博士表示: “在外科肿瘤活检中找到的同样的基因组重排(genomic rearrangements)亦存在于血液活检中,这就表明一种非侵入性血液测试(non-invasive blood test)或许不仅能对患者肿瘤进行常规性描述有价值,还可对我们探究更好的、更精准的治疗方法有益” 。Adalsteinsson博士是博德研究所血液活检团队的带头人,亦是Meyerson博士团队研究的一位联合作者。

    在现有的治疗前后的样本中,Meyerson博士团队还发现:经抑制雄激素受体基因药物治疗后,基因和增强子副本的数量有所增长,这标志着转移性癌细胞或可因对治疗而演化。

    两个研究团队的发现强化了这样一组现象,暨转移性前列腺癌持续依赖雄激素受体基因以存活、生长,且借由多种机制来促进其繁殖和活动。此外,研究团队还有以下发现:

    • 研究团队建议:雄激素受体基因强化子的扩增扮演者一个生物标记(biomarker)的角色,以雄激素受体基因抑制药物(AR-blocking drugs)疗法起抵抗作用;
    • 研究团队对针对前列腺癌患者的护理中,大量地利用整个基因组排序的方法提出质疑;以及
    • 对有些转移性前列腺癌的男性患者或许能从以癌细胞基因组不稳定性为靶向的疗法中受益,研究团队的研究成果为此增添了日益增长的证据。

    Mary-Ellen Taplin博士评论道: “随着前列腺癌的演化、对疗法出现抵抗作用,大多数晚期前列腺癌保持了对雄激素受体信号的依赖。这些优秀的研究向我们展示了在雄激素受体中极其复杂的变化,并且为疗法发展所需的新靶点提供了有力启示” 。Taplin博士是丹娜—法伯兰科泌尿生殖肿瘤中心(Lank Center for Genitourinary Oncology)的一位前列腺肿瘤内科学家,亦是Meyerson博士团队论文的一位联合作者。

    Freedman博士的研究获以下组织和机构支持:美国国家癌症研究所(National Cancer Institute)、美国国立综合医学研究所(National Institute of General Medical Sciences)、美国国立人类基因组研究所(National Human Genome Research Institute)、前列腺癌基金会(Prostate Cancer Foundation)、H.L.西奈德基金会(H.L. Snyder Foundation)等。Meyerson博士的研究由以下组织和机构支持:美国国防部(Department of Defense)、美国国家癌症研究所(National Cancer Institute)、前列腺癌基金会(Prostate Cancer Foundation)及加拿大卫生研究院(Canadian Institute for Health Research)等。

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